毛细管电泳在工业领域中的应用

赵凯　王伟

摘要：毛细管电泳技术作为一种重要的分析方法其自身具有分析速度快、分离效率高、样品用量少、操作简单、抗污染能力强等特点，是20世纪80年代后期分析化学、特别是生物分析化学的重大研究进展，也是20世纪90年代最有影响的分离手段之一。CE仪器和各种检测器的联用是对传统电泳技术的重大突破。随着商品化的仪器的出现，CE技术快速渗透到与工业中相关的各个领域，并在这个领域中得到了迅速发展，被广泛地应用于工业领域中的诸多方面。文章对近年来毛细管电泳技术在工业领域中的应用作了总结。

关键词：毛细管电泳；工业领域；应用

0引言

毛细管电泳通常使用内径为25～100μgm的弹性（聚酰亚胺）涂层熔融石英管。标准毛细管的外径为375μm，有些管的外径为160μm。毛细管的特点是：容积小（一根100 cm×75μm管子的容积仅4.4μL）；侧面/截面积比大，因而散热快、可承受高电场（100～1000 V/cm）可使用自由溶液、凝胶等为支持介质；在溶液介质下能产生平面形状的电渗流。

1毛细管电泳技术

在电解质溶液中的各项离子在电场作用下，各种离子向其所带电荷相反方向以不同速度运动的现象叫作电泳。当电解质溶液的酸性越强时，由于石英毛细管内表面上存在硅醇基致使其内表面的电性为负电荷，与溶液中电解质接触形成双分子层（外部带正电荷），在直流高压电场作用下，双分子层流体向阴极方向整体移动，从而形成电渗流（Electroosmotic Flow，EOF）。EOF是CE的驱动力，EOF的速度一般总是大于电解质中任何分子的电泳流速度，由于中性粒子不带电，所以中性粒子的电泳速度为“0”，从而达到分离各种离子的效果。

毛细管电泳用一根装满缓冲电解质溶液的毛细管，与毛细管两边相连的两个小容器。微量样品从毛细管的一端通过毛细管注射器进入毛细管中。当进行电泳时，与电源相连的电极分别放到小容器的缓冲电解质里。样品将在电荷的作用下发生移动。各样品因为分子量、电荷数、等各性质的不同进而试验室时各组分各组分的移动速率也讲不同，依次流至毛细管输出端附近的光检测器，并在屏幕上以吸收峰的形式动态直观地表现出来。

毛细管电泳具有以下优点：（1）高效塔板数目在105～106片/m间，可以给试验带来丰富的数据，为数据处理带来便利；（2）试验样品用量少，成本低；（3）试验时间短，便于操作；（4）可以用一台试验机器上进行多组试验；（5）目前自动毛细管电泳法己可用于试验。

毛细管电泳的缺点是：（1）因为试验量少，所以数据可能存在误差；（2）因为毛细管的直径太小，使光路偏短，所以试验时灵敏度；（3）样品组分会随着试验进行发生变化，将会影响试验结果。

2毛细管电泳在工业领域中的应用

2.1工业领域中对天然产物的分析

2.1.1蛋白质的分析

蛋白质是人体重要的天然含氮多肽链，也是生物体不可或缺的生命活动的基本物质。早期科研工作者对蛋白质的研究多是对其来源、分类、胶体性质及某些生物学性质进行研究，人类从20世纪初才认识蛋白质化学的重要性，隨着分离分析技术的进步与改进，提纯了一些蛋白质，了解它们的组成和结构已经变得很容易。肽和含芳香氨基酸的蛋白质，如色氨酸，酪氨酸或苯丙氨酸，可以不使用衍生激发，波长检测从260～280 nm，发射波长305 nm。1991年，Swaile和Sepaniak分别为首先发现的蛋白质的天然荧光的CE使用257 nm的激发波长与氩离子在514 nm的倍频激光运转。然而，为伴清蛋白所获得的LOD（0.25 nm）。显著改善的LOD为同一蛋白质，实现为0.1 nm的LOD使用在275 nm，它紧密地匹配的氩离子激光最大激发（280 nm处）为色氨酸的波长。这种改善的综合结果有效地激励和稳定客源，使用高pH值的增加量子产率和富集在注射期间的样本。对于BSA和色氨酸，至少4个线性动态范围或5个数量级。该激光也可以分析血红蛋白（血红蛋白），在单人红细胞上注射和单细胞的裂解在缓冲器接触的溶液，血红蛋白四聚体解离在毛细管内，它们各自的肽链可以分离和检测。成本相对较低，结构紧凑，脉冲的KrF激光器（248 nm），也可在用于蛋白质分析。蛋白质氨基酸之间以肽键的形式（—CO—NH—）连接起来的，一般把分子量大于10 000的多肽叫作蛋白质。蛋白质常用280 nm吸收监控，通常由芳香氨基酸提供。蛋白质分离分析通常包括：蛋白的鉴定分析、蛋白质结构分析、蛋白质定量测定和蛋白质微量制备。常用方法有：高效液相色谱（High Efficiency Liquid ChromatographV，HPLC）、凝胶电泳、经典定量测定（如微量凯氏定氮法、双缩脲法，Folin-酚试剂法、紫外吸收法、染料结合比色法）、氨基酸分析、免疫分析、特殊活性检测及质谱分析等。1988tgRose和Jorgenson首先实现了在毛细管电泳中的提取超低量的蛋白质和多肽，从此毛细管电泳展现了其在多肽、蛋白质、核苷酸分析以及DNA检测方面的优势。CE在分离生物大分子方面的优势使其在蛋白质分离分析中占据日益重要的地位。

