毛细管电泳ppt下载

作者：王韵壹、李英、熊慧卿

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毛细管电泳Capillary Electrophoresis
第一节毛细管电泳概述
第二节毛细管电泳基础理论
第三节毛细管电泳仪
第四节毛细管电泳类型
第五节毛细管电泳的应用和进展
第一节毛细管电泳概述
毛细管电泳（CE），又称高效毛细管电泳，是近年来发展最快的高效分离分析技术之一。该技术是现代微柱分离技术和经典电泳技术结合的产物，是气相色谱(GC)、高效液相色谱(HPLC)等常用分离技术的重要补充，在诸多研究领域得到了人们广泛的接受和认可。
一、毛细管电泳发展历程
1808年，俄国物理学家 Pence 发现电泳现象。
1937年，瑞典Tiselius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，发现样品的迁移速度和方向由其电荷和淌度决定,第一次从人血清提取的蛋白质混合液中分离出白蛋白和α、β、γ球蛋白，但分离效率低；
1981年，Jorgenson在75 μm毛细管内施加300 V/cm的高强度电场，获得了理论塔板数超过400,000 plates/m的高分离效率，轰动了整个分离界，成为CE划时代里程碑
1989年，毛细管电泳仪问世。
1989年，第一届CE国际会议的召开，标志着一门新的分析技术的产生。
二、毛细管电泳的特点
(1)高效：每米理论塔扳数低则十几万，高则几百万甚至上千万；
(2)快速：可在十几分钟甚至几十秒内完成分离；
(3)低样品消耗：只需纳升甚至皮升级样品量；
(4)低成本分析：只需低廉的分离毛细管和少量的运行缓冲液；
(5)高度自动化：CE是目前自动化程度最高的分离分析方法之一；
(6)洁净：通常用水溶性缓冲液，对人体和环境无害；
(7)多分离模式：可根据需要在同一仪器上选用不同的样品分离模式；
(8)应用范围广：具有“万能”分析的功能和潜力，既可以分析无机离子、氨基酸、药物等小分子，又可以分析蛋白质等生物大分子,甚至整个细胞。
第二节毛细管电泳基础理论
一、电泳流
电泳：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。
电泳时，不同离子在电场中具有不同的定向迁移速度，迁移速度与哪些因素有关？
淌度(μ）：单位电场下的电泳速度。
绝对淌度：在无限稀释溶液中测得的淌度。
有效电泳淌度：在实际溶液中测得的淌度。
电场强度：与所施加的电压成正比，与两电极间的距离（L）成反比
E=V/L
电场力：在溶液中，电场对带电离子作用力（F）的大小等于带电离子所带的净电荷（q）与电场强度的乘积：
F=q·E
在电泳迁移过程中，介质粘滞力（F’）必然会阻碍离子的迁移。
粘滞力的大小与离子大小、形状、缓冲液粘度、甚至电泳介质孔径均有关系，与带电离子的移动速度更是直接相关。对于球形分子F’的大小服从Stokes定律：
F’=6πηrνef
       η：缓冲液粘度；r：球形分子的半径；νef：离子在电场中的迁移速度。
当带电离子以速度v在电场中移动时，受到大小相等、方向相反的电场驱动力和移动摩擦阻力的作用，此时
F=F’
故：                                     q·E= 6πηrνef
则离子在电场中的迁移速度：
即带电离子的电泳迁移速率（或称电泳淌度） :
由此可知，球形带电离子的迁移率，主要取决于自身状态，即与其所带电量成正比，与其半径及介质粘度成反比。电泳过程中正是利用带电离子电泳迁移速度或迁移速率的差异来实现分离的。
二、电渗流
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，形成电渗流。
1. CE中电渗流的大小与方向
    电渗流的大小可用电渗速度和电渗淌度表示。
（1）电渗流的大小
电渗流的大小与电场强度、Zata电势及缓冲液介电常数有关，某一电泳体系内电渗流的具体数值可以用Helmholtz-Smoluchowski 公式计算：
在具体实验中，可根据需要选用不同的中性组分作为标记物（N,N-二甲基甲酰胺、二甲亚砜、甲酰胺、苯酚、丙酮等），测定不同缓冲条件下中性标记物的迁移时间，按下述公式计算出电渗率：
