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毛细管电泳的基本原理

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    毛细管电泳(capillary electrophoresis,CE)是20世纪80年代初发展起来的一种新型分离分析技术,乃经典电泳技术和现代微柱分离有机结合的产物,是继高效液相色谱(HPLC)之后,分析科学领域的又一次革命。
    毛细管电泳泛指以高压电场为驱动力,以毛细管为分离通道,依据样品中各组分之间淌度和分配行为上的差异而实现分离的一类液相分离技术。毛细管电泳仪的基本结构包括一个高压电源,一根毛细管,一个检测器及两个供毛细管两端插入而又可和电源相连的缓冲液贮瓶。
    毛细管电泳仪的工作原理:毛细管电泳所用的石英毛细管柱,在pH>3情况下,其内表面带负电,和溶液接触时形成一双电层。在高电压作用下,双电层中的水合阳离子引起流体整体朝负极方向移动的现象叫电渗。粒子在毛细管内电解质中的迁移速度等于电泳和电渗流(EOF)两种速度的矢量和。正离子的运动方向和电渗流一致,故最先流出;中性粒子的电泳速度为“零”,故其迁移速度相当于电渗流速度;负离子的运动方向与电渗流方向相反,但因电渗流速度一般都大于电泳流速度,故它将在中性粒子之后流出,从而因各种粒子迁移速度不同而实现分离。
    理论基础:如果溶质纵向扩散是区带展宽的唯一因素,对于CE来说,可以通过增大分离高压和缩短毛细管来提高速度,同时兼顾分离效率。在任何给定的时间内要获得最高的理论塔板数,分离电压与毛细管长度的比例应该最大,也就是说在只考虑溶质纵向扩散的前提下,采用尽可能高的分离电压和短的毛细管,可以实现高柱效和快速分离。高电渗流同样可以提高分析速度和柱效。
    焦耳热:但实际上,分离高压增大和毛细管长度缩短时,除了扩散外,还有诸多因素影响柱效,其中最严重的是温度效应,即毛细管的焦耳热问题,这是HSCE中不可忽略的问题。
    焦耳热随着分离高压增大和毛细管的缩短而增大。焦耳热过大会造成峰扩展、变形。
    减少焦耳热的方法:理论上,当G小于1W/m时,焦耳热造成的峰扩展可以忽略不计。采用小内径毛细管可以降低焦耳热、施加高电压,实现快速分离而不影响柱效。在HSCE的许多实例中,通常采用内径低至10 m的毛细管和2~5 kV/cm的高电场。但内径低于50μm的毛细管对进样和检测提出了更高的要求。另一种减少焦耳热的方法是采用低电导率的缓冲溶液,如具有高的相对分子质量、小电荷的溶液或窄pH范围的两性电解质。这种方法很有吸引力,因为它对仪器没有特殊要求,可以应用于商品CE仪上。综上所述,要在维持高效情况下加快CE的分析速度,可以采用以下几种方法:(1)短而窄内径的分离毛细管;(2)高分离电压;(3)高电渗流。另外,对于带负电荷的分析物,通常在缓冲溶液中加入阳离子表面活性剂,通过改变E0F的方向来提高分析速度。

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