2.1.2糖类的分析

糖的结构复杂、品类繁多，常与蛋白质、脂肪形成复杂的物质。糖类物质一般为电中性、亲水性强、一般没有吸收光的能力是CE在糖类分析中的难点。随着毛细管电泳技术不断进步，毛细管电泳已成为分析单糖、寡糖、糖肽、糖蛋白等糖类化合物的重要方法。在单糖分析中要选用pH>11的强碱性缓冲液，这种缓冲液使单糖去质子而带负电荷，用电泳分离的方法可以对糖类直接进行测量分析，然后用紫外法进行分析测量。用这种也方法需要用硼酸盐作为缓冲液，糖类于硼酸盐发生络合反应形成一种新的络合物，对新的络合物进行测量分析，然后通过紫外分析。简单糖的分析方法大多数是相对简单的。多糖可以在酸或酶的作用下可以转化为寡糖，对寡糖再进行测量分析。是糖肽的图谱糖类糖蛋白图谱的具体体现，所以生成糖肽的方法可以通过糖类在酶和酸的作用下分解而合成。由于pKa值的不同用CE进行分离，所以选用不同的缓冲液来改变pH变得才能用毛细管电泳进行分析，其检测也是基于蛋白质的检测。CE既可以分析食物中的糖脂，也可以用神经酰胺聚糖酶将糖脂酶解后进行分析。聚糖的结构中含有糖胺聚糖类糖基，这类糖基主要有透明质酸，硫酸软骨素，硫酸角质素和肝素等，大多数的糖类的结构中包含多个二糖单元，且这些单元结构多数是重复的，而且可用裂解酶降解成糖醛酸化酸性单糖，这些单糖既带电荷又有紫外吸收（232 nm），因此很适合用CE进行分析。此外在糖型的分析上CE也作出许多重要的成果。在糖的检测方面，紫外分析是最早用于CE进行糖类检测的，但它的灵敏度相对不高，检出限一般有10^-6mol数量级。用激光诱导荧光的方法对糖类进行分析测试，需要对被分析的样品进行柱前高效荧光标记，是检出结果在10^-9mol水平。在对分析检测系统进行改善时，也要改进与完善中性糖类的极性标记。这种极性标记物选用8-氨基-萘-1，3，6-三磺酸具有快速高效地对寡糖和多糖进行分离检测，且分辨率较高的特性。

用毛细管电泳法对糖类进行测量分析的过程中存在两个缺陷。一方面是大部分的糖类在解离过程中，解离的程度是非常微弱的，且糖类的亲水性非常强，这些因素直接导致了糖类分离难度的增大。另一方面体现在大部分糖类含有的紫外或荧光生色基团较少，这对分离出的糖类后续的检测增加了一定的难度。对于大多数的糖类的不带电性，采取一些化学方法可以解决这些问题。

如采用络合的方法（可用硼酸根、某些金属离子）、解离（强碱作用）、衍生等方法使该试样带上电荷。糖的检测问题也可以采用其他方法，所用试剂应该既可以吸收光能或发出光能又能产生电离现象。

2.2工业领域中对添加剂和残留药物的分析

2.2.1防腐剂与甜味剂

我们在化学分析与应用的时候应用CZE的方法可以用于分离以及检验测定浓果汁以及人造黄油当中所含有的山梨酸以及我们所熟知的苯甲酸的防腐剂的时候，我们所检测出的下限还是可以达到0.06μg/mL，在化学分析与应用的时候RSD所检出的范围还是继续可以达到0.9%～4%。

防腐剂的分离度可以被在CZE的电解缓冲液中加入的水溶性高分子从而得到改善。计算机可以有效控制pH不同分度的CZE系统也可以有效分离弱软饮料中甲苯酸钠和咖啡因等成分。

外国的学者Thompson等人在化学分析应用的时候还是可以利用化学分析的方法对MEKC也还是可同时对分离以及测出了无糖软饮以及苹果酱的山梨酸、苯甲酸和糖精的所具有其独特的特性。这项科学的研究还是充分的利用的说明在化学的分析应用中的MEKC中使用化学中常见的手性表面活性剂这样还是可以有效地改善上面我们说的防腐剂以及甜味剂有效地进行分离。

