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高效毛细管电泳的进展

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高效毛细管电泳的进展 专论与综述 高效毛细管电泳的进展* 刘长付,陈媛梅 (北京林业大学理学院,北京 100083 ) 摘 要:自 1988 年第一台商品化的毛细管电泳仪(CE)问世,距今已有二十多年的时光。在这期间,CE技术无论在理论、仪器 还是应用等方面都得到飞速发展,新技术不断涌现,应用领域不断扩大。本文在 SCI检索的基础上,重点对 1995 年以来 CE技术在上 述领域的最新研究进展进行综述。 关键词:高效毛细管电泳;SCI;理论;应用;综述 Advances in High Performance Capilla...

高效毛细管电泳的进展
专论与综述 高效毛细管电泳的进展* 刘长付,陈媛梅 (北京林业大学理学院,北京 100083 ) 摘 要:自 1988 年第一台商品化的毛细管电泳仪(CE)问世,距今已有二十多年的时光。在这期间,CE技术无论在理论、仪器 还是应用等方面都得到飞速发展,新技术不断涌现,应用领域不断扩大。本文在 SCI检索的基础上,重点对 1995 年以来 CE技术在上 述领域的最新研究进展进行综述。 关键词:高效毛细管电泳;SCI;理论;应用;综述 Advances in High Performance Capillary Electrophoresis* LIU Chang - fu,CHEN Yuan -mei (College of Science,Beijing Forestry University,Beijing 100083,China) Abstract:Since 1988,the first commercial capillary electrophoresis (CE)came out and was used more than 20 years. During this period,CE technology in the theory,instrumentation and applications developed rapidly,and new technologies were emerging and it's applications were expanding. On the basis of SCI retrieval since 1995,the latest ad- vances of CE technology in these areas were reviewed. Key words:HPCE;SCI;theory;applications;review * 基金项目:国家自然科学基金项目(No:30671655)。 作者简介:刘长付,研究生。 通讯作者:陈媛梅,副教授,主要从事生物大分子结构与物理化学研究。 毛细管电泳(capillary electrophoresis,CE)又称高效毛细管电 泳(high performance capillary electrophoresis,HPCE) ,它包含电 泳、色谱及其交叉内容,是一类以毛细管为分离通道、以高压直 流电场为驱动力,以样品的多种特性为根据的新型液相分离技 术。它使分析化学得以从微升水平进入纳升水平,并使单细胞 分析,乃至单分子分析成为可能,长期困扰我们的生物大分子的 分离分析也因此有了新的转机。 1 CE的发展概况 从 1808 年俄国物理学家 Von Reuss[1]首次发现电泳现象到 1981 年 Jorgenson和 Lukacs[2 - 3]发 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 现代 CE技术的里程碑性成 就为止,先后经历了一百七十余年。二十世纪三十年代开始的 传统电泳分离技术中,有多种不同介质的电泳技术被陆续开发 出来,包括醋酸纤维电泳、琼脂凝胶电泳、淀粉凝胶电泳、聚丙烯 酰胺凝胶电泳等。目前,各种电泳技术已成为研究蛋白质、核酸 等生物大分子必不可少的分离、分析、纯化和制备技术。 在传统的电泳分离过程中,产生的焦耳热使电解质溶液的 密度发生变化,产生对流扰乱分离区带,导致分离度下降,并且 限制高压电场的使用。解决这一问 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 的方法除使用上述各种介 质外,还可以利用小内径的分离管抗对流。前人的工作从内径 为 3 mm[8]的石英毛细管到 500 μm[9]甚至 200 μm[10]的聚四氟 乙烯管。