第二章毛細(xì)管電泳的理論基礎(chǔ)

第二章毛細(xì)管電泳的理論基礎(chǔ)第1頁(yè)，課件共27頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月對(duì)于給定的離子、介質(zhì)和溫度，遷移率是常數(shù)第2頁(yè)，課件共27頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月在穩(wěn)定的電泳狀態(tài)下電場(chǎng)力和摩擦力大小相等、方向相反，即：（2.5）將方程（2.5）中的v代入方程（2.1）得（2.6）方程（2.6）表明半徑小、電荷高的組分具有大的遷移率，而半徑大、電荷低的組分具有小的遷移率。在通常的物理參數(shù)表中查到的是無(wú)限稀釋完全電離條件下的電泳遷移率（絕對(duì)遷移率），實(shí)驗(yàn)中測(cè)得的遷移率稱為有效遷移率，與緩沖溶液組成、pH值等有關(guān)。第3頁(yè)，課件共27頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月§2.2電滲及電滲控制一.電滲

電滲是由于外加電場(chǎng)對(duì)管壁溶液雙電層的作用而產(chǎn)生的溶液的整體流動(dòng)，其大小與毛細(xì)管壁表面電荷有關(guān)。對(duì)石英毛細(xì)管，管壁表面帶負(fù)電，溶液中的對(duì)離子被吸附到表面附近，形成雙電層。當(dāng)在毛細(xì)管兩端加電壓時(shí)，雙電層中的陽(yáng)離子向陰極移動(dòng)，由于離子是溶劑化的，所以帶動(dòng)了毛細(xì)管中整體溶液向陰極移動(dòng)。第4頁(yè)，課件共27頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月在pH大于3時(shí)，電滲不可忽視。電滲在各種電泳模式中均存在，但在CE中由于采用了細(xì)內(nèi)徑的毛細(xì)管，毛細(xì)管的表面積比較大，且使用高電場(chǎng)，因此電滲顯得特別重要。電滲的大小用電滲速度或電滲遷移率表示：在毛細(xì)管中電滲流的一個(gè)重要特性是平流型的。電滲速度的徑向分布如圖：第5頁(yè)，課件共27頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月051015201.0

0.80.6

0.40.20X(nm)veo(X):離管壁距離為X(nm)時(shí)的電滲流電滲的另一個(gè)特點(diǎn)可以使幾乎所有的組分不管電荷大小，以同樣的方向移動(dòng)。組分在毛細(xì)管中流出時(shí)間取決于電滲速度和組分遷移速度的矢量和。一般情況下，電滲方向從陽(yáng)極到陰極,且電滲速度一般大于電泳速度，所以陰離子也在陰極流出。因此，陽(yáng)離子、陰離子、中性分子能夠同時(shí)分析。第6頁(yè)，課件共27頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月圖中：陽(yáng)離子移動(dòng)速度=電滲流速度+陽(yáng)離子電泳速率中性分子移動(dòng)速度=電滲流速度陰離子移動(dòng)速度=電滲流速度—陰離子電泳速率所以：移動(dòng)速率陽(yáng)離子>中性分子>陰離子但對(duì)于小離子（鈉、鉀、氯）分析，組分電泳速率一般大于電滲速率。另外，毛細(xì)管壁電荷的改性會(huì)使電滲發(fā)生變化，在這些情況下，陽(yáng)離子和陰離子可能向不同的方向移動(dòng)。電滲是溶液整體的流動(dòng)，它不能改變分離的選擇性。

第7頁(yè)，課件共27頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月二.電滲的控制電滲是毛細(xì)管電泳中的基本操作要素，為了優(yōu)化分離，往往需要控制電滲流。電滲流的控制方法方法結(jié)果說(shuō)明電場(chǎng)強(qiáng)度正比于電滲.電場(chǎng)強(qiáng)度降低分離效率和分辨率的降低.電場(chǎng)強(qiáng)度增加，焦耳熱增加緩沖溶液pH值pH降低，電滲降低pH降低，電滲增加.改變電滲最方便有用的方法.可能會(huì)引起溶質(zhì)組分電荷和結(jié)構(gòu)的改變離子強(qiáng)度或緩沖溶液濃度離子強(qiáng)度增加，Zeta電位降低，電滲降低.離子強(qiáng)度增加，電流和焦耳熱增加.低離子強(qiáng)度可能存在樣品的吸附問(wèn)題.導(dǎo)電性與樣品不同可能引起峰形畸變.離子強(qiáng)度低，樣品裝載量小溫度溫度改變1℃，黏度變化約2%--3%.溫度由儀器自動(dòng)控制，常用方法有機(jī)改性劑改變Zeta電位和黏度（降低電滲）.變化復(fù)雜，其影響宜通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)定.可能改變選擇性第8頁(yè)，課件共27頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月表面活性劑改變蔬水性或通過(guò)離子相互作用吸附在毛細(xì)管壁上.陰離子表面活性劑使電滲流增加.陽(yáng)離子表面活性劑使電滲降低或逆向會(huì)改變選擇性中性親水性聚合物通過(guò)蔬水性相互作用吸附在毛細(xì)管壁上.通過(guò)掩蓋表面電荷或增加黏度，降低電滲共價(jià)涂覆化學(xué)鍵和到毛細(xì)管壁上.可使用多種修飾劑.涂覆物的穩(wěn)定性存在問(wèn)題第9頁(yè)，課件共27頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月§2.3毛細(xì)管電泳原理一.分離原理毛細(xì)管電泳是基于溶質(zhì)在電場(chǎng)力的作用下，在裝有電泳介質(zhì)的毛細(xì)管中的遷移速度不同而進(jìn)行分離的。根據(jù)分離原理不同，可分為五種分離模式：

