毛细管电色谱的应用及发展
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毛细管电色谱的应用及发展
毛细管电色谱(Capillary electrochromatography, 简称 CEC)是在毛细管中填充或在管壁涂布、键合液相色谱的固定相,然后在毛细管的两端施加高压直流电，在电场作用下产生电渗流(Electroosmotic flow ，简称EOF）,流动相在电渗流的驱动下通过色谱柱。对中性化合物，其分离过程和HPLC类似，即通过溶质在固定相和流动相之间的分配差异而获得分离；当被分析的物质在流动相中带电荷时，除了和中性化合物一样的分配机理外，自身电泳淌度的差异对物质的分离也起相当的作用。
根据所用色谱柱的形式可分为填充毛细管电色谱（Packed column CEC）和开管柱毛细管电色谱（Open tubular CEC）。CEC以其高效、快速、广泛的用途、消耗少等优点，已成为当今的研究热点。
关键词 毛细管电色谱
1.1 毛细管电色谱技术历史回顾
毛细管电色谱(Capillary electrochromatography, 简称 CEC)是在毛细管电泳(Capillary electrophoresis ,简称CE)和微柱高效液相色谱(Micro-HPLC) 的基础上发展起来的一种新的分离技术。
1981年，Jorgenson 和 Lukacs [1]发表了在这一领域具有里程碑意义的工作。他们采用170mm (i.d.) ´ 68 cm的硼硅酸玻璃毛细管，浆法填充10mm ODS填料58cm,使用了在柱荧光检测器，以乙腈为流动相，在毛细管的两端施加30kV的高压，首次用毛细管电色谱分离了毛细管区带电泳难于分离的两种中性化合物9-甲基蒽和芘，理论塔板数分别为31,000 和 23,000 ，他们提出了电渗流和柱填充的状况无关的观点，Jorgenson 和 Lukacs 的开创性工作和卓越的预见，为这一新技术领域早期的发展奠定了基础。
1987年J. H. Knox和I. H. Grant[2]对电色谱的分离模式进行了分类，他们认为在电渗流驱动下开管中液流为塞式流，不同于压力驱动下的抛物线形液流，因此具有较高的分离效率。
1988年T. Tsuda[3]描述了CEC理论塔板数的方程，从理论上解释了CEC 比HPLC 有较高分离效率的事实，为CEC的发展提供了理论基础。
由于技术上的限制，直到90年代，毛细管电色谱的研究才得到较快的发展，在开管柱和填充毛细管电色谱中，当前以对后者的研究为主导。
1992年，Yamamoto [4]在680mm´50mm的石英毛细管内填充1.6mm的ODS填料,对不保留的组分硫脲得到243,000/680mm 的理论塔板数。
1994年，N. W. Smith 和M. B. Evans[5]利用CEC 对胆固醇进行杂质分析时，获得了大于387,000/m 的理论塔板数，所用的CEC柱为40cm´50mm ,3mmODS 填料。
1995年Yan[6]和他的合作者在对16种多环芳香化合物进行电色谱分析时，获得了400,000/m的理论塔板数。Smith[7] 在毛细管电色谱柱上分离了几种中性和强极性的碱性药物，使用离子交换色谱填料实现了离子交换电色谱。
1996年,Yan [8]等还利用毛细管电色谱进行了手性分离，Lloyd[9,10,11]在手性分离方面做了许多研究。到目前为止，大多数的CEC研究集中在诸如中性芳香化合物的分离上。对于蛋白质和多肽的研究报道有：Schmeer[12]、 Dekkers[13]和Euerby[14]结合电喷雾质谱技术分离含一两种组分的多肽混合物。1997年Wu[15]采用加压电色谱耦合离子阱/飞行时间质谱的手段，成功分离了6种肽的混合物,在对蛋白质消化产物的分析中,分离了20种以上的消化产物。Wu 等还对流动相的离子强度、pH值、毛细管柱直径等因素对分离效率和分析速度的影响作了进一步的研究[16]。