尽管受当时灵敏度低的限制,且未获得所预期的高分 离柱效,但是,这些工作已显示出了细内径毛细管给电泳分离带 来的优越性,为 CE的发展奠定了理论和实验基础。 1981 年 Jorgenson和 Lukacs[2 - 3]的出色工作标志着 CE 的诞 生。他们首次使用内径为 75 μm 的石英毛细管柱,配合 30 kV 的高电压获得了高于 40 万理论塔板数的分离柱效,他们不仅设 计出了结构简单的 CE装置,还从理论上推导出了毛细管区带电 泳(CZE)分离的效率公式。CE 高效、快速的特点以及与色谱的 相似性,吸引了许多有经验的色谱工作者加入到研究 CE的行列 中,促进了毛细管电泳的近一步发展。Hjerten[4]于 1983 年提出 了在毛细管中填充聚丙烯酰胺凝胶的毛细管凝胶电泳(CGE)技 术。1984 年,Terabe[5]使用含有表面活性剂十二烷基硫酸钠 (SDS)的背景电解质成功地分离了中性化合物,开创了胶束电动 毛细管色谱(MEKC)。1985 年,Hjerten[6]又报道了新的毛细管 等电聚焦技术(CIEF)。同年,Knox[7]等利用超细的液相色谱的 填料填充毛细管,发展了毛细管电色谱技术(CEC)。这样,CE 的几种主要分离模式在短短几年中形成了,其高效、快速、柱平 衡快、低成本、操作模式多样且易于切换等优点使得 HPCE 成为 近年来分离科学的研究核心。表 1 列出了常用的 HPCE 模式及 其基本原理。 表 1 高效毛细管电泳的几种分离模式及其主要分离机理 分离模式 主要分离机制 毛细管区带电泳 (CZE) 溶质在自由溶液中的淌度差异 毛细管凝胶电泳(CGE) 溶质分子尺寸与电荷 /质量比差异 胶束电动毛细管色谱(MEKC) 溶质在胶束与水相间分配系数的差异 ·51·2011 年 39 卷第 17 期 广州化工 zhou 高亮 zhou 高亮 zhou 高亮 zhou 高亮 zhou 高亮 zhou 高亮 zhou 高亮 续表 毛细管等电聚焦(CIEF) 溶质等电点差异 毛细管等速电泳(CITP) 溶质在电场梯度下的分布差异 毛细管电色谱(CEC) 固定相存在下溶质分配系数差异 2 高效毛细管电泳技术的新进展 HPCE技术作为一种经典电泳技术与现代微柱分离有机结 合的新兴分离技术,自 20 世纪 80 年代问世以来,无论在理论还 是应用方面,都得到了飞速的发展。今天,HPCE 技术已逐渐成 熟,在分析化学、生物化学、环境化学、材料化学、临床化学、有机 化学、天然产物化学和药物化学等领域有着广泛的应用。HPCE 技术作为一种强有力的分离分析手段,已成功地应用于小分子、 大分子、中性化合物和荷电化合物的分离。此外,HPCE 技术还 是测定物化参数的重要手段。已有许多专著和综述论述了 HPCE技术的原理和应用,我们不准备在此方面做过多的赘述。 而且,在一篇综述中也不可能面面俱到。本文重点综述近年来 HPCE技术在基础理论和应用方面的新进展。 2. 1 基本理论的进展 2. 1. 1 非水毛细管电泳(NACE) 在 CZE广泛的应用例子中,大多是在水相完成的。近年来, 非水介质的毛细管电泳得到了迅速发展,在基础理论和应用方 面不断完善,文献逐年增多。NACE有很多优点:(1)增加 CE 分 析对象,拓宽 CE分析领域。(2)NACE 增多了可优化参数的个 数,如介质的极性、介电常数、粘性等,使在水溶液中难溶而不能 用 CE分离的对象,能在有机介质中有较高的溶解度而实现 CE 分离。(3)对某些与水和非水溶剂都可溶的分析物,NACE 能改 善其分离度、提高灵敏度和选择性。(4)以质谱(MS)技术作为 CE的检测手段时,非水介质为 CE - MS提供了更多的优势。 M. L. Riekkola和 Simo P. Porras在 NACE领域做了出色的工 作,对非水体系进行了系统的研究[8 - 9]。他们建立了以甲醇和 乙腈为介质的非水体系,探讨了阴、阳离子如酸、碱性化合物在 此非水体系中的电泳行为,深入研究了非水体系中离子对效应、 涂壁毛细管(消除了电渗流的影响)对非水电泳行为的影响、比 较了水和非水体系中酸碱性化合物物化参数的差异,并对被分 析物的非水电泳行为进行了预测,研究表明实验值与理论值一 致。此外,近年来还有多篇综述论述了 NACE 的基础理 论[10 - 11]。 NACE的应用范围很广,可应用于无机阴、阳离子和有机小 分子、大分子的分离。I. Bjornsdottir综述了 NACE在食品分析中 的应用[12],I. Bjornsdottir、A. Tivesten 和 U. Backofen 等综述了 NACE在药物和体液分析中的应用[13 - 15],有机酸和酚类成分的 NACE分析也有综述[16 - 17],K. D. Altria 对带正电荷的无机和有 机化合物的 NACE 分离进行了综述[18],刘虎威研究组以甲醇为 非水介质,对中药唐松草中八个异喹啉生物碱进行了成功的分 离和测定[19]。 