毛细管电泳法

定义

在严格意义上，毛细管电泳法属于液相分离分析技术：分离在其中进行的是一根内充背景电解质的毛细管，动力来自施加于毛细管两端的直流高压，样品各组分因分子大小、所带电荷数、等电点以及在水相与准固定相之间分配行为的差别，而以不同速率迁移并先后到达检测器^[1][4]。

组分在毛细管中的迁移速率 $v$ 与电场强度 $E$、淌度 $\mu$ 之间满足 $v=\mu E$。在毛细管区带电泳中，溶质的迁移时间是电泳与电渗两种运动叠加的结果，可表示为 $t=\dfrac{L_d L_t}{(\mu_{ep}+\mu_{eo})V}$，式中 $\mu_{ep}$、$\mu_{eo}$ 分别为电泳淌度与电渗淌度，$L_t$ 为毛细管总长度，$L_d$ 为进样端至检测器的距离，$V$ 为外加电压^[1]。

分离效率通常以理论塔板数 $N$ 衡量。当纵向分子扩散是区带展宽的唯一因素时，$N=\dfrac{(\mu_{ep}+\mu_{eo})V}{2D}$，其中 $D$ 为溶质扩散系数。由于柱效与扩散系数成反比，扩散较慢的生物大分子容易获得比高效液相色谱更高的柱效^[1]。

背景

电泳作为一种分离手段已有近百年历史。1937 年，阿尔内·蒂塞利乌斯(Arne Tiselius)把电泳发展为一种分析技术，并因此获得 1948 年诺贝尔化学奖^[5]。

早期的电泳多在平板凝胶等支持介质上进行，施加高电压时产生的焦耳热不易散失，会造成区带展宽，分离效率与分辨率随之下降，这是限制该技术发展的主要障碍^[2][5]。

1967 年，Hjertén 在直径约 3 毫米的毛细管内进行自由溶液区带电泳，被视为毛细管电泳的雏形；1979 年，Mikkers 与 Everaerts 等人在内径约 200 微米的聚四氟乙烯管及玻璃管中开展电泳分离^[2][5]。

1981 年，Jorgenson 与 Lukacs 改用 75 微米内径的熔融石英毛细管，并施加最高约 30 千伏的电压、采用柱上荧光检测，实现了对氨基酸与多肽等物质的高效分离，被公认为现代毛细管电泳技术建立的标志^[3][6][2]。

内容

仪器结构相对简单，主要由高压电源、毛细管、检测器和数据处理系统构成，此外还需要两个缓冲液储瓶，毛细管两端分别插入其中并与电源相连。毛细管多为外覆聚酰亚胺涂层的熔融石英管，常用内径为 25 至 100 微米，长度数十厘米。样品可用加压、减压或虹吸等流体力学方式引入，也可施加电压以电动方式进样^[1][2]。

电渗流是推动毛细管内溶液整体前进的关键因素。熔融石英内壁的硅羟基在 pH 大于 3 时解离，使管壁带负电，并吸引缓冲液中的阳离子，在壁面附近形成双电层；施加电压后，扩散层中的阳离子向负极迁移，带着管内溶液一同流动，这一现象即电渗流。与高效液相色谱法中压力驱动所形成的抛物线流型不同，电渗流接近平流式的塞状流，溶质区带在迁移过程中不易扩张^[1][7][4]。

溶质在毛细管内的迁移速度是电泳速度与电渗流速度的矢量和。当电渗流由正极流向负极且其速度大于阴离子的电泳速度时，带正电的组分最先流出，中性组分随电渗流一同迁移，带负电的组分最后流出，因此一次进样即可同时分离正、负离子^[1][2]。

按分离机理不同，该法包含多种操作模式。毛细管区带电泳(CZE)是最基本、应用最广的一种，依荷质比差异分离组分；1984 年 Terabe 等把表面活性剂形成的胶束加入缓冲液，建立了胶束电动毛细管色谱(MEKC)，使中性物质也能被分离；此外还有利用凝胶或聚合物网络筛分大分子的毛细管凝胶电泳(CGE)、按等电点分离蛋白质的毛细管等电聚焦(CIEF)、毛细管等速电泳(CITP)，以及把色谱固定相填充到毛细管中的毛细管电色谱(CEC)^[1][7][2]。

检测通常采用紫外-可见吸收或激光诱导荧光方式，也可与质谱等仪器连接。紫外检测的检出限约为 10⁻¹³ 至 10⁻¹⁵ 摩尔，采用激光诱导荧光检测时可达 10⁻¹⁹ 至 10⁻²¹ 摩尔^[1]。

影响与争议

1988 年至 1989 年间，第一批商品化毛细管电泳仪器问世^[2]。20 世纪 90 年代，该技术被用于 DNA 测序，多毛细管阵列测序仪成为人类基因组计划测序工作的主要工具之一^[8][9]。

该技术在推广过程中曾被当作高效液相色谱的替代方法，但由于仪器与应用方法开发滞后、分析人员缺乏相应训练，实际表现未达预期，20 世纪 90 年代部分仪器厂商中止了相关研发项目，本世纪初小分子药物分析领域的使用一度减少^[8][5]。

限制还来自毛细管本身。不同毛细管之间的电渗流往往不完全一致，其大小还会随使用日期和运行批次改变；若样品组分吸附到管壁，重现性与分离效率都会变差。冲洗程序以及动态、静态涂层可以减轻这类影响，但对某些样品仍未彻底解决^[8]。

进入 21 世纪后，毛细管电泳在生物技术领域重新受到重视，主要用于治疗性蛋白等生物药物的质量研究与放行检验，毛细管凝胶电泳与毛细管等电聚焦在大型生物技术企业中得到确立，美国药典与欧洲药典也收载了若干采用该技术的检测方法^[5]。

参见

• 电泳 —— 毛细管电泳是在经典电泳基础上发展起来的高效分离技术。

• 高效液相色谱法 —— 与毛细管电泳原理不同但互为补充的液相分离方法。

• 电渗流 —— 驱动毛细管内溶液整体流动、决定组分流出顺序的因素。

• 等电聚焦 —— 毛细管等电聚焦由传统等电聚焦转移至毛细管内发展而来。

• 胶束电动毛细管色谱 —— 毛细管电泳中可分离中性物质的主要操作模式之一。

• 人类基因组计划 —— 毛细管阵列电泳曾为该计划的 DNA 测序提供主要技术支持。