从1993年起，发表的CEC论文数量显著增加，CEC已经成为国际毛细管电泳大会讨论的重点专题。近年，国内也有一些研究小组从事填充CEC方面的工作，比较突出的是罗国安小组。他们在这一领域有多篇论文发表[17,18,19,20,21,22]。
目前，毛细管电色谱在药物分析方面的研究，集中在与药物相关的杂质分离和手性药物的分离，分析对象以中性药物和多环芳香化合物为主，随着毛细管电色谱技术的不断完善和提高，将在生物技术、环境保护、农业化学、精细化工产品、食品工业等领域的分析中得到应用，按照毛细管电色谱技术目前的发展势头，在可预计的将来，CEC作为一种发展中的分离技术，将有更广泛的应用前景。
1.2 毛细管电色谱装置
毛细管电色谱的早期研究是在改装的CE商品仪器上进行的，随着研究的深入和对研究前景的良好预期，现在已有商品仪器既可进行电泳模式也可方便地进行电色谱研究。目前，主要是Beckman公司的P/ACE 系列和HP公司的HP3D系列。 检测器根据分析样品性质的不同，可选UV 检测器( 包括DAD ) 、电化学检测器、LIF及CE－MS等。
1.3 CEC和CE及HPLC的比较
1.3.1 和CE相比CEC的优势
CEC和CE相比，其最大的优点是CEC既可以象CE一样分离带电荷的物质，也可以分离中性物质或两者的混合物，而无需象毛细管胶束电动色谱（Micellar electrokinetic capillary chromatography ,简称MEKC）那样添加表面活性剂以形成胶束。 对于中性化合物，在CEC中完全是通过它们的色谱性质的差异而获得分离，如果分析样品是荷电物质，其分离机制有色谱分配、电泳两种，从而又可能通过两者适当的搭配达到所需的选择性。MEKC 因其含有非挥发性的表面活性剂在和质谱连用时有困难。
其次，对于电泳淌度相近的物质，CE无法分离，而这些物质在CEC中的分配性质可能差异很大，就可以利用CEC分离CE无法分离的化合物。
另外，在HPLC中应用于手性分离的手性试剂几乎完全适用于CEC。
1.3.2 和HPLC相比CEC的优势
HPLC给用户提供了不同口径的柱子和种类繁多的填料，所有这些HPLC的财富都为CEC的发展提供了良好的条件。由于CEC采用电渗流（EOF）为驱动力，流型更接近于塞式流（Plug-like flow），而HPLC的流型属抛物线状的层流（Laminar flow），在壁上的速度为零，中心速度为平均速度的数倍，导致色谱带的展宽和柱效的降低。降低柱子的直径，如采用微柱HPLC（Microbore HPLC），或采用更小的填料可以提高柱效，但是会导致极高的背压（Back pressure），对填料的粒径有限制，而且对泵的要求极高。
CEC柱不存在柱压降，可以使用1mm左右粒径大小的填料，进样量少，仅为几个纳升，溶剂耗费低，分析时所需的平衡时间短，在检测方面，CEC采用柱上检测使检测的死体积很小，这是CEC分离效率高于HPLC的又一因素。
1.3.3 CEC面临的问题和未来展望
CEC经过十几年的发展在分析领域得到了很大的应用，但是世界上不存在完美的事物，从事CEC研究的科学工作者都不可避免地受到一些限制：
①焦耳热与气泡的产生：采用较高的电压可以提高分析速度，但焦耳热也随之增加，过热使柱子产生气泡，进而中断电流导致分析过程的终止。采用气体或导热良好的液体作散热介质、在柱子两端加压、增加有机溶媒在流动相中的比例、对流动相作彻底的脱气处理、使用电导率低的两性电解质缓冲液（Zwitterionic buffer,比如MES、Tris等）代替磷酸或硼酸盐缓冲等方法可在一定程度上解决散热的问题。
