复旦大学：《分析化学》课程实验教学课件（仪器分析）IAE14 高效毛细管电泳

博学而笃志切问而近思 高效毛细管电泳 Capillary Electrophoresis 复旦大学化学教学实验中心 雷杰 Experimental Center for Chemical education, FDU 区次化学教学实中心

成人与继续教育学院 职 业 教 育 学 院 Experimental Center for Chemical education, FDU Experimental Center for Chemical education, FDU 化学教学实验中心 博博 学学 而而 笃笃 志志 切切 问问 而而 近近 思思 高效毛细管电泳 高效毛细管电泳 Capillary Electrophoresis 复旦大学 化学教学实验中心 雷 杰

博学而笃志切问而近思 、电源( (eletrophoresis):希电教子在中的定甸。 1937年,瑞典科学家蒂塞利乌斯 Sample Cathode ( Tiselius)设计了世界上第一台电 泳仪,建立了移界电泳法,并于1948 Plastic 年荣获诺贝尔化学奖。多年以来,电 泳技术围绕制胶、电泳、染色三个技 Gel- Anode 术环节,不断改进,以实现下列目 标 Buffer 1、提高分辨率及灵敏度。 点样区 2、简化操作,缩短电泳时间。 3、扩大应用范围。 各类电泳技术已广泛应用于生命科学 各个领域。 Experimental Center for Chemical education, FDU 次化学教学实验中

成人与继续教育学院 职 业 教 育 学 院 Experimental Center for Chemical education, FDU Experimental Center for Chemical education, FDU 化学教学实验中心 博博 学学 而而 笃笃 志志 切切 问问 而而 近近 思思 一、电 泳 (eletrophoresis eletrophoresis ) ：带电粒子在电场中的定向移动。 • 1937 年，瑞典科学家蒂塞利乌斯 （Tiselius ）设计了世界上第一台电 泳仪，建立了移界电泳法，并于1948 年荣获诺贝尔化学奖。多年以来，电 泳技术围绕制胶、电泳、染色三个技 术环节，不断改进，以实现下列目 标： 1、提高分辨率及灵敏度。 2、简化操作，缩短电泳时间。 3、扩大应用范围。 • 各类电泳技术已广泛应用于生命科学 各个领域

博学而笃志切间 蒂塞利乌斯 Arne Wilhelm Kaurin Tiselius(1902-1971) 1902年8月10日生于斯德哥尔摩,1971年10月29日卒于同地。他4岁时随家移居哥德堡。 1921年入乌普萨拉大学,就读于物理化学家T斯韦德贝里。1924年获化学、物理和数学三 个硕士学位,1930年获博士学位。后任乌普萨拉大学化学讲师、副教授。在此期间曾先后 两次赴美国威斯康星大学和普林斯顿大学从事研究和进修,1938年任教授。 蒂塞利乌斯1925年从事胶体溶液中悬浮蛋白质的电泳分离硏究。曾自制超速离心机测定 蛋白质分子的大小和形状,并与斯韦德贝里合作发表了第一篇论文报导了测定蛋白质淌度 的新方法。1930年他进一步改进实验手段和装置发表了关于色谱法和吸附的论文。1935 年从美国回国后,重新改建原有电泳装置,发展了区带电泳法大大提高了效率和分辨率。 1940年他用自已设计的新电泳装置成功地分离了血清中蛋白质的4个组分,分别命名为白 蛋白、α、β、和γ球蛋白。该法迅速应用于分离和鉴定各种复杂蛋白质及其他天然物质 的混合物的组成 他因对电泳分析和吸附方法的研究特别是发现了血清蛋白的组分而获得1948年诺贝尔化 学奖。 Experimental Center for Chemical education, FDU 区次化学教学实中心

成人与继续教育学院 职 业 教 育 学 院 Experimental Center for Chemical education, FDU Experimental Center for Chemical education, FDU 化学教学实验中心 博博 学学 而而 笃笃 志志 切切 问问 而而 近近 思思 蒂塞利乌斯 Arne Wilhelm Kaurin Tiselius （1902-1971 ） 1902 年 8 月10日生于斯德哥尔摩,1971 年10 月29日卒于同地。他 4岁时随家移居哥德堡。 1921年入乌普萨拉大学,就读于物理化学家T.斯韦德贝里。1924年获化学、物理和数学三 个硕士学位,1930年获博士学位。后任乌普萨拉大学化学讲师、副教授。在此期间曾先后 两次赴美国威斯康星大学和普林斯顿大学从事研究和进修,1938年任教授。 蒂塞利乌斯1925年从事胶体溶液中悬浮蛋白质的电泳分离研究。曾自制超速离心机测定 蛋白质分子的大小和形状,并与斯韦德贝里合作发表了第一篇论文,报导了测定蛋白质淌度 的新方法。1930年他进一步改进实验手段和装置,发表了关于色谱法和吸附的论文。1935 年从美国回国后,重新改建原有电泳装置,发展了区带电泳法,大大提高了效率和分辨率。 1940年他用自已设计的新电泳装置成功地分离了血清中蛋白质的 4个组分,分别命名为:白 蛋白、α、β、和γ球蛋白。该法迅速应用于分离和鉴定各种复杂蛋白质及其他天然物质 的混合物的组成。 他因对电泳分析和吸附方法的研究,特别是发现了血清蛋白的组分而获得1948年诺贝尔化 学奖

