毛細管電泳技術發展及應用前景

毛細管電泳技術（Capillary Electrophoresis, CE）又稱高效毛細管電泳（HPCE）或毛細管分離法（CESM），毛細管電泳方法雖新工藝，但歷史悠久，它是在電泳技術的基礎上發展的一種分離技術。電泳作為一種技術出現，已有近百年的歷史，但真正被視為一種在生物化學中有重要意義的技術，是由1937年A. Tiselius 首先提出。傳統電泳最大的局限是難以克服由高電壓引起的焦耳熱，1967年Hjerten最先提出在直徑為3mm的毛細管中做自由溶液的區帶電泳（Capillary Zone Electro-phoresis, CZE）。但他沒有完全克服傳統電泳的弊端。現在所說的毛細管電泳技術（CE）是由Jorgenson和Lukacs在1981年首先提出，他們使用了75mm的毛細管柱，用熒光檢測器對多種組分實現了分離。1984年Terabe將膠束引入毛細管電泳，開創了毛細管電泳的重要分支：膠束電動毛細管色譜（MEKC）。1987年Hjerten等把傳統的等電聚焦過程轉移到毛細管內進行。同年，Cohen發表了毛細管凝膠電泳的工作。近年來，將液相色譜的固定相引入毛細管電泳中，又發展了電色譜，擴大了電泳的應用范圍。

當電泳從凝膠板上移到毛細管中以后，發生了奇跡般的變化：分析靈敏度提高到能檢測一個堿基的變化，分離效率達百萬理論塔片數；分析片段能大能小，小到分辨單個核苷酸的序列，大到分離Mb到DNA；分析時間由原來的以小時計算縮減到以分、秒計算。CE可以說是經典電泳技術與現代微柱分離技術完美結合的產物。它使分析科學得以從微升水平進入納升水平，并使單細胞分析，乃至單分子分析成為可能。長期困擾我們的生物大分子如蛋白質的分離分析也因此有了新的轉機。

毛細管電泳技術是一類以毛細管為分離通道、以高壓直流電場為驅動力，根據樣品中各組分之間遷移速度和分配行為上的差異而實現分離的一類液相分離技術，迅速發展于80年代中后期，它實際上包含電泳技術和色譜技術及其交叉內容，是分析科學中繼高效液相色譜之后的又一重大進展，它使分析科學得以從微升水平進入納升水平，并使細胞分析，乃至單分子分析成為可能。是分析科學中繼高效液相色譜之后的又一重大進展，是近幾年來分析化學中發展最為迅速的領域之一。

毛細管電泳技術的基本原理是根據在電場作用下離子遷移的速度不同而對組分進行分離和分析，以兩個電解槽和與之相連的內徑為20～100μm的毛細管為工具，毛細管電泳所用的石英毛細管柱，在 pH>3的情況下，其內表面帶負電，和緩沖液接觸時形成雙電層，在高壓電場的作用下，形成雙電層一側的緩沖液由于帶正電荷而向負極方向移動形成電滲流。同時，在緩沖液中，帶電粒子在電場的作用下，以不同的速度向其所帶電荷極性相反方向移動，形成電泳，電泳流速度即電泳淌度。在高壓電場的作用下，根據在緩沖液中各組分之間遷移速度和分配行為上的差異，帶正電荷的分子、中性分子和帶負電荷的分子依次流出，帶電粒子在毛細管緩沖液中的遷移速度等于電泳淌度和電滲流的矢量和，各種粒子由于所帶電荷多少、質量、體積以及形狀不同等因素引起遷移速度不同而實現分離；在毛細管靠負極的一端開一個視窗，可用各種檢測器。目前已有多種靈敏度很高的檢測器為毛細管電泳提供質量保證，如紫外檢測器（UV）、激光誘導熒光檢測器（LIF）、能提供三維圖譜的二極管陣列檢測器（DAD）以及電化學檢測器（ECD）。由于毛細管的管徑細小、散熱快，即使是高的電場和溫度，都不會向常規凝膠電泳那樣使膠變性，影響分辨率。

毛細管電泳技術的分離模式和檢測模式的發展同樣也是多方面的，經典的分離模式有毛細管區帶電泳、毛細管膠束電動色譜、毛細管凝膠電泳等；新方法的發展研究難度大，但近年來卻有不小的進展，其中建立新的分離模式和聯用技術最為突出。比如建立了陣列毛細管電泳（CAE），親和毛細管電泳技術（ACE），芯片毛細管電泳（CCE），非水毛細管電泳技術（NACE）；本文作者嘗試將分子信標技術與毛細管電泳技術相結合進行基因檢測，取得較滿意效果；國外已開始探索利用CE對PCR產物作DNA單鏈構象多態性（single strand conformation polymorphism, SSCP）分析篩查點突變。毛細管電泳技術發展迅速，是色譜最活躍的領域之一。毛細管電泳技術分離模式主要有以下幾種。