②检测的灵敏度：CEC柱的内径一般在50mm～320mm，这也就是柱上光度法检测时的光程，这个距离较短，所以检测器的灵敏度要低于HPLC。而且据本工作小组的研究，柱上检测存在线性范围小，在一些参数发生变化时易使测定结果的准确度和精密度降低的问题。增加检测光程是解决灵敏度问题最简单的办法，在CE中可以采用矩形毛细管[23]、将检测窗口部分弯成Z形[24]、泡形检测池[25]、高灵敏度检测池[26]、富集（Stacking）技术[27]、采用大口径毛细管[28]等方法。CEC可以借鉴CE中的一些方法，在使用大口径毛细管方面，到目前为止已经发表的最大者为Yan等[28]在1994年采用的320mm（i.d.）CEC柱，由于多孔堵头（frit）的稳定性问题，最终的检测并不是在320mm中进行的，只是证实320mm柱子的散热不是问题，提示我们只要解决多孔堵头问题就可以提高检测灵敏度。
③ 定量分析的精密度:由于进样重现性等方面因素的影响，使CEC精密度较HPLC差，在定量分析方面还不能满足应用的需要。
1.4 毛细管电色谱柱的制备
毛细管填充柱的制备是进行毛细管电色谱研究的关键所在，在某种程度上，正是由于CEC填充柱制备的难度影响了CEC的发展速度。
一根合格的毛细管填充柱需要具备以下性质：
①通透性良好、死体积小、坚固耐用的多孔堵头
②填充均一的柱床
③柱效高
④批量生产使柱性能重现性好
⑤使用寿命长
毛细管填充柱的制备步骤如下：
① 多孔堵头的制备：制备毛细管填充柱两端多孔堵头，通常以硅胶[9]、水玻璃[29]（硅酸钾或钠盐）、或者两者的一定比例的混合物[5]烧结而成，也有以多孔聚四氟乙烯[30]做堵头的报道。
本文采用改进交联法制备多孔堵头。
② 填充：填充电色谱柱的方法有：浆法填充(Slurry packing，文献如[3]) 、干法填充[30](Dry packing)、电动填充[22](Electrokinetic packing) 等。本文采用浆法填充色谱柱。
③ 柱的平衡：当一根合乎要求的CEC柱制备后，使用前需要用流动相充满柱子，称平衡柱子。可以采用HPLC泵或手动泵使CEC柱内充满流动相，也可以采用惰性气体为动力推动流动相进入柱内进行柱平衡，使柱平衡更方便。
参考文献
毛细管电色谱(Capillary electrochromatography, 简称 CEC)是在毛细管中填充或在管壁涂布、键合液相色谱的固定相,然后在毛细管的两端施加高压直流电，在电场作用下产生电渗流(Electroosmotic flow ，简称EOF）,流动相在电渗流的驱动下通过色谱柱。对中性化合物，其分离过程和HPLC类似，即通过溶质在固定相和流动相之间的分配差异而获得分离；当被分析的物质在流动相中带电荷时，除了和中性化合物一样的分配机理外，自身电泳淌度的差异对物质的分离也起相当的作用。
根据所用色谱柱的形式可分为填充毛细管电色谱（Packed column CEC）和开管柱毛细管电色谱（Open tubular CEC）。CEC以其高效、快速、广泛的用途、消耗少等优点，已成为当今的研究热点。
关键词 毛细管电色谱
1.1 毛细管电色谱技术历史回顾
毛细管电色谱(Capillary electrochromatography, 简称 CEC)是在毛细管电泳(Capillary electrophoresis ,简称CE)和微柱高效液相色谱(Micro-HPLC) 的基础上发展起来的一种新的分离技术。
1981年，Jorgenson 和 Lukacs [1]发表了在这一领域具有里程碑意义的工作。他们采用170mm (i.d.) ´ 68 cm的硼硅酸玻璃毛细管，浆法填充10mm ODS填料58cm,使用了在柱荧光检测器，以乙腈为流动相，在毛细管的两端施加30kV的高压，首次用毛细管电色谱分离了毛细管区带电泳难于分离的两种中性化合物9-甲基蒽和芘，理论塔板数分别为31,000 和 23,000 ，他们提出了电渗流和柱填充的状况无关的观点，Jorgenson 和 Lukacs 的开创性工作和卓越的预见，为这一新技术领域早期的发展奠定了基础。
