介孔涂层毛细管电泳技术及应用研究

　　摘要:论述了毛细管电泳法的优点及在分离等众多领域的应用前景。阐述了毛细管电泳技术的分离模式、分离原理、联用技术及涂层技术。着重介绍了毛细管电泳介孔材料涂层技术的原理及应用，如涂层技术在毛细管电泳法分析过程中的研究及发展，在药物拆分、环境监测、临床检测等领域应用等。

　　关键词:毛细管电泳法,涂层技术,介孔材料,应用

　　毛细管电泳法是现今热门的色谱分析技术之一，由于具有进样少、无污染、分离效果好、灵敏度高、操作简单等特点，得到各领域专家的广泛关注，毛细管电泳技术也因此得到快速发展。按照分离模式、分离原理、联用技术及涂层技术的不同，可将毛细管电泳法进行不同的分类[1]。这些技术的进步大大促进了毛细管电泳技术发展及应用。

　　与此密切相关的涂层技术更是得到快速发展，尤其是介孔材料涂层技术的研究，在手性药物的拆分等领域取得令人惊喜的成绩。与此同时，毛细管电泳技术的分离及拆分机理也得到发展，让毛细管电泳技术更加有理有据，进而促进毛细管电泳法的快速发展。同时，也拓宽了介孔材料的应用范围。介孔材料的粒子孔径在2nm～50nm之间，由于孔径小、分散度高、比表面积大等优点，可以很好地吸附在毛细管内壁，改善毛细管的结构，实现毛细管电泳技术对多种物质的分离。由于毛细管电泳涂层技术的发展进一步带动其在各领域的应用。

　　目前，毛细管电泳技术比较热门的应用领域主要有食品营养与安全、临床样本检测、药物分析、生命科学研究、环境监测等。随着毛细管电泳技术的发展与机理的深入研究，相信毛细管电泳法会有更宽广的发展及应用前景。

　　1毛细管电泳法的分离原理

　　毛细管电泳法仪器的分离通道是毛细管柱，一般以石英或玻璃为原材料制成。因内壁的表面易形成硅羟基及硅氧负离子，在电场为驱动力的推动下，依据样品中各组分的淌度(单位电场强度下的迁移速度)或分配行为的差异而实现各组分分离[1]。

　　与一般色谱技术的主要区别在于其分离原理不是基于组分在流动相和固定相中分配系数不同，而是在电场作用下离子迁移速度的不同[1-2]。毛细管电泳仪的主要部件有直流高压电源、毛细管、电极和电极槽、冲洗进样系统、检测系统和数据处理系统等。

　　2毛细管电泳法的分离模式

　　目前，以毛细管电泳法为载体的分离分析方法有毛细管区带电泳(CZE)、毛细管凝胶电泳(CGE)、胶束电动毛细管色谱(MECC，MEKC)、毛细管等电聚焦(CIEE)、毛细管等速电泳(CITP)、毛细管电渗色谱(CEC)、非水毛细管电泳(NACE)、亲和毛细管电泳(ACE)、毛细管阵列电泳(CAE)、芯片式毛细管电泳(ChipCE)等[1]。采用不同的分离模式可以分离不同性质及不同结构的物质，这为毛细管电泳法的灵活应用奠定基础。

　　3毛细管电泳法的联用技术

　　样品试验前须进行预处理，预处理一般包括两个过程:样品的提取及待测液的配置。样品提取是通过分离萃取将样品的水溶性物质及水溶性物质分离，以待备用。样品待测液的配置主要是将提取液按检测器要求，配置成待测样品溶液，以供仪器分析与检测。样品中有效成分的测定即样品分析技术，在仪器分析中，需分三个步骤:一是分离，二是检测，三是鉴定。分离方法常见的主要是色谱法，包括气相色谱法及液相色谱法。

　　另外，还有近三十年发展起来的毛细管电泳法等。而检测及鉴定仪器，从原理上看，主要包括光学及电学检测仪器。常用的光学仪器有质谱(一般质谱、时间飞行质谱)、光谱(红外光谱、紫外、荧光)、核磁共振。电学仪器主要有毛细管电泳-电化学检测法(CEED)、毛细管电泳高频电导法(CE-HFCD)等电化学(EC)检测器。若想在一次试验中就实现对样品的分离、检测及鉴定，则需将分离仪器与检验仪器联起来用。

　　这样就产生了一系列联用的原理及连用技术，进而促进了一批联用仪器的发展。目前，最常用的则是气相色谱和质谱联用仪(GC/MS)、液相色谱和质谱联用仪(LC/MS)、毛细管电泳和质谱联用仪(CE/MS)以及核磁共振(NMR)等[2]。合适的分析方法，可以提高仪器和技术的检测速度、选择性和灵敏度，最终，可以确定检测样品的最优实验方法。