2. 1. 2 毛细管微乳电动色谱 (MEEKC) 毛细管微乳电动色谱 (MEEKC)是九十年代在胶束电动毛 细管色谱(MEKC)基础上发展起来的一种电泳新技术。微乳液 早在 1943 年即被发现,1959 年被正式命名为微乳液。在分离分 析化学中,微乳液最初曾经被用于高效液相色谱。1991 年,Wat- arai第一次将其应用于 CE。近年来,MEEKC方面的文章逐渐增 多,是毛细管电泳研究的前沿领域之一。 目前,MEEKC可用于分离多环芳烃、固醇类化合物、脂溶性 维生素、糖类、蛋白类以及药物、手性物质和中性化合物,此外, MEEKC的另一大应用是测定物质的疏水常数。K. D. Altria 对 MEEKC的应用进行了详尽的综述[20]。刘虎威研究组运用 MEEKC对天然产物如山酮(xanthone,XAN)、生物碱和皂苷类成 分进行了分离研究,取得了良好的结果[21]。 2. 1. 3 手性分离 第一篇 CE手性分离的 论文 政研论文下载论文大学下载论文大学下载关于长拳的论文浙大论文封面下载 是由 E. Gsaamann 完成的,他采 用铜 - L组氨酸做为手性配基[22]。此后,CE 手性分离的文献呈 爆炸式增加,环糊精及其衍生物是其最常用的手性选择剂,所用 CE分离模式多为 CZE和 MEKC。 最近,新的手性选择剂如大环抗生素、天然和合成的手性胶 束、冠醚、蛋白质、寡糖和聚糖等被人们采用,显示出较强的手性 分离能力。非水体系毛细管电泳的出现使得电泳分离的领域扩 展到一些不溶于水的化合物,且可施加很高的电场强度,因而具 有更高的灵敏度和更好的峰形。非水体系毛细管电泳用于手性 拆分时不仅具有以上优点,而且一些手性选择剂在非水溶剂中 具有更高的溶解度。另外,同样的手性选择剂和待分析物在不 同的有机相中结合常数不同,使得方法优化更为灵活。 有五篇综述详尽论述了近年来 CE 手性分离的发展情 况[23 - 27]。 2. 1. 4 毛细管电色谱(CEC) CEC是依靠电渗流来驱动流动相的毛细管液相色谱,它有 高效液相色谱(HPLC)的高选择性,同时兼具 HPCE 的高效性。 传统的电色谱柱是将 HPLC填料装入毛细管,但由于装柱困难且 易产生气泡而在一定程度上阻碍了电色谱的发展。通过柱内合 成的方法直接在毛细管中制成连续床毛细管电色谱柱,可避免 在柱两端制备烧结筛板。1995 年,F. Svec 等[28]首次将连续床色 谱柱用于 CEC,此后,有关毛细管中原位合成连续床电色谱柱的 方法得到了应用。近来,各种类型的原位聚合整体柱及硅胶整 体柱的制备和应用得到了迅速发展,F. Svec 综述了原位聚合整 体柱的制备和应用[29],N. Tanaka 综述了硅胶整体柱的最新进 展[30]。Liu综述了各种不同的 CEC填充柱、开管柱、整体柱的制 备方法和特点,并对 CEC 柱的制备和化学修饰进行了阐述[31]。 刘虎威研究组把磷酸锆的纳米材料键合到毛细管中,然后将手 性选择剂溶菌酶素涂布到纳米材料涂层上,实现了 D,L -色氨 酸的手性分离[32]。 2. 1. 5 亲和毛细管电泳 (ACE) 在对分子之间非键合作用(即超分子化学)的研究中,ACE 是一种强有力的手段。蛋白质和肽是 ACE 的主要研究对象,此 外,ACE 在胰岛素与皮质醇分析、小分子药物及体液中药物分 析、食品分析等领域有着广阔的应用。苏萍、G. Rippel 和 D. Schmalzing[33 - 35]对 ACE的原理和应用进行了综述。主、客体结 合常数的测定对于抗原与抗体反应、蛋白质和药物的相互作用 以及手性选择剂和手性药物的相互作用,起着重要作用。近来, 有三篇综述论述了 ACE测定主、客体结合常数的方法、应用和进 展[36 - 38]。刘虎威研究组用 ACE测定了十种 XAN类成分与二种 环糊精的包合常数,并用结构 -色谱保留定量关系(QSRRs)研 究了 CE分离机理[39]。 2. 1. 6 毛细管电泳柱上富集技术 毛细管电泳一般采用紫外柱上检测,灵敏度较低,因而限制 了其应用。采用电化学、激光诱导荧光和质谱检测成本很高,柱 前预富集操作繁琐,因而发展柱上富集技术有着重要意义。有 三篇文献综述了毛细管电泳柱上富集技术的原理及其应用的新 进展[40 - 42]。 ·61· 广州化工 2011 年 39 卷第 17 期 zhou 高亮 zhou 高亮 zhou 高亮 zhou 高亮 zhou 高亮 2. 2 仪器的进展 2. 2. 1 检测器和联用技术 近年来,毛细管电泳的检测器和联用技术发展很快,Zhang 和 Paze综述了荧光检测器的进展[43 - 44],Liu综述了电化学检测 器的进展[45],Matysik综述了在非水毛细管电泳中,电化学、荧 光和质谱检测器的特点及其应用[46],Wu 综述了毛细管电泳整 体检测技术,该技术在毛细管等点聚焦中有着较好的应用前 景[47]。 