1987年J. H. Knox和I. H. Grant[2]对电色谱的分离模式进行了分类，他们认为在电渗流驱动下开管中液流为塞式流，不同于压力驱动下的抛物线形液流，因此具有较高的分离效率。
1988年T. Tsuda[3]描述了CEC理论塔板数的方程，从理论上解释了CEC 比HPLC 有较高分离效率的事实，为CEC的发展提供了理论基础。
由于技术上的限制，直到90年代，毛细管电色谱的研究才得到较快的发展，在开管柱和填充毛细管电色谱中，当前以对后者的研究为主导。
1992年，Yamamoto [4]在680mm´50mm的石英毛细管内填充1.6mm的ODS填料,对不保留的组分硫脲得到243,000/680mm 的理论塔板数。
1994年，N. W. Smith 和M. B. Evans[5]利用CEC 对胆固醇进行杂质分析时，获得了大于387,000/m 的理论塔板数，所用的CEC柱为40cm´50mm ,3mmODS 填料。
1995年Yan[6]和他的合作者在对16种多环芳香化合物进行电色谱分析时，获得了400,000/m的理论塔板数。Smith[7] 在毛细管电色谱柱上分离了几种中性和强极性的碱性药物，使用离子交换色谱填料实现了离子交换电色谱。
1996年,Yan [8]等还利用毛细管电色谱进行了手性分离，Lloyd[9,10,11]在手性分离方面做了许多研究。到目前为止，大多数的CEC研究集中在诸如中性芳香化合物的分离上。对于蛋白质和多肽的研究报道有：Schmeer[12]、 Dekkers[13]和Euerby[14]结合电喷雾质谱技术分离含一两种组分的多肽混合物。1997年Wu[15]采用加压电色谱耦合离子阱/飞行时间质谱的手段，成功分离了6种肽的混合物,在对蛋白质消化产物的分析中,分离了20种以上的消化产物。Wu 等还对流动相的离子强度、pH值、毛细管柱直径等因素对分离效率和分析速度的影响作了进一步的研究[16]。
从1993年起，发表的CEC论文数量显著增加，CEC已经成为国际毛细管电泳大会讨论的重点专题。近年，国内也有一些研究小组从事填充CEC方面的工作，比较突出的是罗国安小组。他们在这一领域有多篇论文发表[17,18,19,20,21,22]。
目前，毛细管电色谱在药物分析方面的研究，集中在与药物相关的杂质分离和手性药物的分离，分析对象以中性药物和多环芳香化合物为主，随着毛细管电色谱技术的不断完善和提高，将在生物技术、环境保护、农业化学、精细化工产品、食品工业等领域的分析中得到应用，按照毛细管电色谱技术目前的发展势头，在可预计的将来，CEC作为一种发展中的分离技术，将有更广泛的应用前景。
1.2 毛细管电色谱装置
毛细管电色谱的早期研究是在改装的CE商品仪器上进行的，随着研究的深入和对研究前景的良好预期，现在已有商品仪器既可进行电泳模式也可方便地进行电色谱研究。目前，主要是Beckman公司的P/ACE 系列和HP公司的HP3D系列。 检测器根据分析样品性质的不同，可选UV 检测器( 包括DAD ) 、电化学检测器、LIF及CE－MS等。
1.3 CEC和CE及HPLC的比较
1.3.1 和CE相比CEC的优势
CEC和CE相比，其最大的优点是CEC既可以象CE一样分离带电荷的物质，也可以分离中性物质或两者的混合物，而无需象毛细管胶束电动色谱（Micellar electrokinetic capillary chromatography ,简称MEKC）那样添加表面活性剂以形成胶束。 对于中性化合物，在CEC中完全是通过它们的色谱性质的差异而获得分离，如果分析样品是荷电物质，其分离机制有色谱分配、电泳两种，从而又可能通过两者适当的搭配达到所需的选择性。MEKC 因其含有非挥发性的表面活性剂在和质谱连用时有困难。
其次，对于电泳淌度相近的物质，CE无法分离，而这些物质在CEC中的分配性质可能差异很大，就可以利用CEC分离CE无法分离的化合物。
