高效毛細(xì)管電泳儀簡稱毛細(xì)管電泳儀（CE），是以毛細(xì)管為分離通道，以高壓直流電場為驅(qū)動力，利用帶電粒子之間的淌度差異和分配系數(shù)差異進(jìn)行分離，是分析科學(xué)繼高效液相色譜儀之后的又一重大進(jìn)展，使分析科學(xué)從微升級進(jìn)入到了納升級水平，不僅使單細(xì)胞乃至單分子分析成為可能，也使蛋白質(zhì)和核酸等生物大分子分析有了新的轉(zhuǎn)機(jī)。

一、毛細(xì)管電泳的發(fā)展歷史：

毛細(xì)管電泳是經(jīng)典電泳技術(shù)和現(xiàn)代微柱分離相結(jié)合的產(chǎn)物，一出現(xiàn)就引起分離科學(xué)界極大的關(guān)注。目前，它已成為與20世紀(jì)60年代初出現(xiàn)的氣相色譜儀和20世紀(jì)70年代初出現(xiàn)的高效液相色譜儀相媲美的一種分離技術(shù)，井被認(rèn)為是當(dāng)代分析科學(xué)最具活力的前沿研究課題。

1937年，發(fā)明U形管移動界面電泳儀。這可看作是毛細(xì)管電泳發(fā)展的開端。

1967年，最先在3mm內(nèi)徑的毛細(xì)管中作自由溶液的區(qū)帶電泳。

1974年，用200～500μm內(nèi)徑的毛細(xì)管作區(qū)帶電泳分離。早期的研究受當(dāng)時檢測靈敏度的影響，未獲得預(yù)期的高效分離效率，但為毛細(xì)管電泳的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

1981年，用75μm內(nèi)徑的石英毛細(xì)管在3萬伏高壓下實現(xiàn)40萬理論塔板數(shù)的空前分離效率，這一工作被認(rèn)為是現(xiàn)代毛細(xì)管電泳發(fā)展的里程碑。隨后毛細(xì)管電泳的研究急速升溫，許多大科學(xué)家也開始參與研究。

1984年，使用含表面活性劑的背景電解質(zhì)，開辟了毛細(xì)管電泳另一個重要分支－毛細(xì)管膠束電動色譜。

1987年，結(jié)合傳統(tǒng)的等電聚焦電泳和凝膠電泳原理，實現(xiàn)了毛細(xì)管等電聚焦電泳和毛細(xì)管凝膠電泳。

1988年，實現(xiàn)了微量制備的可能性，提取和分離了50μmol的蛋白質(zhì)、肽和寡核苷酸等。

上世紀(jì)80年代末，毛細(xì)管電泳的研究非常活躍，90年代起在技術(shù)和應(yīng)用等方面都有了很大發(fā)展。

1989年，推出第一批高效毛細(xì)管電泳儀。

1990年，改進(jìn)和應(yīng)用了紫外檢測器。

1992年，激發(fā)誘導(dǎo)熒光檢測器誕生，毛細(xì)管電泳技術(shù)得到不斷改進(jìn)和更新，靈敏度和分辨率均達(dá)到預(yù)期的高效分離效率。

二、毛細(xì)管電泳分離模式的發(fā)展：

CE分離模式有毛細(xì)管區(qū)帶電泳（CZE）、毛細(xì)管膠束電泳色譜（MECC）、毛細(xì)管凝膠電泳（CGE）、毛細(xì)管等電聚焦電泳（CIEF）、毛細(xì)管等速電泳（CITP）、毛細(xì)管陣列電泳（CAE）和毛細(xì)管芯片電泳（Chip）等。

1、毛細(xì)管區(qū)帶電泳（CZE）：

CZE又稱毛細(xì)管自由電泳，由于操作簡單、多樣化，是目前CE中最基本、應(yīng)用最廣泛的一種分離模式。

在CZE中，毛細(xì)管內(nèi)只充入緩沖溶液，在直流高壓驅(qū)動下．溶質(zhì)以不同的速度在分立的區(qū)帶內(nèi)進(jìn)行遷移而被分離，由于電滲流的存在，正負(fù)離子都可用CZE分離，而中性分子本身在電場中不移動，隨電滲流一起流出毛細(xì)管。

