毛細管電泳在工業領域中的應用

趙凱　王偉

摘要：毛細管電泳技術作為一種重要的分析方法其自身具有分析速度快、分離效率高、樣品用量少、操作簡單、抗污染能力強等特點，是20世紀80年代后期分析化學、特別是生物分析化學的重大研究進展，也是20世紀90年代最有影響的分離手段之一。CE儀器和各種檢測器的聯用是對傳統電泳技術的重大突破。隨著商品化的儀器的出現，CE技術快速滲透到與工業中相關的各個領域，并在這個領域中得到了迅速發展，被廣泛地應用于工業領域中的諸多方面。文章對近年來毛細管電泳技術在工業領域中的應用作了總結。

關鍵詞：毛細管電泳；工業領域；應用

0引言

毛細管電泳通常使用內徑為25～100μgm的彈性（聚酰亞胺）涂層熔融石英管。標準毛細管的外徑為375μm，有些管的外徑為160μm。毛細管的特點是：容積小（一根100 cm×75μm管子的容積僅4.4μL）；側面/截面積比大，因而散熱快、可承受高電場（100～1000 V/cm）可使用自由溶液、凝膠等為支持介質；在溶液介質下能產生平面形狀的電滲流。

1毛細管電泳技術

在電解質溶液中的各項離子在電場作用下，各種離子向其所帶電荷相反方向以不同速度運動的現象叫作電泳。當電解質溶液的酸性越強時，由于石英毛細管內表面上存在硅醇基致使其內表面的電性為負電荷，與溶液中電解質接觸形成雙分子層（外部帶正電荷），在直流高壓電場作用下，雙分子層流體向陰極方向整體移動，從而形成電滲流（Electroosmotic Flow，EOF）。EOF是CE的驅動力，EOF的速度一般總是大于電解質中任何分子的電泳流速度，由于中性粒子不帶電，所以中性粒子的電泳速度為“0”，從而達到分離各種離子的效果。

毛細管電泳用一根裝滿緩沖電解質溶液的毛細管，與毛細管兩邊相連的兩個小容器。微量樣品從毛細管的一端通過毛細管注射器進入毛細管中。當進行電泳時，與電源相連的電極分別放到小容器的緩沖電解質里。樣品將在電荷的作用下發生移動。各樣品因為分子量、電荷數、等各性質的不同進而試驗室時各組分各組分的移動速率也講不同，依次流至毛細管輸出端附近的光檢測器，并在屏幕上以吸收峰的形式動態直觀地表現出來。

毛細管電泳具有以下優點：（1）高效塔板數目在105～106片/m間，可以給試驗帶來豐富的數據，為數據處理帶來便利；（2）試驗樣品用量少，成本低；（3）試驗時間短，便于操作；（4）可以用一臺試驗機器上進行多組試驗；（5）目前自動毛細管電泳法己可用于試驗。

毛細管電泳的缺點是：（1）因為試驗量少，所以數據可能存在誤差；（2）因為毛細管的直徑太小，使光路偏短，所以試驗時靈敏度；（3）樣品組分會隨著試驗進行發生變化，將會影響試驗結果。

2毛細管電泳在工業領域中的應用

2.1工業領域中對天然產物的分析

2.1.1蛋白質的分析

蛋白質是人體重要的天然含氮多肽鏈，也是生物體不可或缺的生命活動的基本物質。早期科研工作者對蛋白質的研究多是對其來源、分類、膠體性質及某些生物學性質進行研究，人類從20世紀初才認識蛋白質化學的重要性，隨著分離分析技術的進步與改進，提純了一些蛋白質，了解它們的組成和結構已經變得很容易。肽和含芳香氨基酸的蛋白質，如色氨酸，酪氨酸或苯丙氨酸，可以不使用衍生激發，波長檢測從260～280 nm，發射波長305 nm。1991年，Swaile和Sepaniak分別為首先發現的蛋白質的天然熒光的CE使用257 nm的激發波長與氬離子在514 nm的倍頻激光運轉。然而，為伴清蛋白所獲得的LOD（0.25 nm）。顯著改善的LOD為同一蛋白質，實現為0.1 nm的LOD使用在275 nm，它緊密地匹配的氬離子激光最大激發（280 nm處）為色氨酸的波長。這種改善的綜合結果有效地激勵和穩定客源，使用高pH值的增加量子產率和富集在注射期間的樣本。對于BSA和色氨酸，至少4個線性動態范圍或5個數量級。該激光也可以分析血紅蛋白（血紅蛋白），在單人紅細胞上注射和單細胞的裂解在緩沖器接觸的溶液，血紅蛋白四聚體解離在毛細管內，它們各自的肽鏈可以分離和檢測。成本相對較低，結構緊湊，脈沖的KrF激光器（248 nm），也可在用于蛋白質分析。蛋白質氨基酸之間以肽鍵的形式（—CO—NH—）連接起來的，一般把分子量大于10 000的多肽叫作蛋白質。蛋白質常用280 nm吸收監控，通常由芳香氨基酸提供。蛋白質分離分析通常包括：蛋白的鑒定分析、蛋白質結構分析、蛋白質定量測定和蛋白質微量制備。常用方法有：高效液相色譜（High Efficiency Liquid ChromatographV，HPLC）、凝膠電泳、經典定量測定（如微量凱氏定氮法、雙縮脲法，Folin-酚試劑法、紫外吸收法、染料結合比色法）、氨基酸分析、免疫分析、特殊活性檢測及質譜分析等。1988tgRose和Jorgenson首先實現了在毛細管電泳中的提取超低量的蛋白質和多肽，從此毛細管電泳展現了其在多肽、蛋白質、核苷酸分析以及DNA檢測方面的優勢。CE在分離生物大分子方面的優勢使其在蛋白質分離分析中占據日益重要的地位。