毛細(xì)管電泳模式分離機(jī)理自由溶液毛細(xì)管電泳(FSCE)根據(jù)組分的電泳遷移率不同毛細(xì)管膠束電動(dòng)色譜(MECC)根據(jù)組分在膠束相和水相的分配系數(shù)不同毛細(xì)管凝膠電泳(CGE)根據(jù)組分體積和電荷不同毛細(xì)管等電聚焦(CIEF)根據(jù)組分的等電點(diǎn)不同毛細(xì)管等速電泳(CITP)根據(jù)組分的遷移率不同，與FSCE不同的是，它使用兩種不同電介質(zhì)第10頁(yè)，課件共27頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月 前三種屬于區(qū)帶電泳，當(dāng)以緩沖溶液作為載體電解質(zhì)，即為FSCE;以膠束溶液作為載體電解質(zhì)，即為MECC;以凝膠作為載體電解質(zhì)，即為CGE.二.遷移時(shí)間和遷移率組分從進(jìn)樣點(diǎn)遷移到檢測(cè)點(diǎn)所需要的時(shí)間稱為遷移時(shí)間，等于移動(dòng)的距離除以速度。在電滲存在時(shí)，測(cè)得為表觀遷移率。 V—施加電壓l—毛細(xì)管有效長(zhǎng)度L—毛細(xì)管總長(zhǎng)t—遷移時(shí)間E—電場(chǎng)強(qiáng)度第11頁(yè)，課件共27頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月§2.4柱效和分辨率一.擴(kuò)散與理論板數(shù)兩個(gè)電泳區(qū)帶的分辨率與區(qū)帶寬度有關(guān)，而區(qū)帶寬度在很大程度上取決于擴(kuò)散過(guò)程。溶質(zhì)組分的區(qū)帶擴(kuò)展，是由于溶質(zhì)在介質(zhì)中的擴(kuò)散速度不同而引起的。

板高：在理想的條件下，在毛細(xì)管電泳中，溶質(zhì)區(qū)帶擴(kuò)展的唯一因素是縱向擴(kuò)展，因此，柱效只要與分子擴(kuò)散有關(guān)：D—溶質(zhì)的分子擴(kuò)散系數(shù)（2.11）（2.12）（2.13）（2.14）基線峰寬為W,對(duì)高斯峰：柱效，用理論板數(shù)N表示:第12頁(yè)，課件共27頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月方程（2.14）帶入方程（2.12）得：（2.16）式（2.16）表明：（1）高電場(chǎng)可使柱效增加（2）當(dāng)毛細(xì)管總長(zhǎng)與有效長(zhǎng)度接近時(shí)，柱效與柱長(zhǎng)幾乎 無(wú)關(guān)。（3）大分子由于分子擴(kuò)散系數(shù)小，在同樣條件下其柱效 比小分子大。實(shí)際理論板數(shù)可直接從電泳圖測(cè)得：第13頁(yè)，課件共27頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月二.分辨率 分辨率：（2.18）毛細(xì)管電泳的分離主要是由于高柱效而不是高選擇性。兩個(gè)組分的分辨率也可以用柱效表示：

