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毛细管电泳的原理及应用(第二讲)毛细管电泳的原理及应用

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讲座毛细管电泳的原理及应用*(第二讲)毛细管电泳的原理及应用罗王义明(清华大学生命科学与工程研究院清华大学化学系北京100084)1概述毛细管电泳(CE)除了比其它色谱分离分析方法具有效率更高、速度更快、样品和试剂耗量更少、应用面同样广泛等优点外,其仪器结构也比高效液相色谱HPLC)简单。CE只需高压直流电源、进样装置、毛细管和检测器。前三个部件均易实现,困难之处在于检测器。特别是光学类检测器,由于毛细管电泳溶质区带的超小体积的特性导致光程太短,而且圆柱形毛细管作为光学表面也不够理想,因此对检测器灵敏度要求相当高。当然在CE中也有有利于检测的因素,如:在HPLC中,因稀释之故,溶质到达检测器的浓度一般是其进样端原始浓度的1%,但在CE中,经优化实验条件后,可使溶质区带到达检测器时的浓度和在进样端开始分离前的浓度相同。而且CE中还可采用堆积等技术使样品达到柱上浓缩效果,使初始进样体积浓缩为原体积的1/10~󰀀%[],这对检测十分有利。因此从检测灵敏度的角度来说,HPLC具有良好的浓度灵敏度,而CE提供了很好的质量灵敏度。总之,检测仍是CE中的关键问题,有关研究报道很多,发展也很快。迄今为止,除了原子吸收光谱、电感藕合等离子体发射光谱(ICP┘及红外光谱未用于CE外,其它检测手段均已用于CE。现将其归纳成紫外、荧光、电化学、质谱、激光类和其他类型检测器逐一作以介绍。2紫外检测器和HPLC类似,CE中应用最广泛的是紫外/可见检测器。(1类型:按检测方式可分为固定波长或可变波长检测器和二极管阵列或波长扫描检测器两类。前一类检测器采用滤光片或光栅来选取所需检测波*国家自然科学基金资助课题本文收稿日期:1995年3月8日长,优点在于结构简单,灵敏度比后一类检测器高;后一类检测器能提供时间-波长-吸光度的三维图谱,优点在于在线紫外光谱可用来定性、鉴别未知物。有些商用仪器的二极管阵列检测器还可做到在线峰纯度检查,即在分离过程中便可得知每个峰含有几种物质;缺点在于灵敏度比前一类略差。采用快速扫描的光栅获取三维图谱方式时,其扫描速度受到机械动作速度的。用二极管阵列方式,扫描速度受到计算机数据存贮容量大小的。由于CE的峰宽较窄,理论上要求能对最窄的峰采集20个左右的数据,因此要很好地选取扫描频率,才能得到理想的结果。(2增加灵敏度的方法:由于CE检测池的光路长度即为毛细管的内径,其一般不超过100m,因此,细内径的毛细管柱了紫外检测器的灵敏度。欲提高检测灵敏度,可采用以下几种方法:①优化测定波长:用CE分离7种青霉素类药物,发现在185nm下测定比在214nm下测定时的灵敏度大大提高[多肽、蛋白质等在200nm以下测定也会大大提高灵敏度。而对HPLC,在180210nm范围内测定是很难实现的。实践中可通过测定不同波长下的信噪比来选择最佳测定波长,以提高灵敏度;②减少检测噪音:主要通过提高光源强度;采用聚焦、狭缝等减少背景光的影响;采用电子和数字滤波,设计良好的信号放大系统。除了常用的氚灯和原子蒸气灯(汞、锌、镉灯)外,还有一种“笔式线光源镉灯”(pen-ray lamp3],可将光线聚焦到毛细管上,对溶菌酶的检测限可达18fmol󰀀10-5mol/L,线性范围为4个数量级;③扩展吸光光路长度:可通过很多巧妙的设计来扩展光路长度,如:为了克服圆柱形毛细管表面引起散射、失真等不利的光学特性及增加光路长度,可用矩形或扁形毛细管,如用50100m截面的矩形管,光路长度扩大20倍,可使信噪比增加15倍,当然柱效也会有所下降[4]。也有采用泡型或Z型特殊毛细管的,如泡型毛细管可使光径从flow cuvette)来解决激光在毛细管上产生的散射,对异硫氰酸荧光素FITC)衍生精氨酸检测可达1.7×10-mol1.310-12mol/L13]。还出现荧光二极管阵列检测器[4和LIF/电荷藕合器件(CCD)系统[1],对FITC衍生氨基酸的检测限为210-20mol50m增至500m;Z型可使光径从50m增至3mm,增加了近60倍,可使信噪比提高至原来的6倍,但因体积增加将引起20%30%的谱带扩张,导致柱效下降[5]。此外,特殊毛细管价格昂贵也是需(约10-12mol/L。