毛細管電泳實驗講義（一）

實驗目的：

1 進一步理解毛細管電泳的基本原理；

2 熟悉毛細管電泳儀器的構成；

3 了解影響毛細管電泳分離的主要操作參數。

實驗原理：

1．電泳淌度

毛細管電泳（CE）是以電滲流 (EOF)為驅動力，以毛細管為分離通道，依據樣品中組分之間淌度和分配行為上的差異而實現分離的一種液相微分離技術。離子在自由溶液中的遷移速率可以表示為：

n = mE                              （1）

式中n是離子遷移速率，m為電泳淌度，E為電場強度。對于給定的荷電量為q的離子，淌度是其特征常數，它由離子所受到的電場力（F_E）和通過介質所受到的摩擦力（F_F）的平衡所決定。

F_E = qE                                   （2）

對于球形離子：

F_F = -6phrn                            （3）

式中h為介質粘度，r為離子的流體動力學半徑。在電泳過程達到平衡時，上述兩種力方向相反，大小相等：

qE = -6phrn                     （4）

將式（4）代入式（1），得：

                  （5）

因此，離子的電泳淌度與其荷電量呈正比，與其半徑及介質粘度呈反比。帶相反電荷的離子其電泳淌度的方向也相反。需要指出，我們在物理化學手冊中可以查到的離子淌度常數是絕對淌度，即離子帶最大電量時測定并外推至無限稀釋條件下所得到的數值。在電泳實驗中測定的值往往與此不同，故我們將實驗值稱為有效淌度（m_e）。有些物質因為絕對淌度相同而難以分離，但我們可以通過改變介質的pH值，使離子的荷電量發生改變。這樣就可以使不同離子具有不同有效淌度，從而實現分離。下文中所提到的電泳淌度除特別說明外，均指有效淌度。

2．電滲流和電滲淌度

電滲流（EOF）是CE中最重要的概念，指毛細管內壁表面電荷所引起的管內液體的整體流動，來源于外加電場對管壁溶液雙電層的作用。

在水溶液中多數固體表面根據材料性質的不同帶有過剩的負電荷或正電荷。就石英毛細管而言，表面的硅羥基在pH大于3以后就發生明顯的解離，使表面帶有負電荷。為了達到電荷平衡，溶液中的正離子就會聚集在表面附近，從而形成所謂雙電層，如圖1所示。這樣，雙電層與管壁之間就會產生一個電位差，叫做Zeta電勢。但毛細管兩端施加一個電壓時，組成擴散層的陽離子被吸引而向負極移動。由于這些離子是溶劑化的，故將拖動毛細管中的體相溶液一起向負極運動，這便形成了電滲流。需要指出，很多非離子型材料如聚四氟乙烯和聚丙烯等材料表面也可以產生電滲流，原因可能是其表 

面對陰離子的吸附。

電滲流的大小可用速率和淌度來表示：

（6）

或者 （7）

式中n_EOF為電滲流速率，m_EOF為電滲淌度，x為Zeta電勢，e為介電常數。

Zeta電勢主要取決于毛細管表面電荷的多寡。一般來說，pH越高，表面硅羥基的解離程度越大，電荷密度越大，電滲流速率就越大。

除了受pH的影響外，電滲流還與表面性質（硅羥基的數量、是否有涂層等）、溶液離子強度有關，雙電層理論認為，增加離子強度可以使雙電層壓縮，從而降低Zeta電勢，減小電滲流。此外，溫度升高可以降低介質粘度，增大電滲流。電場強度雖然不影響電滲淌度，但卻可改變電滲流速率。顯然，電場強度越大，電滲流速率越大。

由上可知，電滲流的方向一般是從正極到負極，然而，在溶液中加入陽離子表面活性劑后，由于毛細管表面強力吸附陽離子表面活性劑的親水端，而陽離子表面活性劑的疏水端又會緊密結合一層表面活性劑分子，結果就形成了帶負電的表面，雙電層Zeta電勢的極性發生了反轉，最后使電滲流的方向發生了變化。在分析小分子有機酸時，這是常用的電滲流控制技術。

電滲流的一個重要特性是具有面流型。由于引起流動的推動力在毛細管的徑向上均勻分布，所以管內各處流速接近相等。其優點是徑向擴散對譜帶擴展的影響非常小。與此形成鮮明對照的是高壓泵驅動的拋物線流型（如在HPLC中），由于管內徑向上各處的流速不同，使得譜帶峰形變寬。這也是與HPLC相比，CE具有更高分離效率的一個重要原因。

電滲流的另一個重要優點是可以使幾乎所有被分析物向同一方向運動，而不管其電荷性質如何。這是因為電滲淌度一般比離子的電泳淌度大一個數量級，故當離子的電泳淌度方向與電滲流方向相反時，仍然可以使其沿電滲流方向遷移。這樣，就可在一次進樣分析中，同時分離陽離子和陰離子。中性分子由于不帶電荷，故隨電滲流一起運動。如果對毛細管內壁進行修飾可以降低電滲流，而被分析物的淌度則不受影響。在此情況下，陰陽離子有可能向不同的方向遷移。

3．毛細管電泳的儀器及操作

圖3所示為CE儀器示意圖。其組成部分主要是高壓電源、緩沖液瓶（包括樣品瓶）、毛細管和檢測器。下面分別簡要討論之。

高壓電源是為分離提供動力的，商品化儀器的輸出直流電壓一般為0~30kV，也有文獻報道采用60kV以至90kV電壓的。大部分直流電源都配有輸出極性轉換裝置，可以根據分離需要選擇正電壓或負電壓。

緩沖液瓶多采用塑料（如聚丙烯）或玻璃等絕緣材料研制成，容積為1~3mL。考慮到分析過程中正負電極上發生的電解反應，體積大一些的緩沖液瓶有利于pH的穩定。進樣時毛細管的一端伸入樣品瓶，采用壓力或電動方式將樣品加載到毛細管入口，然后將樣品瓶換為緩沖液瓶，接通高壓電源開始分析。

4．毛細管電泳的分離模式

CE有6種常用的分離模式。其中毛細管區帶電泳（CZE）、膠束電動毛細管色譜（MEKC）和毛細管電色譜（CEC）最為常用。本實驗的內容為CZE。