（1）毛細管區帶電泳（Capillary Zone Electrophoresis, CZE）用以分析帶電溶質。為了降低電滲流和吸附現象，可將毛細管內壁涂層。CZE是最基本也是最常見的一種操作模式，應用范圍最廣，可用于多種蛋白質、肽、氨基酸的分析。

（2）膠束電動毛細管色譜（Micellar  Electrokinetic Capillary Chromatography, MECC）在緩沖液中加入離子型表面活性劑如十二烷基硫酸納，形成膠束，被分離物質在水和膠束相（準固定相）之間發生分配并隨電滲流在毛細管內遷移，達到分離。MECC是唯一一種既能用于中性物質的分離又能分離帶電組分的CE模式。

（3）毛細管凝膠電泳（Capillary Gel Electrophoresis, CGE）在毛細管中裝入單體，引發聚合形成凝膠。CGE分凝膠和無膠篩分兩類，主要用于DNA、RNA片段分離和順序、PCR產物分析及蛋白質等大分子化合物的檢測。

（4）親和毛細管電泳，在毛細管內壁涂布或在凝膠中加入親和配基，以親和力的不同達到分離。可用于研究抗原-抗體或配體-受體等特異性相互作用。

（5）毛細管電色譜，（Capillary Electrochromatography, CEC）是將高效液相色譜（HPLC）的固定相填充到毛細管中，或在毛細管內壁涂布固定相，以電滲流為流動相驅動力的色譜過程。此模式兼具電泳和液相色譜的模式。

（6）毛細管等電聚焦電泳（Capillary Isoelectric Focusing, CIEF）是通過內壁涂層使電滲流減到最小，在兩個電極槽分別裝酸和堿，加高電壓后，在毛細管內壁建立pH梯度，溶質在毛細管中遷移至各自的等電點，形成明顯區帶。聚焦后，用壓力或改變檢測器末端電極槽儲液的pH值使溶質通過檢測器。CIEF已經成功用于測定蛋白質等電點，分離異構體等方面。

（7）毛細管等速電泳，（Capillary isotachophoresis, CITP）采用先導電解質和后繼電解質，使溶質按其電泳淌度不同得以分離。

（8）CE/MS聯用，CE的高效分離與MS的高鑒定能力結合，成為微量生物樣品，尤其是多肽、蛋白質分離分析的強有力工具。可提供分子量及結構信息，適于目標化合物分析或窄質量范圍內掃描分析，如多環芳香碳氫化合物（PAH）、寡聚核苷酸分析等。

毛細管電泳技術兼有高壓電泳及高效液相色譜等優點，其突出特點是：

（1）所需樣品量少、儀器簡單、操作簡便。

（2）分析速度快，分離效率高，分辨率高，靈敏度高。

（3）操作模式多，開發分析方法容易。

（4）實驗成本低，消耗少。

（5）應用范圍極廣。

毛細管電泳技術可檢測多種樣品，如血清、血漿、尿樣、腦脊液、紅細胞、體液或組織及其實驗動物活體實驗；且可分離分析多種組分，如核酸/核苷酸、蛋白質/多肽/氨基酸、糖類/糖蛋白、酶、堿氨基酸、微量元素、小的生物活性分子等的快速分析，以及DNA序列分析和DNA合成中產物純度測定等，甚至可用于堿性藥物分子及其代謝產物、無機及有機離子/有機酸、單細胞分析、藥物與細胞的相互作用和病毒的分析，如在緩沖液中加入表面活性劑則可用于手性分離中性化合物。

毛細管電泳技術不僅在基礎科學中得到廣泛應用，在臨床醫學等領域的應用也有較多應用。如臨床疾病診斷、臨床蛋白分析、臨床藥物監測、代謝研究、病理研究、同工酶分析、PCR產物分析、DNA片段及序列分析等。隨著人類基因組計劃的實施，人類基因組計劃的完成比預期時間一再提前，其主要工具是毛細管電泳儀。但是人類基因組圖譜并沒有告訴我們所有基因的“身份”以及它們所編碼的蛋白質。人體內真正發揮作用的是蛋白質，蛋白質扮演著構筑生命大廈的“磚塊”角色，其中可能藏著開發疾病診斷方法和新藥的“鑰匙”。“后基因時代”，一個以“蛋白質組”為重點的生命科學的新時代到來，需要對蛋白質更多的研究，毛細管電泳技術將發揮更大的作用。在醫學研究中毛細管電泳技術越來越受到重視，但其臨床應用尚屬起步階段，隨著毛細管電泳技術的不斷發展和完善，CE將在臨床研究和基礎研究領域發揮更重要的作用。