最新的动向是采用价格低廉的半导体激光器作激励源[16],激发波长在635850nm,考虑的。对于普通毛细管,有以下两种设计来增加光路长度:轴向照射是将光束从毛细管末端沿管轴方向入射,在毛细管侧面进行检测[6]。一般用激光作光源,荧光检测,对50m毛细管,此法可使光路长度增为2mm,灵敏度可增加近50倍,但柱效损失25%~󰀀0%。另一种是多次反射池[7],毛细管壁镀上银,分别开入射窗和出射窗。当入射光以特定角度入射后,将在毛细管内反射3040次后从出射窗口射出。实测光程增加44倍,灵敏度可增加40倍。(3间接测定:间接测定可以解决许多直接检测所不能解决的问题,还提供了“统一标准”,即所有组分浓度可从一条标准曲线算得。紫外间接测定采用在缓冲液中加入有紫外吸收的添加剂的方法,溶质因无紫外吸收而产生倒峰,主要用于离子分析[]。3荧光检测器荧光检测器是CE所用的第二大类已商品化的检测器,和紫外(UV检测器相比,检测限可降低3~󰀀个数量级,是一类高灵敏度和高选择性的检测器。已用于痕量分析和脱氧核糖核酸(DNA)序列分析,大大拓宽了CE的应用范围,具有广泛的应用前景。(1普通荧光检测器:采用氚灯(低波长UV区)、氙弧灯(UV到可见光区)和钨灯(可见光区)作为激发光源,即为普通荧光检测器。对荧光黄检测限可达2ng/mL,这个结果和用氚灯测定240nm下的吸光度相比,只是后者的1[]。(2)激光诱导荧光检测器(LIF:激光的高光流量、聚光性、单色性等特点使其成为理想的激励源。常用氦-镉激光器(325nm)和氩离子激光器(488nm󰀀。对荧光黄最低检测限为10-mol/L,约60000个分子或更低[。有关LIF的应用可参见最新文献[1。(3其它:许多药物和一些多肽有天然荧光。对没有荧光的溶质,需将其衍生化,有柱前衍生和柱后衍生两种方式;也可采用间接测定—能量转移检测[2,而无需衍生化;还可采用包层流池(sheath-用于可见和近红外区,检测限可达fmol级。4质谱检测器将现今最有力的分离手段CE和能提供组分结构信息的质谱(MS联用,是分析工作者追求的目标。由于CE流动相体积小,因此,较之HPLC更易实现与MS的连接。目前已有商品CE/MS系统,提供了一种分离和鉴定相结合的强有力的技术。CE/MS在线联用,接口系统是其“脏”,既要保持CE的高效性,又要满足MS仪器的要求,通常需考虑样品离子化技术和CE/MS接口的设计。虽然有多种离子化技术可用于MS,但用于CE/MS的仅有快原子轰击(FAB)和常压离子化(API,其中又可分为电喷雾ESI和离子喷雾ISP)两种。接口设计有同轴接口和液体连接接口,最常用的是如下两类:(1同轴连续流快原子轰击接口:用一T形接头将CE柱嵌入能注入基质溶液的另一内径较大的毛细管中,再固定在不锈钢探针轴末端,同轴的两根毛细管与样品靶连接。用一束快速移动的原子束或离子束轰击样品靶,即可产生离子流,获得质谱峰[17](2电喷雾电离接口:。CE毛细管柱流出的样品溶液在几千伏电压作用下,表面带电产生库仑排斥力,使液滴成雾状喷出。引入离子源中的热氮气流使雾状液滴蒸发,形成离子流,经聚焦进入质谱仪[8。CE/MS在肽链序列及蛋白结构、分子量测定等方面[19]有卓越的表现,许多方面的研究正在开展,可以预见这是最有发展前途的技术之一。5电化学检测器电化学检测器(EC)可避免CE中光学类检测器遇到的光程太短的问题EC和LIF同为CE中灵敏度最高的检测器,其缺点在于商品化较难,至今没有商品电化学检测器供应。(1电导检测器:柱上电导检测是在毛细管壁上用激光钻两个孔,插上两根铂电极,再将孔封住即成。其检测限以Li+计可达10-7mol/L󰀀10-18mol󰀀[20]。柱尾检测则在分离毛细管后再接上电导检测器。还有的是将柱尾电导检测器和安培检测器组合成一个检测器进行测定[1。(2安培检测器:CE中微量样品可使库仑效率大大提高,在HPLC中此值很少超过10,而在CE中可达40%以上。Wallingford等[22]用2cm碳纤维超微电极插在9m内径毛细管中组成安培检测器,对5-羟色胺的检测限为0.7amol10-8mol/L,并可用于单个神经细胞内组分的分析。采用34-二羟基苯甲胺(DHBA)作添加剂也可实现电化学间接测定,对精氨酸检测限为380amol󰀀10-7mol/L[23]。6激光类检测器采用激光作激励源的除LIF外,还有多种模式。