CZE的應(yīng)用范圍很寬，可分離氨基酸、多肽、離子和對映體等。

2、毛細(xì)管膠束電泳色譜（MECC）：

在MECC中，把一些離子型表面活性劑（如十二烷基硫酸鈉）加到緩沖液中，當(dāng)其濃度超過臨界膠束濃度后，形成有一疏水內(nèi)核、外部帶負(fù)電的膠柬。溶質(zhì)在水相和膠束相（準(zhǔn)固定相）之間產(chǎn)生分配，中性粒子因其本身疏水性不同，在兩相中分配存在差異而得以分離。MECC使CE能用于中性物質(zhì)的分離，拓寬了CE的應(yīng)用范圍，是對CE的極大貢獻(xiàn)。

3、毛細(xì)管凝膠電泳（CGE）：

CGE是將平板上的凝膠移到毛細(xì)管中作支持物而進(jìn)行的電泳，凝膠具有多孔性，起類似分子篩的作用，溶質(zhì)按分子大小進(jìn)行分離。凝膠能減小溶質(zhì)的擴(kuò)散，峰型尖銳，能達(dá)到CE中的最高柱效。常用聚丙烯酰胺在毛細(xì)管內(nèi)交聯(lián)制成凝膠柱，可分離測定蛋白質(zhì)和DNA等，但柱制備比較困難，使用壽命短。

4、毛細(xì)管等電聚焦電泳（CIEF）：

CIEF是將傳統(tǒng)聚焦電泳轉(zhuǎn)移到毛細(xì)管中進(jìn)行，通過管壁涂層使電滲流減小到最小，以防止蛋白質(zhì)吸附和破壞穩(wěn)定的聚焦區(qū)帶。在高壓作用下，毛細(xì)管內(nèi)部建立pH梯度，蛋白質(zhì)在毛細(xì)管中向各自的等電點聚焦，形成明顯的區(qū)帶。

5、毛細(xì)管等速電泳（CITP）：

CITP是一種較早的分離模式，采用先導(dǎo)電解質(zhì)和后繼電解質(zhì)，使溶質(zhì)按其電泳淌度不同得以分離，常用于分離離子型物質(zhì)。但要采用不連續(xù)緩沖液，分辨率差，目前應(yīng)用不多。

6、毛細(xì)管陣列電泳（CAE）：

為了滿足大批量樣品的分離要求，特別是在人類基因組和蛋白組計劃中的應(yīng)用，CAE漸漸呈現(xiàn)出了廣闊的應(yīng)用發(fā)展前景和趨勢。與傳統(tǒng)聚丙烯酰胺凝膠板電泳可進(jìn)行多道平行分析相似，CAE是采用多根毛細(xì)管組成的陣列進(jìn)行多道分析。

7、毛細(xì)管芯片電泳（Chip）：

當(dāng)今，分析儀器和分析科學(xué)正經(jīng)歷著深刻的變革，其中一個發(fā)展趨勢就是化學(xué)分析儀器的微型化、集成化和便攜化，以往一個大實驗室的工作量（大量樣品、試劑、很多分析和合成時間等），今后將在一塊小小的芯片上完成。近年來，毛細(xì)管芯片電泳（Chip）的蓬勃發(fā)展正是順應(yīng)這一趨勢。由于CE采用電場驅(qū)動，進(jìn)樣能通過電場實現(xiàn)，因此相應(yīng)的技術(shù)和裝置比較容易微型化。

Chip是以晶體硅、石英玻璃、有機(jī)玻璃、陶瓷和硅橡膠為基體材料，采用毛細(xì)管電泳技術(shù)，將樣品進(jìn)樣、分離和檢測等過程集成到一起的多功能化的高效、快速、樣品用量少的微型實驗室技術(shù)。Chip與分析儀器的微型化、集成化和便攜化緊密相連，符合現(xiàn)代化學(xué)、制藥工業(yè)的低成本和高產(chǎn)出的需求。

在電子工業(yè)中，芯片一般采用晶體硅，但晶體硅對于Chip并不很合適，因此轉(zhuǎn)而采用石英玻璃、有機(jī)玻璃和硅橡膠作為基體材料。不同的材料，其制作方法不同。晶體硅和石英玻璃基體多采用微加工蝕刻法，有機(jī)玻璃采用注塑法、印模法和激光燒蝕法。Chip相對于傳統(tǒng)CE的主要優(yōu)點是電滲流泵的擴(kuò)展應(yīng)用、良好的散熱性能和設(shè)計多樣性。