博学而笃志切问而近思 毛辋管电( capillary Electrophoresis) 毛细管电泳(CE)又称高效毛细管电泳(HPCE),是指 离子或带电粒子以毛细管为分离介质,以高压直流电场为 驱动力,依据样品中各组分之间淌度和分配行为上的差异 而实现分离的液相分离分析技术。由于毛细管内径小,表 面积和体积的比值大,易于散热,因此毛细管电泳可以减 少焦耳热的产生,这是CE和传统电泳技术的根本区别。 采用了005mm内径的毛细管 采用了高达数千伏的电压。 Experimental Center for Chemical education, FDU 区次化学教学实中心

成人与继续教育学院 职 业 教 育 学 院 Experimental Center for Chemical education, FDU Experimental Center for Chemical education, FDU 化学教学实验中心 博博 学学 而而 笃笃 志志 切切 问问 而而 近近 思思 二、毛细管电泳 二、毛细管电泳(Capillary Electrophoresis) (Capillary Electrophoresis) • 毛细管电泳(CE)又称高效毛细管电泳(HPCE)，是指 离子或带电粒子以毛细管为分离介质，以高压直流电场为 驱动力，依据样品中各组分之间淌度和分配行为上的差异 而实现分离的液相分离分析技术。由于毛细管内径小，表 面积和体积的比值大，易于散热，因此毛细管电泳可以减 少焦耳热的产生，这是CE和传统电泳技术的根本区别。 • 采用了0.05 mm内径的毛细管； • 采用了高达数千伏的电压

博学而笃志切问而近思 三、毛细管电派基本原理 (一)基本概念 毛细管总长度(Lcm) 毛细管有效长度(cm)毛细管的入口端到检测窗口的距离; 迁移时间(min)带电粒子在电场作用下做定向移动的时间; 电场强度E,Vm)电场强度毛细管总长度; 电泳速度(vcm)在单位时间内,带电粒子定向移动的距离; 电泳淌度(μcm2(Vs))带电粒子在毛细管中定向移动的速 度与所在电场强度之比; Experimental Center for Chemical education, FDU 区次化学教学实中心

成人与继续教育学院 职 业 教 育 学 院 Experimental Center for Chemical education, FDU Experimental Center for Chemical education, FDU 化学教学实验中心 博博 学学 而而 笃笃 志志 切切 问问 而而 近近 思思 （一） 基本概念 毛细管有效长度 ( l , cm) 毛细管的入口端到检测窗口的距离； 迁移时间 ( t, min) 带电粒子在电场作用下做定向移动的时间； 电泳速度 （ v cm/s） 在单位时间内，带电粒子定向移动的距离； 电场强度 ( E, V/cm) 电场强度 /毛细管总长度； 电泳淌度 （ μ cm 2/(V·s) ）带电粒子在毛细管中定向移动的速 度与所在电场强度之比； 三、毛细管电泳基本原理 三、毛细管电泳基本原理 毛细管总长度 ( L , cm)

博学而笃志切问而近思 毛细管(内径50μm,外径375μm) 入口到检测窗总长(D) 毛细管全长(L) Experimental Center for Chemical education, FDU 区次化学教学实中心

成人与继续教育学院 职 业 教 育 学 院 Experimental Center for Chemical education, FDU Experimental Center for Chemical education, FDU 化学教学实验中心 博博 学学 而而 笃笃 志志 切切 问问 而而 近近 思思 毛细管 (内径50 μm , 外径375 μm ) 毛细管全长（ L ） 入口到检测窗总长（ l ）

