毛细管电泳分析

1、第三讲 现代分离分析方法 毛细管电泳分析方法简介 第十一章 高效毛细管电泳分析 一、概述一、概述 generalization 二、经典电泳分析法二、经典电泳分析法 traditional electrophoresis 三、高效毛细管电泳分析三、高效毛细管电泳分析 法法 high performance capillary electrophoresis 第一节 概述 generalization High performance capillary electrophoresis,HPCE 第一节第一节 概概 述述 一、概述一、概述 generalization 在电解质溶液中，位于电场中

2、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； 发现发现样品的迁移速度和方向由其电荷和淌度决定；样品的迁移速度和方向由其电荷和淌度决定； 第一次第一次的的自由溶液电泳；自由溶液电泳；第一台电泳仪第一台电泳仪； 1948年，年，获诺贝尔化学奖获诺贝尔化学奖； 二、经典电泳分析 traditional electrophores

3、is 利用利用电泳电泳现象对某些化学或生物物质进行分离分析的方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。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75Um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高效毛细管电泳。 三、高效毛细管电泳分析三、高效毛细管

4、电泳分析 high performance capillary electrophoresis 高效毛细管电泳在技术上采取了两项重要改进：高效毛细管电泳在技术上采取了两项重要改进： 一是采用了一是采用了0.05mm0.05mm内径的毛细管内径的毛细管, ,； 二是采用了高达数千伏的电压。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。 分离过程 电场作用下，毛细 管柱中出现：电泳

5、现电泳现 象和电渗流现象象和电渗流现象。 带电粒子的带电粒子的迁移速度迁移速度= =电泳电泳+ +电渗流；电渗流；两种速度的矢量和两种速度的矢量和。 正离子正离子：两种效应的运动方向一致，在两种效应的运动方向一致，在负极最先流出负极最先流出； 中性粒子中性粒子无电泳现象，受电渗流影响，无电泳现象，受电渗流影响，在阳离子后流出在阳离子后流出； 阴离子阴离子：两种效应的运动方向相反两种效应的运动方向相反。电渗流 电泳时,阴 离子在负极最后流出,在这种情况下,不但可以按类分离,除中 性粒子外,同种类离子由于受到的电场力大小不一样也同时被 相互分离。 （动画）动画） 高效毛细管电泳的特点 1.1.仪器

6、简单、易自动化仪器简单、易自动化 电源、毛细管、检测器、溶液瓶 2.2.分析速度快、分离效率高分析速度快、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； 3.3.操作方便、消耗少操作方便、消耗少 进样量极少，水介质中进行； 4.4.应用范围极广应用范围极广 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； 第第二节二节 高效毛细管电泳分析法高效毛细管电泳分析法 高效毛细管电泳理论基础高效毛细管电泳理论基础 high performance capillary el

7、ectrophoresis,HPCE basic theory of HPCE 一、一、PHCE基本原理基本原理 basic principles of PHCE 二、电渗现象与电渗流二、电渗现象与电渗流 electroosmosis and electroosmotic flow 三、影响电渗流的因素三、影响电渗流的因素 factors influenced electroosmosis 四、淌度四、淌度 mobility 五、五、PHCE中的参数与关系式中的参数与关系式 parameters and relation in HPCE 六、影响分离效率的因素六、影响分离效率的因素 facto

8、rs influenced separation efficiency 一、高效毛细管电泳一、高效毛细管电泳(HPCE)(HPCE)基本原理基本原理 basic principles of PHCE 电泳是指带电离子在电场中的定向移动，不同离子具有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？不同的迁移速度，迁移速度与哪些因素有关？ 当带电离子以速度当带电离子以速度 在电场中移动时，受到大小相等、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。方向相反的电场推动力和平动摩擦阻力的作用。 电场力：电场力：FE = qE 阻阻

9、力：力：F = f 故：故： qE = f q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； ) 所以，迁移速度所以，迁移速度： E q f qE 6 （球形离子） 物质离子在电场中物质离子在电场中差速迁移差速迁移是电泳分离的基础。是电泳分离的基础。 淌度淌度 ：单位电场强度下的平均电泳速度：单位电场强度下的平均电泳速度。 6 q E 二、电渗现象与电渗流二、电渗现象与电渗流 electroosmosis and electroosmotic flow 1.1.电渗流现象电

10、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-固界面形成双电层双电层，二者之间 存在电位差。 当液体两端施加电压时，当液体两端施加电压时， 就会发生液体相对于固体表面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的移动，这种液体相对于固体 表面的移动的现象叫表面的移动的现象叫电渗现象电渗现象。 电渗现象中整体移动着的电渗现象中整体移动着的 液体叫液体叫电渗流电渗流（electroosmotic flow ，简称，简称EOF）。）。 2.2.HPCE中的电渗现象与电渗流中的电渗现象与电渗流 石英毛细管柱，内充液石英毛细管柱，内

11、充液pH3pH3时，表面电离成时，表面电离成- -SiOSiO- -, ,管管 内壁带负电荷，形成双电层。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，速度的溶液整体向负极移动，速度电渗流 电渗流。 。 3.3.HPCE中电渗流的大小与方向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的大小用电渗流速度电渗流 电渗流表示，取决于电渗淌 表示，取决于电渗淌 度度和电场强度和电场强度E

12、E。即。即 电渗流 电渗流 = = E E 电渗淌度取决于电泳介质及双电层的电渗淌度取决于电泳介质及双电层的ZetaZeta电势，即电势，即 = = 0 0 0真空介电常数；介电常数；毛细管壁的Zeta电势。 电渗流 电渗流 = = 0 0 E E 实际电泳分析，可在实验测定相应参数后，按下式计算实际电泳分析，可在实验测定相应参数后，按下式计算 电渗流 电渗流 = = L Lef ef/t /teo eo Lef 毛细管有效长度； teo电渗流标记物（中性物质）的迁移时间。 HPCE中电渗流的方向中电渗流的方向 电渗流的方向取决于毛细管内表面电荷的性质：电渗流的方向取决于毛细管内表面电荷的性质

