毛細管電泳工作原理(capillaryelectrophoresis,CE)（一）

  毛細管電泳(capillary electrophoresis, CE)又叫高效毛細管電泳(HPCE), 是近年來發展最快的分析方法之一。1981年Jorgenson和Lukacs首先提出在75μm內徑毛細管柱內用高電壓進行分離, 創立了現代毛細管電泳。1984年Terabe等建立了膠束毛細管電動力學色譜。1987年Hjerten 建立了毛細管等電聚焦, Cohen和Karger提出了毛細管凝膠電泳。1988～1989年出現了第一批毛細管電泳商品儀器。短短幾年內, 由于CE符合了以生物工程為代表的生命科學各領域中對多肽、蛋白質(包括酶，抗體)、核苷酸乃至脫氧核糖核酸(DNA)的分離分析要求, 得到了迅速的發展。

　　CE是經典電泳技術和現代微柱分離相結合的產物。CE和高效液相色譜法(HPLC)相比, 其相同處在于都是高效分離技術, 儀器操作均可自動化, 且二者均有多種不同分離模式。二者之間的差異在于：CE用遷移時間取代HPLC中的保留時間, CE的分析時間通常不超過30min, 比HPLC速度快；對CE而言, 從理論上推得其理論塔板高度和溶質的擴散系數成正比, 對擴散系數小的生物大分子而言, 其柱效就要比HPLC高得多；CE所需樣品為nl級, 最低可達270fl, 流動相用量也只需幾毫升, 而HPLC所需樣品為μl級, 流動相則需幾百毫升乃至更多；但CE僅能實現微量制備, 而HPLC可作常量制備。

　　CE和普通電泳相比, 由于其采用高電場, 因此分離速度要快得多；檢測器則除了未能和原子吸收及紅外光譜連接以外, 其它類型檢測器均已和CE實現了連接檢測；一般電泳定量精度差,而CE和HPLC相近；CE操作自動化程度比普通電泳要高得多。總之, CE的優點可概括為三高二少：高靈敏度, 常用紫外檢測器的檢測限可達10-13～10-15mol,激光誘導熒光檢測器則達10-19～10-21mol；高分辨率, 其每米理論塔板數為幾十萬；高者可達幾百萬乃至千萬, 而HPLC一般為幾千到幾萬；高速度, 最快可在60s內完成, 在250s內分離10種蛋白質, 1.7min分離19種陽離子, 3min內分離30種陰離子； 樣品少, 只需nl (10-9 L)級的進樣量；成本低, 只需少量(幾毫升)流動相和價格低廉的毛細管。由于以上優點以及分離生物大分子的能力, 使CE成為近年來發展最迅速的分離分析方法之一。當然CE還是一種正在發展中的技術, 有些理論研究和實際應用正在進行與開發。

　　“CE”統指以高壓電場為驅動力, 以毛細管為分離通道, 依據樣品中各組分之間淌度和分配行為上的差異而實現分離的一類液相分離技術。（見圖16 毛細管電泳儀器示意圖）。其儀器結構包括一個高壓電源, 一根毛細管, 一個檢測器及兩個供毛細管兩端插入而又可和電源相連的緩沖液貯瓶。在電解質溶液中, 帶電粒子在電場作用下, 以不同的速度向其所帶電荷相反方向遷移的現象叫電泳。

　　CE所用的石英毛細管柱, 在pH>3情況下, 其內表面帶負電, 和溶液接觸時形成了一雙電層。在高電壓作用下, 雙電層中的水合陽離子引起流體整體地朝負極方向移動的現象叫電滲, 粒子在毛細管內電解質中的遷移速度等于電泳和電滲流(EOF)兩種速度的矢量和, 正離子的運動方向和電滲流一致, 故最先流出；中性粒子的電泳流速度為“零”，故其遷移速度相當于電滲流速度；負離子的運動方向和電滲流方向相反, 但因電滲流速度一般都大于電泳流速度, 故它將在中性粒子之后流出, 從而因各種粒子遷移速度不同而實現分離。

　　電滲是CE中推動流體前進的驅動力, 它使整個流體像一個塞子一樣以均勻速度向前運動, 使整個流型呈近似扁平型的“塞式流”。（見圖）它使溶質區帶在毛細管內原則上不會擴張。但在HPLC中,采用的壓力驅動方式使柱中流體呈拋物線型, 其中心處速度是平均速度的兩倍, 導致溶質區帶本身擴張, 引起柱效下降, 使其分離效率不如CE。

　　理論分析表明, 增加速度是減少譜帶展寬、提高效率的重要途徑, 增加電場強度可以提高速度。但高場強導致電流增加, 引起毛細管中電解質產生焦耳熱(自熱)。自熱將使流體在徑向產生拋物線型溫度分布, 即管軸中心溫度要比近壁處溫度高。因溶液粘度隨溫度升高呈指數下降, 溫度梯度使介質粘度在徑向產生梯度, 從而影響溶質遷移速度, 使管軸中心的溶質分子要比近管壁的分子遷移得更快, 造成譜帶展寬, 柱效下降。

　　一般來說溫度每提高1℃, 將使淌度增加2% (所謂淌度, 即指溶質在單位時間間隔內和單位電場上移動的距離)。此外, 溫度改變使溶液pH值、粘度等發生變化, 進一步導致電滲流、溶質分子的電荷分布(包括蛋白質的結構)、離子強度等的改變, 造成淌度改變、重復性變差、柱效下降等現象。降低緩沖液濃度可降低電流強度, 使溫差變化減小。高離子強度緩沖液可阻止蛋白質吸附于管壁, 并可產生柱上濃度聚焦效應, 防止峰擴張, 改善峰形。減小管徑在一定程度上緩解了由高電場引起的熱量積聚, 但細管徑使進樣量減少, 造成進樣、檢測等技術上的困難。因此, 加快散熱是減小自熱引起的溫差的重要途徑。液體的導熱系數要比空氣高100倍。現在有的采用液體冷卻方式的毛細管電泳儀可使用離子強度高達0.5mol/L的緩沖液進行分離, 或使用200 μm直徑的毛細管進行微量制備, 仍能達到良好的分離效果和重現性。