（2.19）將方程（2.16）代入（2.19）并用表觀遷移率代替第14頁(yè)，課件共27頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月（2.20）當(dāng)數(shù)值相等，方向相反時(shí)，可得無(wú)限大的分辨率，但分析時(shí)間接近無(wú)限?！?.5焦耳熱和電場(chǎng)強(qiáng)度優(yōu)化一.焦耳熱和溫度梯度焦耳熱會(huì)引起溫度和黏度的變化，從而引起區(qū)帶的擴(kuò)展。 柱效和分辯率要求使用高電場(chǎng)，但焦耳熱的產(chǎn)生使高電場(chǎng)使用受到限制。焦耳熱大小取決于功率、毛細(xì)管尺寸、緩沖溶液電導(dǎo)率及 電壓等有關(guān)。溫度的升高除可能破壞樣品外，對(duì)分離不會(huì)引起不利，但溫度梯度對(duì)分離不利。熱從毛細(xì)管壁擴(kuò)散，因此毛細(xì)管中心的溫度高于毛細(xì)管壁的溫度。第15頁(yè)，課件共27頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月溫度梯度一方面可能導(dǎo)致密度梯度，產(chǎn)生自然對(duì)流，而對(duì)流會(huì)使已分離的樣品區(qū)帶重新混合，使柱效降低；另一方面會(huì)引起緩沖溶液黏度的變化，從而引起電泳遷移率的變化，導(dǎo)致區(qū)帶擴(kuò)展。毛細(xì)管內(nèi)溫度曲線方程為：（2.21）由式（2.21）可知毛細(xì)管中心的溫度（2.22）第16頁(yè)，課件共27頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月如果要計(jì)算毛細(xì)管中心到周?chē)h(huán)境的總溫度差，不僅要考慮毛細(xì)管的內(nèi)徑，還與毛細(xì)管壁厚、聚酰亞胺厚度、環(huán)境的熱轉(zhuǎn)移系數(shù)等有關(guān)?？倻夭顬椋海?.23）在大部分情況下，毛細(xì)管外壁與環(huán)境之間的熱阻一般比其他熱阻大的多，總溫差主要取決于（2.23）的最后項(xiàng)，即：（2.24）第17頁(yè)，課件共27頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月二、溫度梯度曲線引起的方差

焦耳熱將導(dǎo)致毛細(xì)管內(nèi)拋物線型的溫度曲線，而電泳遷移率受溫度影響很大，拋物線型的溫度曲線將引起毛細(xì)管內(nèi)拋物線型的速度曲線。由于拋物線型的溫度曲線，溶質(zhì)在毛細(xì)管中心的速率大于接近管壁的速率，因此，如果溶質(zhì)初始濃度在毛細(xì)管橫截面上是線形分布，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后，毛細(xì)管中間的溶質(zhì)比邊上的溶質(zhì)移動(dòng)的快，單由于徑向擴(kuò)散作用，曲線頂部的溶質(zhì)向毛細(xì)管壁低濃度區(qū)擴(kuò)散，從而使由于拋物線型的速度曲線引起的擴(kuò)散降低。由于溫度曲線引起的拋物線型的速度曲線而導(dǎo)致的方差為：（2.25）（2.26）第18頁(yè)，課件共27頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月三、焦耳熱和溫度梯度的控制過(guò)熱的產(chǎn)生和可能存在的溫度梯度表現(xiàn)在柱效隨電壓的升高而降低；電滲或溶質(zhì)的遷移率隨電壓的增加而不成比例的增加；電流與電壓不成線性關(guān)系等。限制焦耳熱和溫度梯度的方法方法作用降低電場(chǎng)強(qiáng)度熱量成比例降低降低柱效和分辨率減少毛細(xì)管內(nèi)徑電流大大降低降低靈敏度可能引起樣品吸附的增加減少緩沖溶液離子強(qiáng)度或濃度電流成比例的降低可能引起樣品吸附的增加溫度控制恒溫并有效的轉(zhuǎn)移毛細(xì)管中熱量第19頁(yè)，課件共27頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月四、電場(chǎng)強(qiáng)度的優(yōu)化