另外，在HPLC中应用于手性分离的手性试剂几乎完全适用于CEC。
1.3.2 和HPLC相比CEC的优势
HPLC给用户提供了不同口径的柱子和种类繁多的填料，所有这些HPLC的财富都为CEC的发展提供了良好的条件。由于CEC采用电渗流（EOF）为驱动力，流型更接近于塞式流（Plug-like flow），而HPLC的流型属抛物线状的层流（Laminar flow），在壁上的速度为零，中心速度为平均速度的数倍，导致色谱带的展宽和柱效的降低。降低柱子的直径，如采用微柱HPLC（Microbore HPLC），或采用更小的填料可以提高柱效，但是会导致极高的背压（Back pressure），对填料的粒径有限制，而且对泵的要求极高。
CEC柱不存在柱压降，可以使用1mm左右粒径大小的填料，进样量少，仅为几个纳升，溶剂耗费低，分析时所需的平衡时间短，在检测方面，CEC采用柱上检测使检测的死体积很小，这是CEC分离效率高于HPLC的又一因素。
1.3.3 CEC面临的问题和未来展望
CEC经过十几年的发展在分析领域得到了很大的应用，但是世界上不存在完美的事物，从事CEC研究的科学工作者都不可避免地受到一些限制：
①焦耳热与气泡的产生：采用较高的电压可以提高分析速度，但焦耳热也随之增加，过热使柱子产生气泡，进而中断电流导致分析过程的终止。采用气体或导热良好的液体作散热介质、在柱子两端加压、增加有机溶媒在流动相中的比例、对流动相作彻底的脱气处理、使用电导率低的两性电解质缓冲液（Zwitterionic buffer,比如MES、Tris等）代替磷酸或硼酸盐缓冲等方法可在一定程度上解决散热的问题。
②检测的灵敏度：CEC柱的内径一般在50mm～320mm，这也就是柱上光度法检测时的光程，这个距离较短，所以检测器的灵敏度要低于HPLC。而且据本工作小组的研究，柱上检测存在线性范围小，在一些参数发生变化时易使测定结果的准确度和精密度降低的问题。增加检测光程是解决灵敏度问题最简单的办法，在CE中可以采用矩形毛细管[23]、将检测窗口部分弯成Z形[24]、泡形检测池[25]、高灵敏度检测池[26]、富集（Stacking）技术[27]、采用大口径毛细管[28]等方法。CEC可以借鉴CE中的一些方法，在使用大口径毛细管方面，到目前为止已经发表的最大者为Yan等[28]在1994年采用的320mm（i.d.）CEC柱，由于多孔堵头（frit）的稳定性问题，最终的检测并不是在320mm中进行的，只是证实320mm柱子的散热不是问题，提示我们只要解决多孔堵头问题就可以提高检测灵敏度。
③ 定量分析的精密度:由于进样重现性等方面因素的影响，使CEC精密度较HPLC差，在定量分析方面还不能满足应用的需要。
1.4 毛细管电色谱柱的制备
毛细管填充柱的制备是进行毛细管电色谱研究的关键所在，在某种程度上，正是由于CEC填充柱制备的难度影响了CEC的发展速度。
一根合格的毛细管填充柱需要具备以下性质：
①通透性良好、死体积小、坚固耐用的多孔堵头
②填充均一的柱床
③柱效高
④批量生产使柱性能重现性好
⑤使用寿命长
毛细管填充柱的制备步骤如下：
① 多孔堵头的制备：制备毛细管填充柱两端多孔堵头，通常以硅胶[9]、水玻璃[29]（硅酸钾或钠盐）、或者两者的一定比例的混合物[5]烧结而成，也有以多孔聚四氟乙烯[30]做堵头的报道。
本文采用改进交联法制备多孔堵头。
② 填充：填充电色谱柱的方法有：浆法填充(Slurry packing，文献如[3]) 、干法填充[30](Dry packing)、电动填充[22](Electrokinetic packing) 等。本文采用浆法填充色谱柱。
③ 柱的平衡：当一根合乎要求的CEC柱制备后，使用前需要用流动相充满柱子，称平衡柱子。可以采用HPLC泵或手动泵使CEC柱内充满流动相，也可以采用惰性气体为动力推动流动相进入柱内进行柱平衡，使柱平衡更方便。
参考文献