有关 CE的联用技术也有较快的发展,Von Brocke A[48]综述 了 CE - MS 的进展,Miranda 综述了流动注射与 CE 联用技术的 进展[49],Valcarcel综述了用于在线样品预处理的自动恒流系统 (CFS - CE)与 CE 的联用技术[50],陈义等研究了瑞利光散射检 测器和 CE的联用,并用于测定金属离子[51]。 2. 2. 2 微流控芯片(Microfluidics) 微流控芯片技术是把化学、生物、医学分析过程的样品制 备、反应、分离、检测等基本操作单元集成到一块微米尺度的芯 片上,自动完成分析全过程。它作为一个重要的技术领域,得到 越来越多的关注。其所涉及的对象从生物大分子(DNA、蛋白、 糖)、生物小分子(氨基酸、神经递质)、胶体微粒到金属离子、无 机物等。对于微流控芯片的装置、理论研究和应用的新进展有 多篇综述[52 - 54]。 2. 3 应用的进展 HPCE的研究正在向多种领域进行推广和应用,其中 DNA 与 RNA分析、复杂药物分析、环境分析、医学研究、蛋白质组(多 维)分离、糖组分析、手性分离、单细胞分析等工作进展很快。有 大量文献论述了 HPCE在各个领域的应用,本文对 HPCE近年来 在应用方面的综述进行总结,见表 2。 表 2 高效毛细管电泳技术的应用 应用领域 参考文献 手性分离 [23 - 27] 物化常数测定 [36 - 38] 氨基酸、蛋白质和多肽 [55 - 58] 药物分析 [59 - 61] 食品分析 [62 - 64] 环境分析 [65 - 66] 3 展 望 推广、普及 HPCE,使其发挥越来越重要的作用,成为一种真 正的日常分析方法,还将取决于各种使用分析体系与工作条件 的发展及 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 化。目前,HPCE已在美国、欧洲、中国等药典中出 现,这仅是一个开头,好坏各半,例如所用的工作条件或分离体 系 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 不恰当、操作不方便、结果不能重现,就有可能败坏 HPCE 的名声。因此,发展与建立标准的 HPCE,是一个长期的工作,需 要各种相关的部门、仪器厂商以及科学家的共同努力。 参考文献 [1] F. 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Matysik,C. E. Lunte. J. Chromatogr. A, 2002,924(1 - 2) :259. [16] J. H. T. Luong,A. Hilmi,A. L. Nguyen. J. Chromatogr. A,1999, 864(2) :323. [17] J. L. Miller,D. Shea,M. G. Khaledi. J. Chromatogr. A,2005, 888(1 - 2) :251. [18] K. D. Altria,M. Wallberg,D. Weaterlund. J. Chromatogr. B, 1998,714(1) :99. [19] X. D. Su,T. Bo,K. A. Li,H. W. Liu. Chromatographia,2002, 55(1 /2) :63. [20] K. D. Altria. J Chromatogr. A,2000,844(1 - 2) :371. [21] T. Bo,M. Li,K. A. Li,H W. Liu,et al. Chromatographia,2004, 56(11 /12) :709. [22] E. Gassmann,J. E. Kuo,R. N. Zare. Science,1985,230:813. [23] F. Fanali. Electrophoresis,1999,20:2 577. [24] H. Nishi,S. Terabe. J. Chromatogr. A,2000,879:1. [25] G. Gubitz,M. G. Schmid. Biopharm. Drug Dispos.,2001,22(7 - 8): 291. [26] A. Rizzi. Electrophoresis,2001,22(15) :3 079. [27] B. Chankvetadze,G. Blaschke. J. Chromatogr. A,2001,906(1 - 2): 309. [28] S. Hjerten,D. Eaker,K. Elenbring,et