物质受到光子幅射后产生与之相关的温度场,引起密度、折射指数、应力等各种光、热及机械性能的变化(称光热效应),对这些参数进行测定可获得有关物质的组成或结构的信息,称为光热光谱。激光照到毛细管后,导致管内样品受热、温度升高,而不同的温度形成了折射指数的梯度分布,类似一光学透镜,使另一束探测激光产生散焦或偏转,测定此散焦或偏转就可以进行定量分析,此为激光热透镜检测。对18种丹磺酰氨基酸检测限为10-18mol[24]。激光照射到毛细管产生的光热效应诱导毛细管局部热膨胀,发生弹性振动,振幅正比于样品的吸收,并能使另一探测激光产生偏转,此为激光诱导毛细管振动检测。对核黄素检测限为80amol,比UV检测降低了三个数量级[25激光光热检测限与光程无关,适用于pL级痕量分析,但不具备选择性。用激光束聚焦到毛细管上,产生的散射光由一束围绕着毛细管的光纤引导到拉曼光谱仪的接收器上,即构成了激光拉曼检测器,检测限以甲基红计,为2.510-6mol/L[26],与UV检测器相当。也可采用CCD作拉曼光谱检测器[27]。这种检测方法的最大特点是能获得溶质的结构信息。7其它类型检测器HPLC中的化学发光检测器也被用到CE中[28],其特点是结构简单、灵敏度高,和荧光检测器的差别在于不需要滤光片。该仪器适用于生物体系和临床化学样品的检测,可惜有关报道很少。折射率检测器(RI󰀀得出的信号正比于浓度的改变,而不像其它检测方式那样正比于浓度本身。由于CE中形成的“塞式流”,使区带边界上产生极大的浓度改变,因此可测定折射率的改变。它的特点是:属于非选择性检测,适用面广,且简单易行;但检测限较高,约为10-7mol/L。现已用于区带电泳、等速电泳和等电聚焦中[29。同位素检测器具有高选择性和高灵敏度(可达10-9mol/L󰀀,测定时需标记同位素(如3P,检测γ或射线。研究集中在提高检测效率和增加组分区带经过检测窗口时停留的时间[30。尚有如激光圆二色检测器[31]等在此不一一介绍。各种检测器检测限列于表1。表1各种检测器的检测限检测器是CE中具有挑战性的研究工作。UV和LIF己被普遍使用,其应用将在后几讲中介绍。CE/MS联用将成为最有应用价值的检测器。目前发展趋势之一是将CE与FTIR及ICP连接和将气相色谱字中FID用于CE;另一趋势是将CE和其它分离方法联用,如HPLC和CE的联用等。关键词毛细管电泳,检测器Key words capillary electrophoresis,detector参考文献1 Jandik P,Bonn G.Capillary electrophoresis of smallmolecules and ions.New York:VCH Publishers,Inc,1993:1182 Fuchs M,Timmoney P,Merion M.Poster No.PM-24,HPCE 91,San Dieogo,CA,U SA,1 9913 Walbroehl Y,Jorgenson JW.J  Chromatogr,1984315:13518 Smith R,Barinaga C,Udseth H.Anal Chem,1988;60:19484 Tsuda T, Sweedler J V, Zare R N. Anal Chem, 1990;62:214919 Kelly J F,Locke S J,Thibault P.Discovery,1993;2:1.Beckman Instruments,Inc.5 Chervet J P, Van Soest R E J,Ursem M.J Chro-matogr, 1991;543:4396 Grant I H, Steuer W. J Microcol Sep, 1990;2:747 Wang T, Aiken JH,  Huie C W et al. Anal Chem,1991;63:137220 Huang X,Pang T K,Gordon M J et al.Anal Chem,1987;59:274721 Huang X,Zare R N, Sloss S et al. Anal Chem, 1991;63:1898 Jandik P, Jones W R. J Chromatogr, 1991;546:4319 Albin M,Weinberger R,Sapp E et al. Anal Chem,1991;63:41722 Wallingford R A,Curry P