每一種新興技術(shù)總是在發(fā)展的過程中存在著一些問題，有待解決，Chip也是如此。首先，它的芯片材質(zhì)還在不斷的挑選和試用中，每一種材料都有各自的優(yōu)缺點，需進(jìn)一步的摸索和完善，盡快找到一些在技術(shù)上可行、價格上能接受的材料是當(dāng)務(wù)之急。其次，Chip進(jìn)樣常采用電動進(jìn)樣，但檢測器常用LIFD。這樣的檢測器無法集成到芯片上，使得僅僅是進(jìn)樣和分離集中化，而檢測卻還是常規(guī)尺度，導(dǎo)致芯片雖小，檢測器卻很大，這顯然不符合微型化的要求。因此，也可考慮使用電化學(xué)檢測器，實現(xiàn)真正的集成化。當(dāng)然，對于痕量物質(zhì)的檢測十分有效的質(zhì)譜檢測器也是一個方向，同樣接口技術(shù)還是關(guān)鍵。再次，從單純、單一的成分分析檢測過渡到在線檢測、復(fù)雜樣品前處理和單分子、單細(xì)胞分析，也有很多工作要做。另外，市場開發(fā)階段和商品化階段也是當(dāng)前所面臨的巨大挑戰(zhàn)。在產(chǎn)業(yè)化的同時，以期帶動基礎(chǔ)研究，為Chip的進(jìn)一步發(fā)展打下堅實基礎(chǔ)。

三、毛細(xì)管電泳檢測技術(shù)的發(fā)展：

CE的毛細(xì)管極細(xì)，分離效能很高，但同時對樣品組分的檢測帶來了困難，對檢測技術(shù)的要求較高。如何增加檢測器的靈敏度，又不造成明顯的區(qū)帶展寬，一直是CE技術(shù)發(fā)展中的一個至關(guān)重要的問題。迄今為止，已有許多檢測技術(shù)與CE聯(lián)用，在不同領(lǐng)域中發(fā)揮作用。

1、紫外可見光吸收檢測：

紫外可見光吸收是CE中應(yīng)用最廣泛的一種檢測方法。石英毛細(xì)管可透過20nm波長以下的紫外光，允許從紫外光到可見光的波長范圍內(nèi)對樣品組分進(jìn)行檢測。而且由于透光窗口直接開在毛細(xì)管上（柱上檢測），檢測器本身不存在死體積和因此而造成的組分區(qū)帶展寬現(xiàn)象。事實上樣品組分的分離在檢測窗口處仍在進(jìn)行。為了獲得高效，檢測區(qū)的寬度應(yīng)小于樣品組分的區(qū)帶寬度，也就是說透光窗口應(yīng)足夠小。毛細(xì)管電泳峰寬一般為2～5mm，透光窗口的尺寸應(yīng)控制在上述峰寬的1/3以內(nèi)。紫外可見光吸收檢測的主要缺點是靈敏度不高，這主要是光程太短所致。

2、熒光檢測：

熒光檢測也是CE中一種常見的柱上檢測方法，因組分區(qū)帶小，不會引起額外展寬，而且檢測靈敏度很高。尤其是激光誘導(dǎo)熒光檢測（LIF），其靈敏度可高達(dá)10ˉ¹²～10ˉ¹⁶mol/L，是目前CE中最靈敏的一種檢測方法。熒光檢測器的缺點是僅能用于有天然熒光和易于用熒光試劑標(biāo)記或染色的物質(zhì)的檢測，價格較高。但由于LIF的高靈敏度和高選擇性，仍是CE中不可缺少的檢測方法。

3、電化學(xué)檢測：

電化學(xué)檢測可避免光學(xué)類檢測器遇到的光程太短的問題，對電活性組分的檢測具有靈敏度高、線性范圍寬、選擇性好和價格低等特點。安培檢測是三種電化學(xué)檢測模式（電導(dǎo)檢測、電位檢測和安培檢測）中最易實現(xiàn)、應(yīng)用較廣的一種檢測技術(shù)，為微體積環(huán)境中電活性物質(zhì)的測定提供了高靈敏度的檢測方法。但安培檢測要求被檢測物質(zhì)必須具有良好的電化學(xué)活性，因而檢測范圍有一定的局限性。

4、質(zhì)譜檢測：

質(zhì)譜檢測（MS）具有較強(qiáng)的定性功能，在一次分析中可獲得很多結(jié)構(gòu)信息，將CE與MS相結(jié)合是分離科學(xué)中的一項突破性進(jìn)展。

