毛细管电泳ppt课件

2020/5/27,1,高效毛细管电泳分析,HighPerformanceCapillaryElectrophoresis(HPCE),2020/5/27,2,一、概述Generalization二、经典电泳分析法Traditionalelectrophoresis三、高效毛细管电泳分析法Highperformancecapillaryelectrophoresis,第一节概述,Generalization,2020/5/27,3,一.概述,在电解质溶液中，位于电场中的带电离子在电场力的作用下，以不同的速度向其所带电荷相反的电极方向迁移的现象，称之为电泳。由于不同离子所带电荷及性质的不同，迁移速率不同，可实现分离。,1937年，Tiselius(瑞典)将蛋白质混合液放在两段缓冲溶液之间，两端施以电压进行自由溶液电泳，第一次将人血清提取的蛋白质混合液分离出白蛋白和、球蛋白；发现样品的迁移速度和方向由其电荷和淌度决定；第一次的自由溶液电泳；第一台电泳仪；1948年，获诺贝尔化学奖,生物化学家蒂塞利乌斯,A.W.K.蒂塞利乌斯ArneWilhelmKaurinTiselius(19021971）,蒂塞利乌斯1925年从事胶体溶液中悬浮蛋白质的电泳分离研究。曾自制超速离心机测定蛋白质分子的大小和形状,并与斯韦德贝里合作发表了第一篇论文,报道了测定蛋白质淌度的新方法。1930年他进一步改进实验手段和装置,发表了关于色谱法和吸附的论文。1935年改建原有电泳装置,发展了区带电泳法,大大提高了效率和分辨率。1940年他用自己设计的新电泳装置成功地分离了血清中蛋白质的4个组分,分别命名为:白蛋白、和球蛋白。该法迅速应用于分离和鉴定各种复杂蛋白质及其他天然物质的混合物的组成。他因对电泳分析和吸附方法的研究,特别是发现了血清蛋白的组分而获得1948年诺贝尔化学奖。,4,5,2020/5/27,6,二.经典电泳分析,利用电泳现象对某些化学或生物物质进行分离分析的方法和技术叫电泳法或电泳技术。按形状分类：U型管电泳、柱状电泳、板电泳；按载体分类：滤纸电泳、琼脂电泳、聚丙烯酰胺电泳、自由电泳；传统电泳分析：操作烦琐，分离效率低，定量困难，无法与其他分析相比。1981年，Jorgenson和Luckas，用75m内径石英毛细管进行电泳分析，柱效高达40万/m，促进电泳技术发生了根本变革，迅速发展成为可与GC、HPLC相媲美的崭新的分离分析技术高效毛细管电泳。,2020/5/27,7,三.高效毛细管电泳分析,高效毛细管电泳在技术上采取了两项重要改进：一是采用了50m(0.05mm)内径的毛细管,二是采用了高达数千伏的电压。毛细管的采用使产生的热量能够较快散发，大大减小了温度效应，使电场电压可以很高。电压升高，电场推动力大，又可进一步使柱径变小，柱长增加，高效毛细管电泳的柱效远高于高效液相色谱，理论塔板数高达几十万块/米，特殊柱子可以达到数百万。,2020/5/27,8,高效毛细管电泳的特点,1.仪器简单、易自动化电源、毛细管、检测器、溶液瓶2.分析速度快、分离效率高在3.1min内分离36种无机及有机阴离子，4.1min内分离了24种阳离子；分离柱效：105107/m理论塔板数.3.操作方便、消耗少进样量极少，水介质中进行.4.应用范围极广有机物、无机物、生物、中性分子；生物大分子等；分子生物学、医学、药学、化学、环境保护、材料等.,2020/5/27,9,一、PHCE基本原理BasicprinciplesofPHCE二、电渗现象与电渗流Electroosmosisandelectroosmoticflow三、影响电渗流的因素Factorsinfluencedelectroosmosis四、淌度Mobility五、PHCE中的参数与关系式ParametersandrelationinHPCE六、影响分离效率的因素Factorsinfluencedseparationefficiency,第二节高效毛细管电泳理论基础,basictheoryofHPCE,2020/5/27,10,一、高效毛细管电泳(HPCE)基本原理BasicprinciplesofPHCE,电泳是指带电离子在电场中的定向移动，不同离子具有不同的迁移速度，迁移速度与哪些因素有关？