2.2.2合成色素

MEKC已用于分析农业食品中的各种色素的合成。在缓冲液中加入CD、脱氧胆酸盐和乙氰都可以改善分离的效果。Thompson和Trenerry用MEKC测定了糖果中的色素合成，Suzuki等用MEKC结合二级管阵列（Photo-Diode Array，PDA）作为检测器，分析了胭脂红等6种食用合成的色素，检测出的下限可低至1μg/mL，线性范围可以达到30μg/mL。

2.2.3农药和抗生素残留

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对于药物残存，人们都希望能够灵敏检测出来，同时，也希望有很高的回收率。汪雪雁等在试验过程中，用空白鸡肝为试材，采用高效毛细管电泳法，分别检测了鸡肝中3种喹诺酮类、两种磺胺类等合成抗菌剂残留兽药。试验结果令人满意，在一定的条件下，能够在几分钟的时间内将研究对象检测出来，并且能够回收残余物，且回收率高达85.39%。颜流水等则用猪肝为试材，采用毛细管电泳一质谱联用分离技术，分析了猪肝中的克伦特罗和沙丁胺醇，得出的结果为电泳分离时间小于6 min，检出限分别为0.4和0.3。随着生活质量的提高，人们对奶制品的需求更大，牛奶等奶制品中是否有兽药残余物很是关键。Blasco等人以牛奶为试验材料，采用毛细管电泳技术与其他检测技术联用的方法，测定了牛奶样品中多种兽药的残留物，结果令人满意，回收率均在78%，RSD%<15%。付石军等综述了毛细管电泳技术在畜产品中抗生素、抗菌药物、激素及违禁药物等残留检测的应用现状。

蔬菜是人类食物中最主要的一部分，食物中农药成分的安全检测至关重要，它直接关系到人们生命健康。AnaJuan-Garcia等人进行了测定生活中在蔬菜中经常使用的五种农药的试验，采用了Staching-RM-MEKC技术，试验效果良好，数据令人满意，检测限为0.002～0.03μg/mL。赵涛等人以葡萄酒为试材，采用分子印迹固相萃取与毛细管电泳联用检测的方法，对酒中敌百虫进行了检测。在试验过程中，他们使用具有选择性富集吸附功能的材料将敌百虫吸附，然后用一定比例配置的甲醇/冰乙酸洗脱，再用氮气将其吹进配置好的双蒸水溶液让它溶解。所得数据令人满意，为了减小误差，提高准确率，他们连续重复了5次试验，相对标准偏差也在可接受范围内；同时他们又对两种进口葡萄酒进行了回收试验，回收率为80.3%～96.2%。齐海静等人在试验过程中，以水产品为试验材料，采用毛细管电泳技术，在加速溶剂萃取时，测定了水产品中磺胺类药物，同时也测定了代谢物残留。由于他们优化了试验的萃取和电泳条件，使得能够在6分钟之内将8种物质实现基线分离，从灵敏度、回收率等各方面大大改进了试验的效率，已经用于水产品中磺胺类药物在最高残留水平（Maximum Residual Level，MRL）上的常规检测。孙伯琳等人将电极进行了介孔碳材料CMK-3的修饰，并将新制的电极首次用于毛细管胶束电泳—安培检测方法中，并分析测定农产品中的对硫磷及其代谢产物对氧磷、对硝基苯酚的残留。新制电极具有比未修饰的电极更大的比表面积、良好的性质，因此它的灵敏度、选择性更高，对3种待检测物质的响应灵敏度更强，而且方法检测稳定，方法可靠，结果令人满意。

3结语

综上所述，因为毛细管电泳技术的分离效率高，快速的检测技术、使用简便和更广泛的应用等特点，使得CE的技术在工业领域中的地位逐渐上升，目前其在检测方法领域中已经占有了重要的地位。当前已经有很多文献综述了CE在这方面的应用，从不同的角度肯定了毛细管电泳技术的功能。任何方法都有其局限性，传统毛细管电泳液不免有其局限性，如果电压过高时，会使电解质流动时产生热量，进而使电解质本身粘度和速度梯度发生变化，进而使传统毛细管电泳发生误差，效率降低。但是高效毛细管电泳有效地解决了这一问题，高效毛细管电泳使用了效率极高的毛细管，操作更加简单，分离速度更快，高效毛细管电泳法又有样品使用率低、反应速度快、灵敏度高等优点，降低了试验成本，高效毛细管技术已日趋成熟。自20世纪80年代以来，毛细管电泳得到了快速发展，在临床应用和科学研究方面都取得了突破，国外在进行试验的同时，国内高效毛细管试验方面也在迅猛发展。随着研究的进行，高效毛细管电泳在众多领域得到重大应用将成為可能。