一 双电层和Zeta电势

双电层或偶电层是浸没在液体中两相界面都具备的一种特性，通常是指两相之间的分离表面，形成相对固定和游离的、与表面电荷异号的两部分或双离子层。毛细管电泳通常采用石英毛细管柱，其表面等电点pl≈3，当溶液pH大于3时，石英管内表面相当数量硅羟基（SiOH）电离而以SiO-的形式存在，使内表面带负电。当它和溶液接触时，由于静电作用吸附溶液中带相反电荷的离子，形成紧贴硅胶表面的和游离的两部分离子。由这两部分离子组成的与表面电荷异号的离子层，称为双电层。其中的第一部分又称为Stern斯特恩）层或紧密层(compactlayer)，第二层为扩散层（diffuselayer)，其电荷密度随着和表面距离的增大而急剧减小，直至在溶液内部相反电荷离子的浓度相等。

紧密层和扩散层的交点的边界电势称为管壁的Zeta电势（ζ)，在扩散层内Zeta电势随表面距离增大按指数衰减，衰减一个指数单位所需的距离称为双电层的厚度，记为δ。

毛细管壁上Zeta电势是毛细管电泳的一个重要参数，对控制电渗流，优化CE分离条件有实际指导意义。与固液界面相似，带电粒子表面也形成类似的双电层结构，即在带电粒子有效半径所构成的界面存在Zeta电势。为了区分管壁和带电粒子的Zeta电势，用争表示管壁Zeta电势，用参表示带电粒子Zeta电势。

二 电泳

在电解质溶液中，带电粒子在电场作用下，以不同的速度或速率向其所带电荷相反电场方向迁移的现象叫做电泳。阴离子向正极方向迁移，阳离子向负极方向迁移，中性化合物不带电荷，不发生电泳运动。

在充满自由溶液开口管中球形粒子的电泳速率公式为

νep=εζe/6πηE

式中ε为介电常数，η为介质黏度，E为电场强度，ζe为带电粒子的Zeta电势。由上述公式可见，带电粒子在电场中的迁移速率，除了与电场强度和介质特性有关外，还与粒子的Zeta电势有关。对于非胶体粒子，Zeta电势近似地正比于z/Mr2/3，其中Mr是相对分子质量，z是净电荷。因此，粒子的荷质比越大，迁移速率越快。不同粒子按照带电种类和表面电荷密度的差别以不同的速率在电介质中迁移，实现粒子分离。

在毛细管电泳中，常用淌度（mobility,μ）来描述带电粒子的电泳行为与特性。电泳淌度（μep）定义为单位场强下离子的平均电泳速率，即

μep=νep/E

三 电渗流

在毛细管中还存在另一种电动现象，即电渗。电渗是毛细管中整体溶剂或介质在轴向直流电场作用下发生的定向迁移或流动。电渗的产生和双电层有关，当在毛细管两端施加高压电场时，双电层中溶剂化的阳离子向阴极运动，通过碰撞作用带动溶剂分子一起向阴极移动，形成电渗流（EOF)。相当于HPLC的压力泵加压驱动流动相流动。度量电渗流大小是单位电场下的电渗流速率即电渗淌度(μeo）或电渗速率（μeo)，可用Smoluchowski方程表示：

μeo=ε0εζw/η

ueo=μeo·E=ε0εζwE/η

式中ε0为真空介电常数，ζw参为毛细管壁Zeta电势。实际应用中，ueo和μeo用下式计算：

ueo=Ld/t0

μeo=μeo/E=Ld/t0·1/E=Ld/t0·Lt/U

式中Lt是毛细管的总长，Ld是进样端到检测器的柱长，U是毛细管柱两端所加电压，t0是电渗标记物在Ld段的停留时间。ueo单位为cm·s-1或m·s-1;μeo单位为cm2·V-1·s-1或m2·V-1·s-1。通常，采用中性粒子作为标记物，可以直接从实验中测得电渗流大小。

以电场力驱动产生的溶液EOF，与高效液相色谱中由高压泵产生的液体流型不同，EOF的流型为扁平流型(flatflow)，或称“塞流”。HPLC流动相的流型则是抛物线状的层流（laminarflow)，它在壁上的速率为零，中心速率为平均速率的2倍。扁平流型不会引起试样区带的展宽，这是CE获得高柱效的重要原因之一。

四 电渗流的控制

电渗是CE的基本现象之一，它可以控制组分的迁移速率和方向，进而影响CE的分离效率和重现性，所以电渗流控制是CE中的关键问题或技术之一。

影响电渗流的因素很多，直接影响因素有：电场强度、黏度、介电常数和Zeta电势等；间接影响因素有：温度、缓冲液的组成和pH、管壁的性质等。

(1）电场强度毛细管长度固定时，EOF与电场强度成正比。但是，当外加电压太高时，EOF与电场强度的关系偏离线性，这是由于电场强度增加，产生焦耳热，导致温度升高，介质豁度变小，扩散层厚度增大。

(2)温度增加温度会使缓冲液戮度下降，管壁硅9基的电离度升高，进而提高电渗流速率。

(3)pH缓冲液pH影响管壁基团的解离度。不同的pH对应于不同的Zeta电势，因此对电渗流产生很大影响。对于石英毛细管，在pH小于2.5时，硅羟基基本不解离，电渗流接近子零；当pH大于10时，硅羟基解离基本完全，电渗流变化很小；在pH3-10之间，硅羟基的解离度随pH上升而迅速增加，电渗流亦迅速增强。pH同样影响试样的解离能力，不同的试样需要不同的pH分离条件。