13、： 内表面带负电荷，溶液带正电荷，电渗流流向阴极；内表面带负电荷，溶液带正电荷，电渗流流向阴极； 内表面带正负电荷，溶液带负电荷，电渗流流向阳极；内表面带正负电荷，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；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：改变电渗流方向的方法： （1 1）毛细管改性）毛细管改性 表面键合阳离子基团； （2 2）加电渗流反转剂）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。 4. 4. HPCE中电渗流的流形中电渗流的流形 电荷均匀分布，整体移动，电渗流的

14、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）。 5. 5. HPCE中电渗流的作用中电渗流的作用 电渗流的速度约等于一般离子电泳速度的电渗流的速度约等于一般离子电泳速度的5 57 7倍；倍； 各种电性离子在毛细管柱中的迁移速度为：各种电性离子在毛细管柱中的迁移速度为： + + = =电渗流 电渗流 + + +ef +ef 阳离子运动方向与电渗流 阳离子运动方向与电渗流一致一致； - - = =电渗流 电渗流 - - -ef -ef 阴离子运动方向与电渗流 阴离子运动方向与电渗流相反相反；

15、 0 0 = =电渗流 电渗流 中性粒子运动方向与电渗流一致；中性粒子运动方向与电渗流一致； （1 1）可一次完成阳离子、阴离子、中性粒子的分离；）可一次完成阳离子、阴离子、中性粒子的分离； （2 2）改变电渗流的大小和方向可改变分离效率和选择性，）改变电渗流的大小和方向可改变分离效率和选择性， 如同改变如同改变LCLC中的流速；中的流速； （3 3）电渗流的微小变化影响结果的重现性；）电渗流的微小变化影响结果的重现性； 在在HPCEHPCE中，控制电渗流非常重要中，控制电渗流非常重要。 三、三、HPCE中影响电渗流的因素中影响电渗流的因素 factors influenced electro

16、osmosis 1.1.电场强度的影响电场强度的影响 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。 2.2.毛细管材料的影响毛细管材料的影响 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； 3. 3. 电解质溶液性质的影响电解质溶液性质的影响 （1 1）溶液）溶液pHpH的影响的影响 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=7pH=7，达到最大，达到最大； pH 电泳 电泳时 时, ,阴离子在阴离子在 负极最后流出负极最后流出, ,在这种情况下在这种情况下, ,不但不但 可以按类分离可以按

17、类分离, ,同种类离子由于同种类离子由于差差 速迁移速迁移被相互分离。被相互分离。 最基本、应用广的分离模式；最基本、应用广的分离模式； 二、毛细管凝胶电泳二、毛细管凝胶电泳 capillary gel electrophoresis ，CGE 将聚丙烯酰胺等在毛细管柱内交联生成凝胶。将聚丙烯酰胺等在毛细管柱内交联生成凝胶。 其具有多孔性，类似分子筛的作用，试样分子按大小分其具有多孔性，类似分子筛的作用，试样分子按大小分 离。能够有效减小组分扩散，所得峰型尖锐，分离效率高。离。能够有效减小组分扩散，所得峰型尖锐，分离效率高。 蛋白质、蛋白质、DNADNA等的电荷等的电荷/ /质量比与分子大小无

18、关，质量比与分子大小无关，CZECZE模模 式很难分离，采用式很难分离，采用CGECGE能获得良好分离，能获得良好分离，DANDAN排序的重要手段。排序的重要手段。 特点特点：抗对流性好，散热性好，分离度极高。：抗对流性好，散热性好，分离度极高。 无胶筛分技术无胶筛分技术：采用低粘度的线性聚合物溶液代替高粘：采用低粘度的线性聚合物溶液代替高粘 度交联聚丙烯酰胺。柱便宜、易制备。度交联聚丙烯酰胺。柱便宜、易制备。 1.1.缓冲溶液中加入离子型表面活性剂，其浓度达到临界缓冲溶液中加入离子型表面活性剂，其浓度达到临界 浓度，形成一疏水内核、外部带负电的胶束。浓度，形成一疏水内核、外部带负电的胶束。

19、三、三、 胶束电动毛细管色谱胶束电动毛细管色谱（MECC ，MEKC） micellar electrokinetic capillary chromatography，MEKC 在电场力的作在电场力的作 用下，胶束在柱中用下，胶束在柱中 移动。移动。 2. 2. 电泳流和电渗流的方向相反，且电泳流和电渗流的方向相反，且电渗流 电渗流 电泳 电泳 ， ， 负电胶束以较慢的速度向负极移动；负电胶束以较慢的速度向负极移动； 5.5.色谱与电泳分离模式色谱与电泳分离模式 的结合。的结合。 3. 3.中性分子在胶束相和溶液（水相）间分配，疏水性强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；的组分与胶束结合的较牢，流出时间长； 4.4.可用来分离中性物质，扩展了高效毛细管电泳的应用可用来分离中性物质，扩展了高效毛细管电泳的应用 范围范围； 1. 1. 根据等电点差别分离生物大分子的高分辨率电泳技术；根据等电点差别分离生物大分子的高分辨率电泳技术； 2. 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（脂肪族多胺基多羧酸混合物），当施加直流电压（6 68 8V V）时，）时， 管内将建立一个由阳极到阴极逐步升高的管内将建立一个由阳极到阴