2.1.2糖類的分析

糖的結構復雜、品類繁多，常與蛋白質、脂肪形成復雜的物質。糖類物質一般為電中性、親水性強、一般沒有吸收光的能力是CE在糖類分析中的難點。隨著毛細管電泳技術不斷進步，毛細管電泳已成為分析單糖、寡糖、糖肽、糖蛋白等糖類化合物的重要方法。在單糖分析中要選用pH>11的強堿性緩沖液，這種緩沖液使單糖去質子而帶負電荷，用電泳分離的方法可以對糖類直接進行測量分析，然后用紫外法進行分析測量。用這種也方法需要用硼酸鹽作為緩沖液，糖類于硼酸鹽發生絡合反應形成一種新的絡合物，對新的絡合物進行測量分析，然后通過紫外分析。簡單糖的分析方法大多數是相對簡單的。多糖可以在酸或酶的作用下可以轉化為寡糖，對寡糖再進行測量分析。是糖肽的圖譜糖類糖蛋白圖譜的具體體現，所以生成糖肽的方法可以通過糖類在酶和酸的作用下分解而合成。由于pKa值的不同用CE進行分離，所以選用不同的緩沖液來改變pH變得才能用毛細管電泳進行分析，其檢測也是基于蛋白質的檢測。CE既可以分析食物中的糖脂，也可以用神經酰胺聚糖酶將糖脂酶解后進行分析。聚糖的結構中含有糖胺聚糖類糖基，這類糖基主要有透明質酸，硫酸軟骨素，硫酸角質素和肝素等，大多數的糖類的結構中包含多個二糖單元，且這些單元結構多數是重復的，而且可用裂解酶降解成糖醛酸化酸性單糖，這些單糖既帶電荷又有紫外吸收（232 nm），因此很適合用CE進行分析。此外在糖型的分析上CE也作出許多重要的成果。在糖的檢測方面，紫外分析是最早用于CE進行糖類檢測的，但它的靈敏度相對不高，檢出限一般有10^-6mol數量級。用激光誘導熒光的方法對糖類進行分析測試，需要對被分析的樣品進行柱前高效熒光標記，是檢出結果在10^-9mol水平。在對分析檢測系統進行改善時，也要改進與完善中性糖類的極性標記。這種極性標記物選用8-氨基-萘-1，3，6-三磺酸具有快速高效地對寡糖和多糖進行分離檢測，且分辨率較高的特性。

用毛細管電泳法對糖類進行測量分析的過程中存在兩個缺陷。一方面是大部分的糖類在解離過程中，解離的程度是非常微弱的，且糖類的親水性非常強，這些因素直接導致了糖類分離難度的增大。另一方面體現在大部分糖類含有的紫外或熒光生色基團較少，這對分離出的糖類后續的檢測增加了一定的難度。對于大多數的糖類的不帶電性，采取一些化學方法可以解決這些問題。

如采用絡合的方法（可用硼酸根、某些金屬離子）、解離（強堿作用）、衍生等方法使該試樣帶上電荷。糖的檢測問題也可以采用其他方法，所用試劑應該既可以吸收光能或發出光能又能產生電離現象。

2.2工業領域中對添加劑和殘留藥物的分析

2.2.1防腐劑與甜味劑

我們在化學分析與應用的時候應用CZE的方法可以用于分離以及檢驗測定濃果汁以及人造黃油當中所含有的山梨酸以及我們所熟知的苯甲酸的防腐劑的時候，我們所檢測出的下限還是可以達到0.06μg/mL，在化學分析與應用的時候RSD所檢出的范圍還是繼續可以達到0.9%～4%。

防腐劑的分離度可以被在CZE的電解緩沖液中加入的水溶性高分子從而得到改善。計算機可以有效控制pH不同分度的CZE系統也可以有效分離弱軟飲料中甲苯酸鈉和咖啡因等成分。

外國的學者Thompson等人在化學分析應用的時候還是可以利用化學分析的方法對MEKC也還是可同時對分離以及測出了無糖軟飲以及蘋果醬的山梨酸、苯甲酸和糖精的所具有其獨特的特性。這項科學的研究還是充分的利用的說明在化學的分析應用中的MEKC中使用化學中常見的手性表面活性劑這樣還是可以有效地改善上面我們說的防腐劑以及甜味劑有效地進行分離。