博学而笃志切问而近思 (二)电渗现象与电渗流 (electroosmosis and electroosmotic flow) 当固体与液体接触时,固体表面带一种电荷,因静电引 力使其周围液体带有相反电荷,在液-固界面形成双电层。 当液体两端施加电压时,就会 毛细管内壁 发生液体相对于固体表面的移动, 这种现象叫电渗现象。 电渗现象中整体移动着的液体 ⊙d :⊙⊙ 叫电渗流( electroosmotic flow,简 e:⊙e 称EOF) 吸附层扩散层 双电层 Experimental Center for Chemical education, FDU 区次导化学教学实验中心

成人与继续教育学院 职 业 教 育 学 院 Experimental Center for Chemical education, FDU Experimental Center for Chemical education, FDU 化学教学实验中心 博博 学学 而而 笃笃 志志 切切 问问 而而 近近 思思 当固体与液体接触时，固体表面带一种电荷，因静电引 力使其周围液体带有相反电荷，在液-固界面形成双电层 。 当液体两端施加电压时，就会 发生液体相对于固体表面的移动， 这种现象叫电渗现象 。 电渗现象中整体移动着的液体 叫电渗流 （electroosmotic flow ，简 称EOF）。 （二）电渗现象与电渗流 （electroosmosis and electroosmotic flow ）

博学而笃志切)问而近思 塞流 层流 石英毛细管柱,内充液 pH>3时,表面电离成SO 管内壁带负电荷,形成 双电层后,电渗流方向为 由正极到负极。 HPCE HPLC 毛细管电泳中,溶液整体移动,电渗流的流动为平流, 塞式流动,谱带展宽很小; 液相色谱中的溶液流动为层流,拋抛物线流型,管壁处流 速为零,管中心处的速度为平均速度的2倍,引起谱带展宽 较大。 Experimental Center for Chemical education, FDU 区次化学教学实中心

成人与继续教育学院 职 业 教 育 学 院 Experimental Center for Chemical education, FDU Experimental Center for Chemical education, FDU 化学教学实验中心 博博 学学 而而 笃笃 志志 切切 问问 而而 近近 思思 毛细管电泳中，溶液整体移动，电渗流的流动为平流， 塞式流动，谱带展宽很小； 液相色谱中的溶液流动为层流，抛物线流型，管壁处流 速为零，管中心处的速度为平均速度的2倍，引起谱带展宽 较大。 石英毛细管柱，内充液 pH >3时，表面电离成-SiO- ，管内壁带负电荷，形成 双电层后，电渗流方向为 由正极到负极

博学而笃志切问而近思 电渗流的速度约等于一般离子电泳速度的5~7倍; 各种电性离子在毛细管柱中的迁移速度为: +=V电渗流+Ver阳离子运动方向与电渗流一致; -=V电渗流V-阴离子运动方向与电渗流相反; 0 电渗流 中性粒子运动方向与电渗流一致 (1)可一次完成阳离子、阴离子、中性粒子的分离; (2)改变电渗流的大小和方向可改变分离效率和选择性, 如同改变LC中的流速; (3)电渗流的微小变化影响结果的重现性; 在HPCE中,控制电渗流非常重要。 Experimental Center for Chemical education, FDU 区次化学教学实中心

成人与继续教育学院 职 业 教 育 学 院 Experimental Center for Chemical education, FDU Experimental Center for Chemical education, FDU 化学教学实验中心 博博 学学 而而 笃笃 志志 切切 问问 而而 近近 思思 电渗流的速度约等于一般离子电泳速度的5～7倍； 各种电性离子在毛细管柱中的迁移速度为： ν + = ν电渗流 + ν+ef 阳离子运动方向与电渗流一致； ν - = ν电渗流 - ν-ef 阴离子运动方向与电渗流相反； ν 0 = ν电渗流 中性粒子运动方向与电渗流一致； （1）可一次完成阳离子、阴离子、中性粒子的分离； （2）改变电渗流的大小和方向可改变分离效率和选择性， 如同改变LC中的流速； （3）电渗流的微小变化影响结果的重现性； 在HPCE中，控制电渗流非常重要

博学而笃志切问而近思 Si-SrO-sr-SioSi si-si O-0Q0 00 + ←Na+CI 电泳 电泳 电渗 迁移速度矢量速度 合速度 Nat Experimental Center for Chemical education, FDU 区次化学教学实中心

成人与继续教育学院 职 业 教 育 学 院 Experimental Center for Chemical education, FDU Experimental Center for Chemical education, FDU 化学教学实验中心 博博 学学 而而 笃笃 志志 切切 问问 而而 近近 思思 Si O Si Si O Si Si O Si O O O Si O O O - + Na + Cl - 电泳 电泳 电渗 迁移速度 Na + Cl - 矢量速度 合速度