　　毛细管电泳技术是20世纪80年代发展起来的新型物理分析分离技术，具有高效、稳定、高灵敏的优点，可以对超微量样品进行定性定量分析。在天然产物化学分析、药品含量检测、食品工业监测等研究方面有着广泛的应用前景，在广大的分析分离领域中都具有巨大的发展潜力。CE与各种检测技术联用，随着检测器的发展，毛细管电泳法的灵敏度会得到提高。这种技术有利于毛细管电泳法的自动化操作，为毛细管电泳技术的发展及应用提供更多的可能。

　　4毛细管电泳法的涂层技术

　　毛细管电泳分离仪器分离样品的容器为毛细管柱。通常，毛细管柱由石英玻璃制成，这种毛细管柱在分离带电粒子，特别是阳离子效果非常好。但在分离阴离子尤其是蛋白质等生物大分子应用方面遇到了瓶颈。由于石英毛细管柱的内壁有一层硅氧基，易吸附氢离子等阳离子形成双电层，在电场作用下使整个溶液向负极移动，一般按阳离子、中性粒子、阴离子的顺序先后移向负极。由于毛细管壁对离子的吸附，致使毛细管电泳法在中性粒子、生物大分子、手性粒子分离等领域的应用中受到了限制。为控制CE电渗流或防止电泳中的蛋白质吸附等问题，研究者们进行了深入的探索，并发现了一些解决办法，其中，用的是毛细管柱涂层法。

　　伴随着分析对象的日益广泛和分析要求的不断提高，涂层毛细管柱的重要性愈加突出，其类型也呈现出多样化的特点。根据其作用特点，涂层毛细管柱可大致分为非手性涂层柱和手性涂层柱。根据涂层材料的不同，可将涂层柱分为:纳米粒子[3]、聚合物[4]、离子液体[5-8]、有机金属骨架[9-10]、生物大分子[10]、功能性试剂涂层[11]及其他物质[12-13]等。

　　这些涂层材料在用毛细管电泳仪分离、检测及鉴定技术中起到突破瓶颈的核心作用。介孔涂层材料的比表面积大、吸附性能好。特别适合用作毛细管壁涂层材料，改善毛细管壁的吸附性。根据样品的性质，结合涂层材料的特点，新型毛细管涂层柱用于不同的领域，已然成为毛细管涂层柱的研究一个热门方向。

　　5涂层毛细管电泳技术应用

　　涂层毛细管电泳技术的发展，特别是介孔涂层材料与毛细管柱的结合，有效地改善了毛细管壁对被分析物的吸附。因此，涂层后的毛细管电泳分离技术渗透到很多应用领域。如:中药成分的检测与分离分析，氨基酸、多肽、蛋白质等生物大分子的分离与测定，食品营养成分、添加剂、微生物含量等的检测，手性药物对映体的分离与分析及水样中污染物的检测等，并都取得了显著的分离与检测效果，促进了这些领域的发展。

　　5.1中药成分的检测与分析

　　每种中药材多含有黄酮类、生物碱类、苷类等有效成分，但中药中这些成分多且含量少，一般的分离分析方法很难实现对中药成分的有效分离及测定。毛细管电泳法因具有多种优势，在此领域应用中，取得非常好的成绩，建立了分离中草药的新方法。中药有很多种类，而且不同种类的中药有效成分不同。相同种类的中药生长在不同的地区主要成分及含量也不同。再加上中药成分非常多，因此中药的检测很困难。毛细管电泳法在这方面的发展前景很大，如于虹敏等[14]利用毛细管电泳技术检测了抑肽酶及其增加的中药成分。

　　毛细管电泳法测定人参皂苷的含量[15-16]、CE法测定草药三七中三七素的含量[17]、何首乌中药中各种有效成分的分析与检测[18]等。陈琴华等[19]采用不同的毛细管电泳分离模式(MEKC、CZE、CEC等)对中药中黄酮类物质实现了分离及检测。南葶苈子与车前子相似，可以用高效毛细管电泳法实现二者的鉴别与分离[20]。

　　5.2氨基酸、多肽、蛋白质等生物大分子的分离与测定

　　生物大分子一般结构多种多样，相对分子质量高的特点，易与检测仪器相互作用，影响检查效果。因此在鉴别与分析时比较困难。由于毛细管电泳法与涂层技术的结合，可以控制和改变蛋白质在毛细管中的速度和迁移方向，因此，在分离分析多肽、蛋白质、核酸等生物大分子的分离效果比其它方法好很多，而且成本低、操作快速简单。蛋白质等生物大分子的分离很困难，因为其稳定性差、对外界条件非常敏感，易变性失活。

　　常用的分离技术都存在各种各样的不足。因此，毛细管电泳法在分离及检测蛋白质[21]等生物大分子方面显示较大的优势。如Ma[21]等研究出可用于日常检测的分析利妥昔单抗的毛细管电泳法。Zakaria等[22]利用毛细管电泳涂层技术实现了对苯丙氨酸、酪氨酸和色氨酸三种氨基酸的分离。Schulze等[23]利用毛细管电泳法快速地分离了氨基酸衍生物及天然蛋白质。宋珑等[24]利用毛细管电泳技术检测到尿液中的尿液蛋白并将其提取出来。丁晓静等[25]利用毛细管电泳法建立了分析α-乳白蛋白、β-乳球蛋白A及β-乳球蛋白B的方法。可预见，毛细管电泳法在这一领域将有更深入的发展和应用。