D,Ewing A G.J MicrocolSep,1989;:2323 Olefirowicz T M,Ewing A G.J Chromatogr,1990;499:71310 Drossman H, Luckey J A, Kostichka A Je t al.AnalChem,1990;62:90011 Schwartz H E,Ulfelder J,Chen F A et al.J CapElec,1994;1:3624 Yu M,Dovichi N J.Anal Chem,1989;61:222625 Wu J,Odake T,Kitamori T et al.Anal Chem,1991;63:221612 Garner T W,Yeung E S.Anal Chem,1990;62:219513 Cheng Y F,Dovichi N J.Science,1989;242:56214 Swaile D F,Sepaniak M J.J Microcol Sep,1989;:15526 Chen C Y,Morris M D.Appl Spec,1988;42:51527 Chen C Y,Morris M D.J Chromatogr,1991;540:35528 Dadoo R,Colon L A,Zare R N.J High ResolutChromatogr,1992;15:13329 Wu J, Pawliszyn J. Anal Chem,1992;64:21930 Pentoney S L Jr, Zare R N,Quint J F. Anal Chem,1989;61:164215 Sweedler J V,Sheer J B,Fishman H A et al.AnalChem,1991;63:49616 Mank A J G,Lingeman H,Gooijer C.Trends AnalChem,1992;1:21017 MoseleyMA,Deterding L J,Tomer K Be t al.RapidCommun Mass Spectrom,1989;3:8731 Christensen P,Yeung E S.Anal Chem, 1989; 61:1344(上接第429页)Studies on the Coupling Technique between High PerformanceCapillary Electrophoresis and Charge-Coupled Device DetectorⅠ.A Set-up for Multiwavelength Fluorescence DetectionXiong Shaoxiang,Li Jianjun and Cheng Jieke(Department of Chemistry,Wuhan University,Wuhan,430072)A new instrumental set-up combining capillary electrophoresis separation and charge-coupled device mul-tiwavelength lfuorescence detection is described.The performance of the set-up was evaluated with lfuores-cein and rhodamine B.A three-dimensional electrophorogram that showed the spectra and time resolutionwas obtained,on which the separated species could be identified and determined in comparing with their stan-dard lfuorescence spectra.Ky words high performance capillary electrophoresis,charge-coupled device detector,fluorescence de-tection,fluorescein, rhodamine B

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