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移动界面电泳

/moving boundary electrophoresis; MBE/
条目作者曹成喜

曹成喜

最后更新 2024-12-13
浏览 220
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由前导和尾随电解质形成的移动界面系统,在该系统中各种离子按照迁移速度依次分离并形成分离区带,达到稳态时所有分离区带以相同速度迁移的电泳。又称置换电泳(displacement electrophoresis)、等速电泳(isotachophoresis)、移动界面法(moving boundary method; MBM)。

英文名称
moving boundary electrophoresis; MBE
又称
置换电泳、等速电泳、移动界面法
所属学科
化学

移动界面电泳的分离原理是待分析物放置在前导电解质和尾随电解质之间,在电泳达到稳态后n种不同淌度,待分析物在前导离子和尾随离子之间按照各自淌度大小依次分离,形成包括前导离子和尾随离子在内的个移动区带(是不同淌度待测分析物的数量)和1个静止区带,形成个移动界面和1个静止浓度界面;并且所有的移动界面按照相同速度向阳极或阴极移动。基于此,移动界面电泳又称为等速电泳(isotachophoresis; ITP),见毛细管等速电泳

移动界面电泳示意图L、T、ETRx分别代表前导离子、尾随离子、电场强度、温度、电阻、x轴;A、B、C代表n种待分离的离子;+和–分别为阳极和阴极移动界面电泳示意图

1937年,A.蒂塞利乌斯发展了具有里程碑意义的置换电泳,并用于人类血清蛋白分离,因此获1948年诺贝尔化学奖。L.G.朗斯沃思于1953年实现了界面相对静止不动,观察到尾随电解液pH值的重要作用。1961年,E.A.凯莫科夫[注]等观察到在静态后被分离离子按淌度顺序性递减(见图)。移动界面电泳达到静态后,所有被分离的离子以相同的速度移动,即:

…(1)

式中为电场强度,为分析物淌度。因此,称为毛细管等速电泳。

检测器是移动界面电泳重要的部件之一,不同于其他检测器,其设计基础正是移动界面电泳的分离原理。方程(1)可进一步转化成方程(2):

…(2)

在方程(2)中,分别为区带电阻、电导和温度。方程(2)阐明在静态移动界面电泳中,电场强度、电阻和温度从前导离子到尾随离子呈梯形上升(见图),这是电导检测器和热检测器的理论基础。1964年,凯莫科夫等将热电偶方法引入移动界面电泳测定。1967年,W.普雷茨[注]等利用电场感应测定区带电场强度和离子浓度。1970年,L.阿林格[注]引进紫外检测器。1972年,Th.P.E.M.维赫根[注]进一步发展了电导检测器。至此,移动界面电泳在技术、方法和设备方面经历了近90年的发展历程,走向成熟并成为经典。

移动界面电泳在分析化学领域有广泛的应用。

在电解质溶液中,离子迁移数是很重要的概念,有着重要的应用,如利用迁移数,结合电解质溶液的当量电导,可以测定离子的当量电导和淌度。这些参数是分析化学中的基本参数。移动界面电泳是测定迁移数的基本方法之一,该方法简单快速,精确性高、重复性好,在有严重外在干扰时也能准确测定。

1964年,L.奥恩斯坦[注]B.J.戴维斯[注]分别将非连续性的聚丙烯酰胺凝胶电泳(DISC-PAGE)引入生物化学和生物医学。在进行凝胶电泳前,样品蛋白质被加到两种溶液的界面之间,其中一种溶液的阴离子迁移较慢,而另一种的阴离子迁移很快,在电场作用下,蛋白质在两种溶液的界面之间形成置换电泳富集。富集只需10分钟。之后蛋白质以区带电泳在分子筛凝胶中迁移。毛细管凝胶电泳已成为鉴定蛋白和核酸最为普遍的技术。

移动界面电泳已被用于毛细管电泳中样品的柱上预富集,富集原理与非连续性的聚丙烯酰胺凝胶电泳相同。1991~1993年,科学家首先在毛细管电泳中实现了ITP样品富集。此后,众多学者利用ITP浓缩蛋白质、人类白细胞介素、体液中阿片类物质,以及多种阳离子、阴离子化合物和弱酸、弱碱类药物等。

在浓度界面中,低电导溶液的电场强度高于高电导溶液的电场强度。因此,在低浓度相中,离子迁移较快;相反,迁移较慢。所以,当溶解在低浓度背景电解质中的样品加入毛细管后,在电场作用下,样品要以极快的速度向管中迁移,当达到高浓度的电解质时,由于低电场强度存在,样品离子迁移很慢,于是样品便得到富集。

1978年,科学家首次在电泳领域提出了场放大预富集(FAPC)思想。在毛细管电泳中使用的场放大预富集与电堆积原理相同。两者的区别在于,前者是在进行电动进样的同时伴随着电堆积效应,而后者是在完成进样后,再加以电场来实现电堆积。

移动界面电泳是经典的电泳技术,其基础理论和方法早已成熟,相关的动力学过程可以用计算机精确定量描述和模拟。即便如此,其应用开发方面仍有大量的研究值得探索,例如,低丰度核酸的选择性富集;低丰度蛋白选择性富集分离;低丰度代谢物的选择性富集;环境微量物质的在线富集毛细管电泳-质谱联用等。生物医药、环境科学和新材料的需求是经典的移动界面电泳发展的良机。

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