（1）CE－MS聯(lián)用的關(guān)鍵是接口。

（2）CE－MS聯(lián)用有著很強(qiáng)的生命力，但尚存在以下缺點：

1）濃度靈敏度低，不如LC－MS。

2）不是所有的CE分離模式都可方便地與MS聯(lián)用。

3）MS對CE分離緩沖液的限制較多。

（3）CE－MS聯(lián)用有以下難點需進(jìn)一步改善：

1）如何將被分析物的分子或離子經(jīng)由CE分離后的液態(tài)最終傳至高真空的MS中。

2）接口處的體積范圍怎樣才能與CE的峰體積兼容。

3）分離電解質(zhì)的成分怎樣才能與質(zhì)譜的需求兼容。

4）在聯(lián)機(jī)模式下如何將CE流出物以在線方式有效地傳到MS中而不丟失分離效率。

四、毛細(xì)管電泳的應(yīng)用：

CE具有高效、快速、靈敏和樣品消耗少等優(yōu)點，具有極大的發(fā)展?jié)摿Γ瑧?yīng)用領(lǐng)域正在不斷擴(kuò)展深入。

1、手性化合物分離：

大量研究表明，生命活動與生物分子的手性密切相關(guān)，構(gòu)成生物體的基本物質(zhì)如氨基酸都是L型，糖類化合物都是D型。在很多手性藥物中，其中一個映體具有明顯的藥理作用，另一個則可能低效或無效甚至可能有毒副作用。而CE特別適合手性化合物的分離和研究。

CE手性分離一般通過添加手性選擇劑，在電泳液中提供一定的手性環(huán)境，根據(jù)對映體與選擇劑之間的相互作用不同達(dá)到分離。手性選擇劑有冠醚、膽鹽、表面活性劑、多肽和環(huán)糊精等。CE手性分離大多采用UVD和LIFD，其它還有MS等。

2、藥物分析：

化學(xué)藥品結(jié)構(gòu)簡單、清楚，常規(guī)分析方法基本能解決定性、定量和純度控制等問題。但有些結(jié)構(gòu)特異（如手性對映體結(jié)構(gòu)）和性質(zhì)特殊的品種，現(xiàn)代分析手段從靈敏度、分辨率和分析速度等方面仍有一些難點，CE的特點恰恰彌補(bǔ)和解決了某些分析手段的不足。中藥品種繁多，藥材產(chǎn)地各異，成分復(fù)雜，無論是藥材還是成藥的分析，都是一項非常艱難的任務(wù)。雖然中藥分析用現(xiàn)代化儀器和科技手段（如HPLC等）取得了巨大進(jìn)展和成就，但往往只是對藥材和成藥的成百上千個成分中的一個或幾個成分進(jìn)行分析，實際上只是一種象征性分析，與起化學(xué)和藥理效應(yīng)的實際組合成分（起碼是有效成分）相比，仍有相當(dāng)大的距離。隨著CE對中藥材及其有效成分的鑒別和分析的快速發(fā)展，建立在此基礎(chǔ)上的中成藥成分的定性和定量分析已有進(jìn)展，有希望能解決長期困擾中藥質(zhì)量控制中的重大難題。

CE給藥物分析、藥物篩選、藥理研究和藥品檢驗等帶來了生機(jī)與活力，尤其對基因工程藥物分析、中成藥復(fù)方制劑分析和中藥材種屬鑒定，令人矚目。當(dāng)然，CE還是有不足，如有的藥物用CE分析精確度不夠高，重現(xiàn)性不高；有的靈敏度很高，但專屬性界定尺度又不易掌握，這都需要不斷研究解決。另外，對藥物動力學(xué)的研究已引起了廣泛重視。

3、DNA分析：

DNA分析包括堿基、核苷、核苷酸、寡核苷酸、引物、探針、單鏈DNA、雙鏈DNA（DNA片斷和PCR產(chǎn)物）等分析。

CZE和MECC常用于分離堿基、核苷、核苷酸和簡單的寡核苷酸等。

CGE可用于分離寡核苷酸、ssDNA和dsDNA等。

隨著人類基因計劃的重大進(jìn)展，基因組學(xué)的出現(xiàn)和發(fā)展以及大規(guī)模測序的需求，Chip一躍成為承擔(dān)這些任務(wù)的最優(yōu)選擇之一。

4、環(huán)境樣品分析：

環(huán)境樣品來源主要是水源、土壤和大氣，水源是人類生存最重要的環(huán)境資源，水質(zhì)分析是CE最廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域之一。CE的工作環(huán)境是水，這一點很接近生物體、植物體和自然界的背景。這一特點將會為以水為背景的環(huán)境樣品等各種分析帶來極大方便，減少一些樣品處理的繁瑣過程，大大縮短分離周期，在快速分離和連續(xù)監(jiān)測方面有很好的發(fā)展前景。

CE幾乎可分離除揮發(fā)性和難溶物之外的各種分子，如此廣泛的適用性，對分析科學(xué)研究人員具有很大的吸引力，CE很有希望在將來的環(huán)境樣品分析應(yīng)用中取得更大進(jìn)展。

   

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