al. Electrophoresis,1995, 39:105. [29] F. Svek,E. C. Peter,D. Sykora,J. M. J. Frechet. J. Chromatogr. A,2000,887:3. [30] N. Tanaka,H. Kobayashi,N. Ishizuka,et al. J. Chromatogr. A, 2006,965:35. [31] C. Y. Liu. Electrophoresis,2001,22(4) :612. [32] L. N. Geng,T. Bo,H. W. Liu,et al. J. Chromatogr. A,submitted. [33] 苏萍.水凝胶毛细管电泳免疫分析方法的研究[D]. 北京大学硕论 文,2000. [34] G. Rippel,H. Corstjens,H. A. H. Billient,et al. Electrophorersis, 1997,18:2 175. [35] D. Schmalzing,W. Nashabeh,Electrophorersis,2001,18:2 184. [36] K. L. Rundlett,D. W. Armstrong,Electrophoresis,2001,22(7):1 419. [37] N. H. H. Heegaard,R. T. Kennedy. J. Chromatogr. B,2004,768 (1) :93. [38] A. Berthod,M. Rodriguez,D. M. Armstrong. Electrophoresis,2006, 23(6) :847. [39] T. Bo,X. D. Yang,F. Gao,et al. Chromatographia,2002,55 (3 /4) :217. [40] M. C. Breadmore,P. R. Haddad. Electrophoresis,2001,22(12) : 2 464. (下转第 72 页) ·71·2011 年 39 卷第 17 期 广州化工 上配制的色素,观察它们在常温下的显色情况。 表 6 自制指示剂在常用酸碱溶液中的显色情况 Tab. 6 The color of the self - made indicator in the common acid - base solution 色素溶液 HCl CH3COOH NaOH 氨水 阳荷(颜色) 红色 浅红色 蓝色 浅蓝绿色 葡萄皮(颜色) 红色 浅粉红色 蓝绿色 浅棕蓝色 洋葱(颜色) 红色 浅红色 蓝绿色 浅蓝绿色 盐酸、醋酸、氨水和氢氧化钠溶液,其 pH值依盐酸→醋酸→ 氨水→氢氧化钠逐渐增大,从表 6 可以看出,自制植物指示剂在 常见酸碱溶液中的显色情况与表 5 所示基本一致,在强酸和强 碱性溶液中显色明显。 2. 2. 3 自制植物指示剂在各盐溶液中的显色情况 分别取 2 mL、0. 1 mol /L 以下溶剂,然后分别加入 2 滴以上 配制的色素,观察它们在常温下的显色情况,结果见表 7。 表 7 自制指示剂在盐溶液中的显色情况 Tab. 7 The color of the self - made indicator in the salt solution 溶液 Al2(SO4)3 NaCl (NH4)2 CO3 Na2CO3 阳荷(颜色) 红色 红色 黑色 蓝色 葡萄皮(颜色) 红色 红色 浅墨绿 浅黑绿色洋 葱(颜色) 红色 红色 黄绿色 浅蓝绿色 硫酸铝为强酸弱碱盐,水解使溶液显酸性,自制指示剂在硫 酸铝溶液中的显色情况与表 5 中 pH 值小于 7 时各指示剂的颜 色基本一致;氯化钠为强酸强碱盐,不水解,其水溶液显中性,自 制指示剂在氯化钠溶液中的显色情况与表 5 中 pH 值为 7 时各 指示剂的颜色基本一致;碳酸钠为强碱弱酸盐,水解使溶液显碱 性,碳酸铵为弱酸弱碱盐,水解使溶液显中性,自制指示剂在碳 酸铵溶液中的显色情况与表 5 中 pH 值为 7 时各指示剂的颜色 基本一致,自制指示剂在碳酸钠溶液中的显色情况与表 5 中 pH 值大于于 7 时各指示剂的颜色基本一致。 3 结 论 (1)在酸性乙醇中色素的保质时间最长,在强酸和强碱性的 溶剂中保质时间最短,因此,在保存色素时只有选择适宜的保存 剂。 (2)阳荷在酸性条件下显红色,在碱性条件下显蓝色,比较 适宜作为酸碱指示剂。 . 参考文献 [1] 谢凤霞,邱祖民,涂胜辉,等.浸提法与超声波提取法提取栀子花黄 色素的比较[J].南昌大学学报:理科版,2005. 29(3) :278 - 281. 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