為最小值時(shí)，E為最佳電場(chǎng)強(qiáng)度。最佳電場(chǎng)強(qiáng)度為：（2.27）第20頁(yè)，課件共27頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月§2.6影響柱效的其他因素一、影響柱效的因素原因說(shuō)明縱向分子擴(kuò)散影響柱效的基本因素?cái)U(kuò)散系數(shù)小的分子有窄的區(qū)帶焦耳熱產(chǎn)生溫度梯度，或造成拋物線流型進(jìn)樣區(qū)帶長(zhǎng)度進(jìn)樣長(zhǎng)度應(yīng)小于擴(kuò)散控制區(qū)帶長(zhǎng)度檢測(cè)限要求進(jìn)樣長(zhǎng)度大于理想進(jìn)樣長(zhǎng)度樣品吸附樣品與毛細(xì)管壁的作用常會(huì)引起拖尾峰樣品與緩沖溶液導(dǎo)電性不匹配樣品導(dǎo)電性大于緩沖溶液：前伸峰樣品導(dǎo)電性低于緩沖溶液：拖尾峰緩沖溶液液面不在同一平面由于虹吸作用，使毛細(xì)管中的緩沖溶液產(chǎn)生層流流型檢測(cè)器體積應(yīng)小于峰寬，對(duì)在柱UN檢測(cè)，池體積很小第21頁(yè)，課件共27頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月方程（2.14）所定義的方差是假使只有分子擴(kuò)散導(dǎo)出的?？偡讲顬椋菏街心_標(biāo)分別為：擴(kuò)散、進(jìn)樣、溫度梯度、吸附、檢測(cè)、電擴(kuò)散。二、進(jìn)樣區(qū)帶寬度假設(shè)樣品溶液一矩形塞進(jìn)入毛細(xì)管，由于進(jìn)樣而引起的方差為：但在一般情況下樣品直接進(jìn)入毛細(xì)管，對(duì)靜力學(xué)進(jìn)樣：（2.29）（2.30）第22頁(yè)，課件共27頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月對(duì)于電動(dòng)力學(xué)進(jìn)樣引起的方差為：三、溶質(zhì)—毛細(xì)管壁相互作用石英毛細(xì)管壁的吸附主要原因是陽(yáng)離子溶質(zhì)和帶負(fù)電的管壁的靜電作用和疏水基的相互作用。大的表面積與體積比對(duì)散熱有利，單同時(shí)增加了吸附的可能性。由于吸附而引起的方差為：（2.32）第23頁(yè)，課件共27頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月方程（2.32）同時(shí)考慮了軸向擴(kuò)散和吸附脫附動(dòng)力學(xué)，方差與溶質(zhì)—毛細(xì)管壁相互作用容量因子關(guān)系很大。有許多方法可以減少溶質(zhì)與毛細(xì)管壁的相互作用：(1)增加緩沖溶液的濃度，通過(guò)降低表面有效電荷減少相互作用，但，高離子強(qiáng)度也可以使電滲降低，從而增加溶質(zhì)在毛細(xì)管中的停留時(shí)間，并且增加緩沖溶液濃度因同時(shí)增加了電流和焦耳熱而受到限制?？蛇x用兩性離子緩沖溶液體系。(2)限制吸附的另一個(gè)方法是采用極端的pH.(3)毛細(xì)管涂附也是降低溶質(zhì)吸附的有效方法，它是通過(guò)降低相互作用自由能而實(shí)現(xiàn)的。第24頁(yè)，課件共27頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月四、電擴(kuò)散作用由于樣品區(qū)帶和緩沖溶液導(dǎo)電性之間的差別引起的區(qū)帶擴(kuò)展稱為電擴(kuò)散。電擴(kuò)散主要有以下三個(gè)影響：（1）不對(duì)稱峰形（2）溶質(zhì)的濃縮聚焦（樣品的導(dǎo)電性較低）或擴(kuò)散（樣品的 導(dǎo)電性較高）（3）由于某種離子過(guò)量引起暫時(shí)的等速電泳狀態(tài)當(dāng)溶質(zhì)區(qū)帶比緩沖溶液有更高的遷移率時(shí)，溶質(zhì)區(qū)帶的前沿將是擴(kuò)展的，后沿將是尖銳的。相反，當(dāng)溶質(zhì)區(qū)帶遷移率比緩沖溶液更小時(shí)，溶質(zhì)區(qū)帶的前沿將是尖銳的，后沿將是擴(kuò)展的。當(dāng)樣品的導(dǎo)電性和緩沖溶液導(dǎo)電性相等時(shí)，峰行不會(huì)畸變。樣品區(qū)帶樣品區(qū)帶樣品區(qū)帶(a)(b)(c)第25頁(yè)，課件共27頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月 (a)樣品導(dǎo)電性大于緩沖溶液 (b)樣品導(dǎo)電性等于緩沖溶液 (c)樣品導(dǎo)電性小于緩沖溶液這類峰形的畸化是由于導(dǎo)電性的差別引起的，在每個(gè)區(qū)帶的電場(chǎng)強(qiáng)度不同。當(dāng)溶質(zhì)區(qū)帶比緩沖溶液具有更高的電導(dǎo)時(shí)，區(qū)帶的電場(chǎng)強(qiáng)度比在緩沖溶液中的低。溶質(zhì)區(qū)帶的前沿向遷移方向擴(kuò)散，當(dāng)進(jìn)入緩沖溶液時(shí)，遇到更高的電場(chǎng)強(qiáng)度，引起溶質(zhì)離開(kāi)區(qū)帶而向更遠(yuǎn)處遷移，形成前伸區(qū)帶。而當(dāng)從峰后沿?cái)U(kuò)散到緩沖溶液區(qū)帶時(shí)，