毛细管电泳基本理论.docx
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1、毛细管电泳基本理论电泳电泳(e1ectrophoresis)分离是基于组分在电场作用下迁移速度不同而进行的。一个离子在电场下的迁移速度为:V=式中y为离子移动速度,H为电泳淌度,E为电场强度。电场强度是指单位距离的电压降(Vcm),电泳淌度是指单位电场下离子的迁移速度;对于给定的离子、分离介质和操作温度,电泳淌度是一常数。电泳淌度正比于离子受到的电场力,反比于通过分离介质时的摩擦力,即:电场力(Fe)Mec摩擦力(尸F)而电场力户e:尸E=gE摩擦力4正比于离子的迁移速度,方向与电场力相反。对于球形离子:FF=fv=-6Ry式中q为离子电荷,/为摩擦系数,V为介质粘度,R为离子半径。当电场力与
2、摩擦力相对平衡时,离子以稳态速度运动。即:qE=6Rv显然,可以得到电泳淌度为=f6R上式表明,分子半径小、电荷大的离子具有较大的电泳淌度;而分子半径大电荷小的离子具有较小的电泳淌度。电泳淌度的差异,构成了电泳分离的基础。电渗电渗流的产生电渗(e1ectroosmosis)或电渗流(e1ectroosmoticf1ow,EOF)是指管内溶液在外力电场作用下整体朝一个方向运动的现象。对于石英毛细管来说,在一般情况下,由于硅醇基(一SiOH)电离成Sio,使管壁表面带负电,为了保持电荷平衡,溶液中水合离子(一般为阳离子)被吸附到表面附近,形成双电层。当在毛细管两端加电压时,双电层中的阳离子向阴极移
3、动,由于离子是溶剂化的所以带动了毛细管中整体溶液向阴极移动,整个过程如下图所示。电渗的大小可用电渗速度或电渗淌度来表示:c,式中k为电渗速度,山。为电渗淌度,C为双电层的Zeta电位,为分离介质的介电常数。在毛细管电泳分离中.EoF引起缓冲液从毛细管的一端向另一端流动。在通常情况下,石英毛细管中的EoF流向阴极,EOF速度可用实验方法求算:KoZ/Ieo式中,为毛细管柱有效长度(从毛细管进样端至检测窗的长度),M为电渗流标记物(中性标记物如:二甲亚巩、丙酮等)从进样端迁移至检测窗所需时间。电渗流的特点在毛细管电泳中电渗流的一个重要特点是具平面流型,其电渗驱动力沿毛细管均匀分布,电渗速度的径向分
4、布几乎是均匀的。高效液相色谱液体流型则是抛物线状的层流,它在柱内壁上的速度为零,而中心速度为平均速度的2倍。电渗流的平流型速度曲线与高效液相中高压泵驱动所产生的层流或抛物线流型速度曲线不同,不会直接引起样品组分区带扩散。下图为毛细管电泳电渗流和高效液相液体流的比较,这是毛细管电泳获得高效分离的重要原因之一。电渗流的另一个特点是可以使几乎所有的样品组分不管电荷大小,以同样的方向移动,各组分在毛细管中的流出时间(迁移时间)取决于电渗流速度和组分电泳速度的矢量和。在一般情况下,电渗流方向从阳极到阴极,且电渗速度一般大干电泳速度,所以阴离子(除无机离子)也在阴极流出。因此。合理地利用电渗流可以使阳离子
5、、中性分子、阴离子实现同时分离分析。样品各组分电迁移过程如下图所示。电渗流的控制电渗流是毛细管电泳中的基本操作要素,为了优化分离,往往需要控制电渗流。在毛细管区带电泳或胶束电动毛细管色谱中,电渗流是电泳分离的主要驱动力,但如果电渗流太大,将导致溶质组分没有分离就流出。在毛细管电泳蛋白质分离中,带负电的毛细管壁通过静电相互作用造成带正电的蛋白质管壁吸附,消除毛细管壁的蛋白吸附一定程度上影响了电渗流的大小和方向.另外,毛细管电泳中一些分离模式,如:毛细管等电聚焦、毛细管等速电泳和毛细管凝胶电泳均需要控制或降低电渗流。控制电渗流最基本的方法是改变毛细管内壁的表面电荷或缓冲液粘度。下表列举了改变电渗流
6、的常用方法。值得注意的是,改变毛细管壁表面的物理状态,常常影响被分离组分的迁移速度,因此,改变电渗流需要通过毛细管电泳整个操作条件的优化来实现。焦耳热和温度梯度在细内径毛细管中进行电泳分离与传统电泳比较,主要是减少了焦耳热的影响。焦耳热会引起电泳分离介质的温度梯度、粘度梯度和速度梯度,从而引起区带展宽。细内径毛细管允许高电场下电泳分离,但焦耳热的产生使高电场的进一步使用受到限制。焦耳热和温度梯度的产生焦耳热是由于电流通过电泳分离介质而产生,其大小取决于操作功率的大小,与毛细管尺寸,缓冲液电导及电场强度有关。通常毛细管电泳的操作电功率为0.55Wm,焦耳热通过毛细管壁向周围环境散逸时,在毛细管内
7、形成径向温度梯度一管壁温度低于管轴心温度。下表列出了不同内径毛细管的管壁温度及其与轴心的温差。显然,当毛细管电泳分离产生的焦耳热超过散发的热量,毛细管内温度将明显升高。毛细管壁温度和中心到壁的温差半径(m)壁温度(K)温差(K)25299.00.5350301.213975304.23.14100307.75.58125311.68.72焦耳热产生的温度梯度,一方面可能导致密度梯度,产生自然对流,而对流会使已分离样品区带重新混合,使柱效降低;另一方面会引起缓冲液的粘度发生变化,从而引起电泳淌度改变,导致区带展宽。一般,温度每变化介质粘度或电泳淌度变化2%3%。上表还表明,使用小内径毛细管比大内
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