其中，t：中性标记物的迁移时间，ldet为毛细管电泳有效长度， ltot为毛细管电泳有效长度。
（2）CE中电渗流的方向
石英毛细管带负电荷，溶液带正电荷，电渗流流向阴极；
改变电渗流方向的方法：
毛细管改性：表面键合阳离子基团；
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。
2.CE中电渗流的流形
液相色谱中的溶液流动为层流，抛物线流型，管壁处流速最慢，管中心处的速度为平均速度的2倍（引起谱带展宽较大）。
在毛细管电泳中，电荷均匀分布，整体移动，电渗流的流动为平流，塞式流动（区带展宽很小），故柱效较高。
3.CE中电渗流的作用
电渗流的速度一般约等于离子电泳速度的5～7倍；
各种电性粒子在毛细管柱中的迁移速度为：
阳离子迁移速度 =电渗流+电泳流，阳离子运动速度快于电渗流；
阴离子迁移速度 =电渗流–电泳流，阴离子运动速度慢于电渗流；
中性粒子迁移速度 =电渗流，中性粒子运动速度与电渗流一致。
CE中电渗流的作用：
可一次完成阳离子、阴离子、中性粒子的分离；
改变电渗流的大小和方向可改变分离效率和选择性
电渗流的微小变化影响结果的重现性；
     在CE中，控制电渗流非常重要。
4.CE中影响电渗流的因素
（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。
（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在4-7之间，电渗流增大显著；pH>8时电渗流增大速度渐缓。
    当pH<3，毛细管内壁离解的硅醇基被氢离子中和，表面接近电中性，电渗流接近零。分析时，可采用缓冲溶液来稳定并调控pH。
② 阴离子的影响
      在其它条件相同，缓冲液浓度相同而阴离子不同时，毛细管中的电流有较大差别，产生的电渗流不同。
（4）温度的影响
毛细管内温度升高，使溶液的黏度下降，电渗流增大。
温度变化来自于“焦耳热”；
焦耳热：毛细管溶液中有电流通过时，产生的热量；
CE中的焦耳热与背景电解质的摩尔电导、浓度及电场强度成正比。
温度每变化1度，将引起背景电解质溶液黏度变化2%～3%；
（5）添加剂的影响
加入浓度较大的中性盐，如K2SO4，溶液离子强度增大，使溶液的黏度增大，电渗流减小。
加入表面活性剂，可改变电渗流的大小和方向；
加入不同阳离子表面活性剂来控制电渗流。
加入阴离子表面活性剂，如十二烷基硫酸钠（SDS），可以使壁表面负电荷增加，zeta电势增大，电渗流增大；
加入有机溶剂如甲醇、乙腈，使电渗流增大。
三、CE中的参数与关系式
3.分离度
四、影响分离效率的因素—区带展宽
1. 纵向扩散的影响
    在CE中，纵向扩散引起的峰展宽：σ2=2Dt
    由扩散系数和迁移时间决定。大分子的扩散系数小，可获得更高的分离效率。
2. 进样的影响
    当进样塞长度太大时，引起的峰展宽大于纵向扩散。分离效率明显下降；理想情况下，进样塞长度：
       Winj= (24D t )1/2
    实际操作时进样塞长度小于或等于毛细管总长度的1%～2%。
3.焦耳热与温度梯度的影响
4.溶质与管壁间的相互作用
第三节毛细管电泳仪
一、仪器主要部件
1.高压电源
2. 毛细管
3.缓冲液池
二、毛细管电泳的进样方式
2.电动进样方式
第四节毛细管电泳类型
一、毛细管区带电泳（Capillary zone electrophoresis , CZE）
二、毛细管凝胶电泳 Capillary gel electrophoresis，CGE
三、胶束电动毛细管色谱（MECC，MEKC）Micellar electrokinetic capillary chromatography, MEKC
四、毛细管等电聚焦Capillary isoelectric focusing, CIEF
五、毛细管等速电泳 Capillary isotachophoresis，CITP
六、毛细管电色谱 Capillary electroosmostic chromatography，CEC
一、离子分析
阴离子分析
二、药物分析
三、手性化合物分析
四、氨基酸与蛋白质分析
蛋白质分析
五、核酸分析及DNA排序
六、新进展

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