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毛细管电泳技术发展历程

2018.4.03

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。

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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。

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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。

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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。

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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。

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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。

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(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。