2.2.2合成色素

MEKC已用于分析農業食品中的各種色素的合成。在緩沖液中加入CD、脫氧膽酸鹽和乙氰都可以改善分離的效果。Thompson和Trenerry用MEKC測定了糖果中的色素合成，Suzuki等用MEKC結合二級管陣列（Photo-Diode Array，PDA）作為檢測器，分析了胭脂紅等6種食用合成的色素，檢測出的下限可低至1μg/mL，線性范圍可以達到30μg/mL。

2.2.3農藥和抗生素殘留

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對于藥物殘存，人們都希望能夠靈敏檢測出來，同時，也希望有很高的回收率。汪雪雁等在試驗過程中，用空白雞肝為試材，采用高效毛細管電泳法，分別檢測了雞肝中3種喹諾酮類、兩種磺胺類等合成抗菌劑殘留獸藥。試驗結果令人滿意，在一定的條件下，能夠在幾分鐘的時間內將研究對象檢測出來，并且能夠回收殘余物，且回收率高達85.39%。顏流水等則用豬肝為試材，采用毛細管電泳一質譜聯用分離技術，分析了豬肝中的克倫特羅和沙丁胺醇，得出的結果為電泳分離時間小于6 min，檢出限分別為0.4和0.3。隨著生活質量的提高，人們對奶制品的需求更大，牛奶等奶制品中是否有獸藥殘余物很是關鍵。Blasco等人以牛奶為試驗材料，采用毛細管電泳技術與其他檢測技術聯用的方法，測定了牛奶樣品中多種獸藥的殘留物，結果令人滿意，回收率均在78%，RSD%<15%。付石軍等綜述了毛細管電泳技術在畜產品中抗生素、抗菌藥物、激素及違禁藥物等殘留檢測的應用現狀。

蔬菜是人類食物中最主要的一部分，食物中農藥成分的安全檢測至關重要，它直接關系到人們生命健康。AnaJuan-Garcia等人進行了測定生活中在蔬菜中經常使用的五種農藥的試驗，采用了Staching-RM-MEKC技術，試驗效果良好，數據令人滿意，檢測限為0.002～0.03μg/mL。趙濤等人以葡萄酒為試材，采用分子印跡固相萃取與毛細管電泳聯用檢測的方法，對酒中敵百蟲進行了檢測。在試驗過程中，他們使用具有選擇性富集吸附功能的材料將敵百蟲吸附，然后用一定比例配置的甲醇/冰乙酸洗脫，再用氮氣將其吹進配置好的雙蒸水溶液讓它溶解。所得數據令人滿意，為了減小誤差，提高準確率，他們連續重復了5次試驗，相對標準偏差也在可接受范圍內；同時他們又對兩種進口葡萄酒進行了回收試驗，回收率為80.3%～96.2%。齊海靜等人在試驗過程中，以水產品為試驗材料，采用毛細管電泳技術，在加速溶劑萃取時，測定了水產品中磺胺類藥物，同時也測定了代謝物殘留。由于他們優化了試驗的萃取和電泳條件，使得能夠在6分鐘之內將8種物質實現基線分離，從靈敏度、回收率等各方面大大改進了試驗的效率，已經用于水產品中磺胺類藥物在最高殘留水平（Maximum Residual Level，MRL）上的常規檢測。孫伯琳等人將電極進行了介孔碳材料CMK-3的修飾，并將新制的電極首次用于毛細管膠束電泳—安培檢測方法中，并分析測定農產品中的對硫磷及其代謝產物對氧磷、對硝基苯酚的殘留。新制電極具有比未修飾的電極更大的比表面積、良好的性質，因此它的靈敏度、選擇性更高，對3種待檢測物質的響應靈敏度更強，而且方法檢測穩定，方法可靠，結果令人滿意。

3結語

綜上所述，因為毛細管電泳技術的分離效率高，快速的檢測技術、使用簡便和更廣泛的應用等特點，使得CE的技術在工業領域中的地位逐漸上升，目前其在檢測方法領域中已經占有了重要的地位。當前已經有很多文獻綜述了CE在這方面的應用，從不同的角度肯定了毛細管電泳技術的功能。任何方法都有其局限性，傳統毛細管電泳液不免有其局限性，如果電壓過高時，會使電解質流動時產生熱量，進而使電解質本身粘度和速度梯度發生變化，進而使傳統毛細管電泳發生誤差，效率降低。但是高效毛細管電泳有效地解決了這一問題，高效毛細管電泳使用了效率極高的毛細管，操作更加簡單，分離速度更快，高效毛細管電泳法又有樣品使用率低、反應速度快、靈敏度高等優點，降低了試驗成本，高效毛細管技術已日趨成熟。自20世紀80年代以來，毛細管電泳得到了快速發展，在臨床應用和科學研究方面都取得了突破，國外在進行試驗的同時，國內高效毛細管試驗方面也在迅猛發展。隨著研究的進行，高效毛細管電泳在眾多領域得到重大應用將成為可能。