(4）缓冲液溶剂CE一般使用水溶液，有时可添加少量有机溶剂以改变电渗。不同溶剂的薪度和介电常数不同，对应的电渗也不一样。在缓冲液中添加甲醇等有机溶剂可引起电渗的大幅度减小。

(5)离子强度缓冲液离子强度增加，双电层厚度减小，电渗流下降。但使用过高的离子强度，将产生大量的焦耳热，对分离不利。

(6）添加剂添加剂的种类很多，性质各异，通过在管壁上的可逆和不可逆吸附，可影响毛细管内壁电荷的数量及其分布。如在缓冲液中添加一定浓度（小于临界胶束浓度）的阴离子表面活性剂将使EOF增加，而阳离子表面活性剂则可使EOF降低甚至反向。

(7)管壁涂层管壁涂层技术是通过物理涂覆或化学键合技术将毛细管壁改性，改变表面硅经基浓度和活性，对EOF进行控制。这是目前调控电渗流的一种有效方法，但需要一定的制管技术。

五 分离原理

由于电泳和电渗流并存，那么，在不考虑相互作用的前提下，粒子在毛细管内电介质中的迁移速率是两种速率的矢量和，即

u=uep+ueo=(μep+μeo)E

通常，令μapp＝μep十μeo,称之为表观淌度，即从毛细管电泳测量中得到的淌度为粒子自身的电泳淌度和由电渗引起的淌度之和，并有

μapp=μep十μeo=μ/E=Ld·Lt/tr·U

式中Ld是毛细管从进样口到检测器的距离，tr是粒子通过这段距离所用的时间，Lt是柱的全长，U是电压。因此，μapp可直接从毛细管电泳的测量结果求得。

在典型的毛细管电泳分离中，溶质的分离基于溶质间电泳速率的差异。电渗流的速率绝对值一般大于粒子的电泳速率，并有效地成为毛细管电泳的驱动力。当溶质从毛细管的正极端进样，它们在电渗流的驱动下依次向毛细管的负极端移动。带正电的粒子电泳流方向和电渗流方向一致，因此最先流出，质荷比越大的正电粒子流出越快。中性粒子的电泳速率为零，其迁移速度相当于电渗流速度。带负电的粒子电泳流方向和电渗流方向相反，故它将在中性粒子之后流出。溶质依次通过检测器，得到与色谱图极为相似的电泳分离图谱。

毛细管电色谱由于引入了色谱机制，其保留机理包括两个方面；其一，如同HPLC，基于溶质在固定相和流动相间分配过程；其二，如同CE,基于溶质电迁移过程。CEC容量因子可用下式表示：

k=k’十k'(μep/μeo）十μep/μeo                                 (1-1)

式中k是CEC的容量因子，k’是CEC中由分配作用对色谱保留的贡献，μep为溶质的电泳淌度，μeo为电渗淌度。

从公式（1-1)可以看出，CEC的容量因子并非CE的选择性因子和HPLC的容量因子的简单加和，而是两者之间相互影响。对于中性化合物，μep为零，k等于k'，反映纯粹的色谱过程；对于无分配或色谱保留的带电化合物，k’为零，反映纯粹的电泳过程；对于有分配保留的带电化合物，色谱和电泳机理同时起作用。因此，CEC既能分离电中性溶质，又能分离带电溶质，对复杂的混合试样显示出强大的分离潜力。

六 柱效和分离度

与色谱相同，CE和CEC的柱效一般也用塔板数N或塔板高度H来表示。实际应用中，可根据以下公式计算：

N=5.54(tR/2△t1/2)2

式中tR为流出曲线最高点对应的时间，即保留时间；2△t1/2以时间为单位的色谱峰半高宽度。而单位塔板的高度H为

H=Ld/N

从理论上分析，CE分离的柱效可表示为

N=Ld/H=(μep+μeo)VLd/(2DLt)

上式中D为扩散系数，试样相对分子质量越大，扩散系数越小，柱效越高，所以毛细管电泳比色谱更适合于生物大分子分离分析，毛细管电泳之所以能在20世纪80年代后期迅速发展起来，与此有很大的关系。

类似于HPLC,CEC的柱效可用vanDeemter方程表征：

H=A+B/u+Cu

A为涡流扩散迁移项，代表由于填充床中流体路径不同导致流速差异而引起的谱带展宽，在CEC中，只要双电层不重叠（填料粒径≧0.5μm），电渗流速率就与填料大小无关。流速在管中呈塞子流型，在毛细管中几乎没有流速梯度，所以谱带展宽效应很小。因此在CEC中，A项可忽略。在一般操作条件下，传质阻力C项也可忽略。因此在CEC中，决定板高的只有B项即纵向扩散项，其柱效上，CEC远优于HPLC。
作为一种重要的分离分析手段，CE和CEC仍沿用分离度R作为衡量分离程度的指标，并定义如下：

R=2(tR2+tR1）/W2+W1

式中下标1和2分别代表相邻两个溶质，tR为迁移时间，W为以时间表示的色谱峰底宽度。因此上式分子代表两种物质迁移时间之差，分母则表示这一时间间隔组分展宽对分离的影响。