当带电离子以速度在电场中移动时，受到大小相等、方向相反的电场推动力和平动摩擦阻力的作用。,电场力：FE=qE阻力：F=f故：qE=fq离子所带的有效电荷；E电场强度；离子在电场中的迁移速度；f平动摩擦系数(对于球形离子：f=6；离子的表观液态动力学半径；介质的粘度；),2020/5/27,11,所以，迁移速度：,（球形离子）,物质离子在电场中差速迁移是电泳分离的基础。淌度：单位电场强度下的平均电泳速度。,q离子所带的有效电荷；离子的表观液态动力学半径；介质的粘度；,2020/5/27,12,二、电渗现象与电渗流electroosmosisandelectroosmoticflow,1.电渗流现象当固体与液体接触时，固体表面由于某种原因带一种电荷，则因静电引力使其周围液体带有相反电荷，在液-固界面形成双电层，二者之间存在电位差。,当液体两端施加电压时，就会发生液体相对于固体表面的移动，这种液体相对于固体表面的移动的现象叫电渗现象。电渗现象中整体移动着的液体叫电渗流（electroosmoticflow，简称EOF）。,2020/5/27,13,2.HPCE中的电渗现象与电渗流,石英毛细管柱，内充液pH3时，表面电离成-SiO-,管内壁带负电荷，形成双电层。,在高电场的作用下，带正电荷的溶液表面及扩散层向阴极移动，由于这些阳离子实际上是溶剂化的，故将引起柱中的溶液整体向负极移动，速度电渗流。,2020/5/27,14,3.HPCE中电渗流的大小与方向,电渗流的大小用电渗流速度电渗流表示，取决于电渗淌度和电场强度E。即电渗流=E电渗淌度取决于电泳介质及双电层的Zeta电势，即=00真空介电常数；介电常数；毛细管壁的Zeta电势。电渗流=0E实际电泳分析，可在实验测定相应参数后，按下式计算电渗流=Lef/teoLef毛细管有效长度；teo电渗流标记物（中性物质）的迁移时间。,2020/5/27,15,HPCE中电渗流的方向,电渗流的方向取决于毛细管内表面电荷的性质：内表面带负电荷，溶液带正电荷，电渗流流向阴极；内表面带正电荷，溶液带负电荷，电渗流流向阳极；石英毛细管；带负电荷，电渗流流向阴极；改变电渗流方向的方法：（1）毛细管改性表面键合阳离子基团；（2）加电渗流反转剂内充液中加入大量的阳离子表面活性剂，将使石英毛细管壁带正电荷，溶液表面带负电荷。电渗流流向阳极。,2020/5/27,16,4.HPCE中电渗流的流形,电荷均匀分布，整体移动，电渗流的流动为平流，塞式流动（谱带展宽很小）；液相色谱中的溶液流动为层流，抛物线流型，管壁处流速为零，管中心处的速度为平均速度的2倍（引起谱带展宽较大）。,2020/5/27,17,5.HPCE中电渗流的作用,电渗流的速度约等于一般离子电泳速度的57倍；各种电性离子在毛细管柱中的迁移速度为：+=电渗流+ef阳离子运动方向与电渗流一致；-=电渗流-ef阴离子运动方向与电渗流相反；0=电渗流中性粒子运动方向与电渗流一致；（1）可一次完成阳离子、阴离子、中性粒子的分离；（2）改变电渗流的大小和方向可改变分离效率和选择性，如同改变LC中的流速；（3）电渗流的微小变化影响结果的重现性；在HPCE中，控制电渗流非常重要。,2020/5/27,18,三、HPCE中影响电渗流的因素factorsinfluencedelectroosmosis,1.电场强度的影响电渗流速度和电场强度成正比，当毛细管长度一定时，电渗流速度正比于工作电压。,2.毛细管材料的影响不同材料毛细管的表面电荷特性不同，产生的电渗流大小不同；,2020/5/27,19,3.电解质溶液性质的影响,（1）溶液pH的影响对于石英毛细管，溶液pH增高时，表面电离多，电荷密度增加，管壁zeta电势增大，电渗流增大，pH=7，达到最大；pH电泳，负电胶束以较慢的速度向负极移动；,5.色谱与电泳分离模式的结合。,3.中性分子在胶束相和溶液（水相）间分配，疏水性强的组分与胶束结合的较牢，流出时间长；4.