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毛细管电泳的基本理论

发布时间:2018-11-12 00:00 作者:中国标准物质网 阅读量:1588

毛细管电泳又称为高效毛细管电泳是指离子或带电粒子以毛细管为分离通道,以高压直流电场为驱动力,依据淌度的差异而实现分离的一种全新的分离分析技术。

电泳是指带电粒子在电场作用下,以不同速度做定向移动的现象。利用这种技术对物质进行分离分析的方法称为电泳法。电泳作为一种技术或分离工具已有近百年的历史,但经典电泳技术的缺点是操作烦琐、效率较低、重现性差。特别是为了提高分离效率要加大电场强度,使因电流作用产生的内热(称为焦耳热)也随而加大,导致谱带加宽,柱效明显降低。1981年,乔根森和卢卡奇使用内径为75 um的石英毛细管进行区带电泳,采用激光诱导荧光检测器,在30kV电压下,理论塔板数超过每米4×105,获得快速、极高柱效的分离。他们还进一步研究了影响区带展宽的因素,阐明了毛细管电泳的相关理论。这一开创性工作,使普通电泳这一技术发生了根本性变革,使经典的电泳技术发展为高效毛细管电泳,成为电泳发展史上一个里程碑。从此,毛细管电泳在理论研究、分离模式、商品仪器、应用领域等各方面均获得了迅猛发展。如今,毛细管电泳可与气相色谱法、高效液相色谱法相媲美,成为现代分离科学的重要组成部分。

高效毛细管电泳法是经典电泳技术和现代微柱分离相结合的产物,与传统的电泳相比,高效毛细管电泳法主要有4个特点,即高效、快速、微量和自动化。在毛细管区带电泳中,柱效一般为每米几十万理论塔板数,高的可达每米几百万以上,而在凝胶电泳中这一指标竟能达到几百万甚至上千万,通常的分析时间不超过30 min,在采用电流检测器时,CE的最低检测限可达10-19 mol,即使是一般的紫外检测器,大体也在10-13~10-15 mol,因此样品用量仅为纳升而已,商品仪器的操作已可全部自动化。

13.2.1毛细管电泳的基本理论

13.2.l.1电双层

在液固两相的界面上,固体分子会发生解离而产生离子,并被吸附在固体表面上。为了达到电荷平衡,固体表面离子通过静电力又会吸附溶液中的相反电荷的离子,从而形成电双层(图13-6)。

图13-6 电双层模型

实验表明,石英毛细管表面在pH>3时,就会发生明显的解离,使毛细管的内壁带有SiO-负电荷,于是溶液中的正离子就会聚集在表面形成电双层,如图13-G所示。这样,电双层与管壁间会产生一个电位差,叫作Zeta(ξ)电势。Zeta电势可用下式表达:

ξ=4πδe/ε

式中,δ为电双层外扩散层的厚度,离子浓度越高,其值越小;e为单位面积上的过剩电荷;ε为溶液的介电常数。

13.2.1.2电泳与电泳淌度

带电荷粒子在外电场作用下的定向移动的泳动现象称为电泳。其移动速度uep由下式决定。

uep=uepE

式中,uep为带电粒子的电泳速度,单位为cm/s,电泳表示符号为ep; E为电场强度,单位为V/cm;uep为带电粒子的电泳淌度,单位为cm/(V·s)。

电泳淌度是指带电粒子在毛细管中单位时间和单位电场强度下移动的距离,也就是单位电场强度下带电粒子的平均迁移速度,简称淌度,表示为:

淌度与带电粒子的有效电荷、形状、大小以及介质黏度有关,对于给定的介质,带电粒子的淌度是该物质的特征常数。因此,电泳中常用淌度来描述带电粒子的电泳行为。

带电粒子在电场中的迁移速度取决于该粒子的淌度和电场强度的乘积。在同一电场中.由于带电粒子淌度的差异,致使它们在电场中的迁移速度不同,而导致彼此分离,因此淌度不同是电泳分离的内因。电泳分离的基础是各分离组分有淌度的差异。

带电粒子在无限稀释溶液中的淌度叫作绝对淌度,它表示一种离子在没有其他离子影响下的电泳能力,用uab表示。在实际工作中,人们不可能使用无限稀释溶液进行电泳,某种离子在溶液中不是孤立的,必然会受到其他离子的影响,使其形状、大小、所带电荷、离解度等发生变化,所表现的淌度会小于uab,这时的淌度称为有效淌度,即物质在实际溶液中的淌度,用uef表示。

式中,ai为物质i的离解度;ui为物质i在离解状态下的绝对淌度。

物质的离解度与溶液的pH有关,而pH对不同物质的离解度影响不同。因此,可以通过调节溶液pH来加大溶质之间uef的差异,以提高电泳分离效果。

13.2.1.3电渗流

电渗流是指体相溶液在外电场的作用下整体朝向一个方向运动的现象,由于液固界面的电双层的存在,在高电压场的作用下,组成扩散层的阳离子被吸引而向负极移动。由于它们是溶剂化的,故将拖动毛细管中的溶液整体向负极流动,这便形成了电渗流,如图13-7所示。电渗流的大小直接影响分离情况和分析结果的精密度和准确度。

图13-7 由毛细管壁引起的电渗流

电渗流速率移vEOF的大小与电场强度E、Zeta电势导、溶液戮度7和介电常数ε存在以下关系:

VEOF=εξE/η

其相应的电渗流淌度为:

uEOF=εξ/η

由于电渗流的大小与Zeta电势呈正比关系,因此影响Zeta电势的因素都会影响电渗流。Zeta电势ξ的大小主要取决于毛细管内壁扩散层单位面积的过剩电荷数e及扩散层的厚δ。而艿大小与溶液的组成、离子强度有关。溶液的离子强度越大,扩散层的厚度越薄。电渗流的方向决定于毛细管内壁表面电荷的性质。一般情况下,在pH>3时,石英毛细管内壁表面带负电荷,电渗流的方向由阳极到阴极。但如果将毛细管内壁表面改性,比如在壁表面涂渍或键合一层阳离子表面活性剂,或者在内充液中加入大量的阳离子表面活性剂,将使石英毛细管内壁表面带正电荷。壁表面的正电荷因静电力吸引溶液中阴离子,使电双层Zeta电势的极性发生了反转,最后可使电渗流的方向发生变化,即电渗流的方向由阴极到阳极。

相关链接:分子荧光分析法的应用

文章来源:《分析化学分析方法的原理及应用研究》

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