毛细管电泳(Capillary Electrophoresis,CE),又称高效毛细管电泳,是一类以毛细管为分离通道、高压直流电场为驱动力的新型液相分离分析技术 (Fig.1)。自20世纪90年代以来,该技术迅速被各种标准 (包括中国药典、国标、美国药典,甚至是欧洲标准) 所收录,成为现代分析科学中继高效液相色谱 (High PerformanceLiquid Chromatography, HPLC) 之后的又一重大进展。
Fig. 1 毛细管电泳示意图
早在1807年,俄国莫斯科大学的斐迪南·弗雷德里克·罗伊斯(Ferdinand Frederic Reuss) 在湿粘土中插上带玻璃管的正负两个电极,施加电压后发现正极玻璃管中原有的水层变混浊,即带负电荷的粘土颗粒向正极移动引起,首次发现了电泳现象,并命名为 cataphoresis。这些早期发现引起了物理化学家的兴趣,他们开发了一些实验装置 (如Fig. 2所示) 来演示这些现象。
Fig. 2 cataphoresis实验装置
一个世纪之后,1909年,Michaelis (好像是那位发明米氏方程的德国大牛)提出将“cataphoresis”更名为“electrophoresis”。因为在希腊语中,“electron”有“amber”或者“electric”的意思,“phore”有“bearer”之意,中文翻译为电的搬运工,即“电泳”。他还给出了电泳的定义:胶体离子在电场中的移动。
1937年,瑞典Uppsala大学的大牛--赛利乌斯 (Arne Tiselius)(Fig. 3a) 对Fig.2的演示装置进行了改进,发明了Tiselius电泳仪 (Fig. 3b),并首次从人血清混合液中分离出白蛋白和α、β、γ球蛋白 (Fig. 3c),这使得电泳作为分离分析技术有了突破性的进展,开创了电泳技术的新纪元。鉴于Tiselius在电泳技术的发展和应用方面所做的开拓性贡献,在1948年被授予诺贝尔化学奖。
Fig. (3a) Arne Tiselius. (3b) Tiselius electrophoresisapparatus (3c) Electrophoretic analysis of blood serum.
1948年,Wieland和Fischer在前人研究的基础上,发展了以滤纸作为支持介质的电泳 (Paper Electrophoresis) 来取代复杂的Tiselius电泳,纸质电泳一度成为氨基酸等带电性化合物的主流分离分析方法。1950年,Durrum扩大了纸质电泳的应用范围,将其用于蛋白质类生物大分子的分离研究(Fig.4) 。同时,他们又开创了利用各种固体物质(醋酸纤维膜、琼脂凝胶、淀粉凝胶等)作为支持介质的电泳方法。1959年,Raymond和Weintraub利用人工合成的凝胶作为支持介质,创建了聚丙烯酰胺凝胶电泳 (PolyacrylamideGel Electrophoresis),极大地提高了电泳技术的分辨率。几十年中,聚丙烯酰胺凝胶电泳甚至是生物化学和分子生物学中对核酸、多肽、蛋白质等生物大分子使用最普遍,分辨率最高的分析鉴定技术。
Fig. 4 纸质电泳的血清蛋白分离图
但是上述传统的电泳技术还存在很多问题,例如在分离过程中,操作电压比较低(100-200 V),分离分析的速度慢;在检测过程中常使用显色剂,步骤繁琐等。为了提高分离速度,1968年,英国Locarte公司研制了可以在3英尺(约1米)滤纸上施加10 kV高电压的电泳仪 (Fig. 5),较高的电压可以解决分离速度的问题,但又衍生出焦耳热等新的问题,而且仪器体积比较大。
Fig. 5. Cover of a Locarte of London High voltageelectrophoresis catalogue of ca.1968.
1967年,瑞典科学家Hjerten创造性地提出毛细管区带电泳 (Capillary Zone Electrophoresis, CZE),他用一个3 mm内径的石英管代替滤纸进行电泳分离,这是现代最早的毛细管电泳,但操作麻烦,分离结果不尽人意。1979年,Mikkers从理论上研究了电场聚焦现象及其对分离区带扩展的影响,在200 μm内径的聚四氟乙烯管中实现了高效电泳的分离,这项研究真正成为电泳发展史上的第一个重大突破。1981年,Jorgenson和Lucacs用75μm内径的熔融石英毛细管(Fig. 6a),以电迁移方法进样,在30 kV的高压电下进行丹酰化氨基酸样品的电泳分离,用灵敏的荧光检测器获得了超过400,000理论塔板数/米的高效分离效果 (Fig. 6b) ,证明了毛细管电泳作为分析技术的潜力,成为高效毛细管电泳划时代的里程碑。由于毛细管内径小,表面积和体积的比值大,易于散热,大大减少焦耳热的产生,这是毛细管电泳与传统电泳技术的根本区别。
(a) ( b)
Fig. 6. (a) 熔融石英毛细管 (b) 丹酰化氨基酸分离
1984年,Terabe发展了胶束电动毛细管电泳 (Micellar Electrokinetic Capillary Electrophoresis, MEKC);1987年,Hjerten把传统的等电聚焦过程转移到毛细管内进行,建立了毛细管等电聚焦电泳(Capillary Isoelectric Focusing, CIEF);同年,Cohen发表了毛细管凝胶电泳 (CapillaryGel Electrophoresis, CGE) 的工作。从此以后,一系列的毛细管电泳技术相继出现。特别是1988年,美国Bio-Rad公司的第一台商品化毛细管电泳仪器(HPE-100型)的问世之后 ( Fig.7), 一系列商品化的仪器相继上市,使得毛细管电泳的研究在世界范围内掀起了热潮,促进了现代毛细管电泳技术和理论的迅猛发展。
Fig.7第一台商品化毛细管电泳仪器(HPE-100型)
目前,毛细管电泳在生命科学、生物制药、食品安全和环境保护等领域应用非常广泛,正成为分析科学上常规、有效的一种分离分析技术,每年全世界发表的文章数以千计, 国内外数十家厂家也积极投身于毛细管电泳相关仪器的研制和生产 (Fig. 8)。
(a) (b)
Fig.8(a) Agilent(7100型毛细管电泳系统) (b) Unimicro (qCE-3010型毛细管电泳系统)
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