　　5.3食品营养成分、添加剂、药物残留等含量的检测

　　食品中的营养成分及其他成分多种多样。有些商家为牟取暴利，会在食品种植、生产、加工过程中使用违禁药品或过量使用药品及添加剂。为保障食品的安全，必须采用简单有效的检测方法。食品的组成复杂多变，许多营养物质和有害物质的检测给传统的检测方法带来了很大的挑战。由于涂层材料的种类很多，介孔涂层材料对不同物质的吸附性可通过改变材料的微观结构来控制，且毛细管电泳法(CE)具有多种分析模式和检测方法，可以满足对食品检测的要求。

　　因此研究者们开始试着将毛细管电泳技术应用在食品检测从而取得了较好的结果，为食品检测开辟了一条新的途径。食用油的各种营养及添加成分就可以用区带毛细管电泳(CZE)法来检测[26]。非法添加非食品添加剂或过量添加食品添加剂都会危害使用者的健康。如苏丹红[27-28]、瘦肉精[29-30]、孔雀石绿[31]、三聚氰胺[32]和皮革水解物[33]等化合物引起的食品质量问题。食品中的药物残留也可以用毛细管电泳法监控。另外毛细管电泳法还可以检测食品中重金属离子[34]、细菌等微生物的含量[35]。

　　5.4水样中污染物的检测

　　随着工业的迅速崛起，环境污染问题也伴随而来，引起人们的特别关注。由于受污染的水中含有各种化合物，用于检测分析的方法有很多。但在检测速度、灵敏度、样品处理等方面有很多不足之处。毛细管电泳(CE)检测技术及介孔涂层材料的吸附性能恰好可以弥补这些不足。徐银娣等[36]利用HPCE同时分离水样和印染废水中的3，5-二硝基苯甲酸、对硝基苯甲酸、对硝基苯酚等硝基苯化合物，并确定了最优条件。结果快速准确，可用于实际印染废水中的硝基苯类化合物的分离测定。彭振磊等[37]利用毛细管电泳法3min内就对柠檬酸完成了分析，且分离效果很好。

　　6展望

　　毛细管电泳法至上个世纪八十年代以来，发展迅速，分离优势很多。首先，具有样品处理及操作简单、进样量少、分离效率高、环保、成本低等优点。其次，分离模式多，可以与多种检测器联用。因此可根据不同的分离要求灵活地分离检测不同的物质。另外，由于涂层技术的引入，特别是介孔材料的应用，显著改善了毛细管壁的吸附缺陷，使毛细管电泳技术的发展得到极大推动力[38]。目前，广泛地应用在药物检测及分离，氨基酸、多肽、蛋白质等生物大分子的分离与测定，食品检测及水样中污染物的检测等领域[39]。

　　作为发展时间不长的新型分离技术，毛细管电泳法仍存在很多问题。如重现性有待进一步提高、稳定性还需改进、检测范围有限等。而且与其他检测技术联用方面及涂层材料的稳定性等方面还存在许多技术问题。但这些恰恰说明毛细管电泳法的发展空间很大。解决这些问题也将成为毛细管电泳法的热门方向，为毛细管电泳的发展及应用指明了新的道路，为分离及检测技术注入新的研究动力。

　　参考文献

　　[1]曹卫荣，张世光，王晓蜻，等.毛细管电泳技术在蛋白质生物制品分析中的应用研究进展[J].化学与生物工程，2012，9(6):20-23.

　　[2]徐祥云，彭君，何志坤.浅谈毛细管电泳的基本原理及相关技术[J].宁夏农林科技，2012，53(11):91-92，95.

　　[3]ChenJI，HsiehKH.Nanochitosancrosslinkedwithpolyacrylamideasthechiralstationaryphaseforopen-tubularcapillaryelectrochromatography[J].Electrophoresis，2011，32:398-407.

　　[4]周圣强.纳米磁性粒子研究现状及进展[J].宿州教育学院学报，2010，13(6):118-120.

　　[5]VaherM，KoelM，KaljurandM.Ionicliquidsaselectrolytesfornonaqueouscapillaryelectrophoresis[J].Electrophoresis，2002，23(3):426.

　　[6]QinWD，WeiHP，LiSFY.Separationofionicliquidcationsandrelatedimidazolederivativesbya-cyclodextrinmodifiedcapillaryzoneelectrophoresis[J].Analyst，2002，127:490-493.

　　相关期刊推荐：《宁夏农林科技》是宁夏农林科学院主办的综合性农业科技期刊，2011年由双月刊正式改版为月刊，现为中文科技期刊数据库收录期刊;《中国学术期刊(光盘版)》收录期刊;中国学术期刊综合评价数据库统计院期刊;《中国核心期刊遴选数据库》统计源期刊。