可用来分离中性物质，扩展了高效毛细管电泳的应用范围；,2020/5/27,45,在毛细管壁上键合或涂渍高效液相色谱的固定相，或在管内填充固定相，根据溶质在固定相和流动相中的分配系数的不同和自身的电泳淌度差异得以分离,四、毛细管电色谱(CEC)Capillaryelectrochromatography,2020/5/27,46,几种主要类型,开管毛细管电色谱柱OT-CEC,填充毛细管电色谱柱P-CEC,整体毛细管电色谱柱ML-CEC,2020/5/27,47,填充毛细管电色谱柱,P-CEC是最早研究的，其填料巨大的比表面使其对污染不敏感，分析结果的重现性较好，但因其填充及制备柱两端塞子的困难，以及由此带来的气泡效应和塞子效应等阻碍了它的进一步发展。但人们至今仍在努力并取得可喜进展。,2020/5/27,48,开管毛细管电色谱柱,OT-CEC柱中无塞子和填料，气泡效应和涡流扩散的影响小，分析中可获得较高柱效，适用于混合物的快速分析，但其相比小，柱容量低，寿命短，使其应用亦受到一定限制。,2020/5/27,49,化学键合,物理吸附,2020/5/27,50,整体毛细管电色谱柱,ML-CEC通过在毛细管内原位聚合或固化的方法制成具有均一多孔结构的整体式柱床，使毛细管柱的制备比较简单，且无塞子效应.,制备反应,1cm1cm,51,2020/5/27,52,SEM表征,2020/5/27,53,1.根据等电点差别分离生物大分子的高分辨率电泳技术；2.毛细管内充有两性电解质（合成的具有不同等电点范围的脂肪族多胺基多羧酸混合物），当施加直流电压（68V）时，管内将建立一个由阳极到阴极逐步升高的pH梯度；3.氨基酸、蛋白质、多肽等的所带电荷与溶液pH有关，在酸性溶液中带正电荷，反之带负电荷。在其等电点时，呈电中性，淌度为零；,五、毛细管等电聚焦Capillaryisoelectricfocusing，CIEF,2020/5/27,54,4.聚焦：具有不同等电点的生物试样在电场力的作用下迁移，分别到达满足其等电点pH的位置时，呈电中性，停止移动，形成窄溶质带而相互分离；,5.阳极端装稀磷酸溶液，阴极端装稀NaOH溶液；6.加压将毛细管内分离后的溶液推出经过检测器检测；7.电渗流在CIEF中不利，应消除或减小。,2020/5/27,55,一、离子分析analysisofion,阳离子分析迁移方向和电渗流方向一致；4.5min内分离了24种金属离子；阳极进样，阴极检测；具有很高的灵敏度；,第五节应用与进展,2020/5/27,56,阴离子分析,阴离子电泳方向和电渗流方向相反、速度接近，分析时间长、效率低；质量小、电荷密度大的离子如：SO4-2、Cl-、F-等，电泳速率大于电渗流，阳极端流出，在阴极端无法检测；加入电渗流改性剂，十六烷基三甲基溴化胺等，使电泳方向和电渗流方向一致，可在3.1min内分离36种阴离子；阴极进样，阳极检测；离子价态及存在形态分析；,2020/5/27,57,二、药物分析Analysisofpharmaceutics,检测体液或细胞中某些代谢产物的分析；尿液中的氨基酸含量作为临床诊断糖尿病的辅助手段；采用毛细管区带电泳方式，在11min内分离17种药物；,2020/5/27,58,采用MEKC模式，鉴定违禁药物.,2020/5/27,59,三、手性化合物分析Analysisofchiralcompounds,合成获得单一手性化合物相当困难；528种手性合成药物，61种以单一对映体形式销售，其他为外消旋体；检测分析也相当困难；研究热点；R-反应停是安眠药，S-式致胎儿畸形；HPCE分离分析手性化合物的方法：加入手性选择剂；形成配合物的稳定常数有差异，结合HPCE的高效率；常用手性选择剂：环糊精及其衍生物；手性冠醚；手性表面活性剂（氨基酸衍生物、胆酸钠、牛磺脱氧胆酸及其钠盐、低聚糖等天然手性表面活性剂）,2020/5/27,60,四、氨基酸与蛋白质分析Analysisofaminoacids,采用MEKC模式，在25分钟内分离了23种丹酰化氨基酸；HPCE可取代传统的氨基酸分析仪；问题：吸附和检测；,2020/5/27,61,蛋白质分析,2020/5/27,62,五、核酸分析及DNA排序Analysisofnucleicaci