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本文作者王雅杰女士，首都医科大学北京天坛医院实验诊断中心医师；张锟先生，北京市垂杨柳医院医师；审校，康熙雄先生，北京天坛医院实验诊断中心主任，教授。2004年2月24日收到。
关键词：毛细管电泳
毛细管电泳技术是一类以毛细管为分离通道、以高压直流电场为驱动力，根据样品中各组分之间迁移速度和分配行为上的差异而实现分离的一类液相分离技术，迅速发展于20世纪80年代中后期，它实际上包含电泳技术和色谱技术及其交叉内容，是分析科学中继高效液相色谱之后的又一重大进展，它使分析科学得以从微升水平进入纳升水平，并使细胞分析，乃至单分子分析成为可能。是近几年来分析化学中发展最为迅速的领域之一。
一 毛细管电泳的发展史
毛细管电泳是在电泳技术的基础上发展的一种分离技术，已有近百年的历史，但真正被视为一种在生物化学中有重要意义的技术，是由1937年A. Tiselius首先提出。传统电泳最大的局限是难以克服由高电压引起的焦耳热，1967年Hjerten最先提出在直径为3mm的毛细管中做自由溶液的区带电泳(Capillary Zone Electrophoresis，CZE)。但他没有完全克服传统电泳的弊端。现在所说的毛细管电泳技术(CE)是由Jorgenson和Lukacs在1981年首先提出，他们使用了75mm的毛细管柱，用荧光检测器对多种组分实现了分离。1984年Terabe将胶束引入毛细管电泳，开创了毛细管电泳的重要分支：胶束电动毛细管色谱(MEKC)。1987年Hjerten等把传统的等电聚焦过程转移到毛细管内进行。同年，Cohen发表了毛细管凝胶电泳的工作。近年来，将液相色谱的固定相引入毛细管电泳中，又发展了电色谱，扩大了电泳的应用范围。
二 毛细管电泳的优点
毛细管电泳技术兼有高压电泳及高效液相色谱等优点，其突出特点是：
(1)所需样品量少、仪器简单、操作简便；
(2)分析速度快，分离效率高，分辨率高，灵敏度高；
(3)操作模式多，开发分析方法容易；
(4)实验成本低、消耗少；
(5)应用范围极广。
毛细管电泳技术可检测多种样品，如血清、血浆、尿样、脑脊液、红细胞、体液或组织及其实验动物活体实验；且可分离分析多种组分，如核酸/核苷酸、蛋白质/多肽/氨基酸、糖类/糖蛋白、酶、碱氨基酸、微量元素、维生素、杀虫剂、染料、小的生物活性分子等的快速分析，以及DNA序列分析和DNA合成中产物纯度测定等，甚至可用于碱性药物分子及其代谢产物、无机及有机离子/有机酸、单细胞分析、药物与细胞的相互作用和病毒的分析，如在缓冲液中加入表面活性剂则可用于手性分离中性化合物。
三 毛细管电泳的分离检测模式
毛细管电泳技术的分离模式和检测模式的发展同样也是多方面的，经典的分离模式有毛细管区带电泳、毛细管胶束电动色谱、毛细管凝胶电泳等；新方法的发展研究难度大，但近年来却有不小的进展，其中建立新的分离模式和联用技术最为突出。比如建立了阵列毛细管电泳(CAE)，亲和毛细管电泳(ACE)，芯片毛细管电泳(CCE)，非水毛细管电泳技术(NACE)；本文作者尝试将分子信标技术与毛细管电泳技术相结合进行基因检测，取得较满意效果；国外已开始探索利用CE对PCR产物作DNA单链构象多态性(Single Strand Conformation Polymorphism，SSCP)分析筛查点突变。毛细管电泳技术发展迅速，是色谱最活跃的领域之一。毛细管电泳技术分离模式主要有以下几种。
1.毛细管区带电泳(Capillary Zone Electrophoresis，CZE)用以分析带电溶质。为了降低电渗流和吸附现象，可将毛细管内壁涂层。CZE是最基本也是最常见的一种操作模式，应用范围最广，可用于多种蛋白质、肽、氨基酸的分析。
2.胶束电动毛细管色谱(Micellar Electrokinetic Capillary Chromato-graphy，MECC)在缓冲液中加入离子型表面活性剂如十二烷基硫酸钠，形成胶束，被分离物质在水和胶束相(准固定相)之间发生分配并随电渗流在毛细管内迁移，达到分离。MECC是唯一一种既能用于中性物质的分离又能分离带电组分的CE模式。
3.毛细管凝胶电泳(Capillary Gel Electrophoresis，CGE)在毛细管中装入单体，引发聚合形成凝胶。CGE分凝胶和无胶筛分两类，主要用于DNA、RNA片段分离和测序、PCR产物分析及蛋白质等大分子化合物的检测。
4.亲和毛细管电泳，在毛细管内壁涂布或在凝胶中加入亲和配基，以亲和力的不同达到分离。可用于研究抗原—抗体或配体—受体等特异性相互作用。
5.毛细管电色谱(Capillary Elec-trochromatography)CEC是一种比较新颖的分离分析方法。它是将高效液相色谱(HPLC)的固定相填充到毛细管中，或在毛细管内壁涂布固定相，以电渗流为流动相驱动力的色谱过程。此模式兼具电泳和液相色谱的模式。电色谱包括填充柱电色谱(Packed Capillary Elec-trochromatography)、开管柱电色谱(Open Tubular Electrochromato-graphy)、薄层电色谱(Planar Elec-trochromatography)等多种形式，采用柱塞流(电渗流)来推动流动相，不仅克服了高效液相色谱中用压力驱动流体流速不均匀引起的峰扩展，而且柱内无压降，使得峰扩展只与溶质扩散系数有关，因而使毛细管电色谱的理论塔板数远远高于高效液相色谱，能达到接近于HPCE的高理论塔板数；同时由于引入了高效液相色谱的固定相，使毛细管电色谱具备了高效液相色谱固定相所具有的高选择性，使它不仅能分离带电物质，也能分离中性化合物。
6.毛细管等电聚焦电泳(Capillary IsoElectric Focusing，CIEF)是通过内壁涂层使电渗流减到最小，在两个电极槽分别装酸和碱，加高电压后，在毛细管内壁建立pH梯度，溶质在毛细管中迁移至各自的等电点，形成明显区带。聚焦后，用压力或改变检测器末端电极槽储液的pH值使溶质通过检测器。CIEF已经成功用于测定蛋白质等电点，分离异构体等方面。
7.毛细管等速电泳(Capillary Iso-TachoPhoresis，CITP)采用先导电解质和后继电解质，使溶质按其电泳淌度不同得以分离。
8.CE/MS联用，CE的高效分离与MS的高鉴定能力结合，成为微量生物样品，尤其是多肽、蛋白质分离分析的强有力工具。可提供分子量及结构信息，适于目标化合物分析或窄质量范围内扫描分析，如多环芳香碳氢化合物(PAH)、寡聚核苷酸分析等。
9.微型电泳仪(Micro Capillary Electrophoresis)：近年来受“整体化学分析系统”(Total chemical Analysis Systems，TAS)和TAS微型化(Minia-turation of the TAS，简称M-TAS)的影响，有些作者致力于毛细管电泳仪的微型化。这种微型化的电泳仪是在玻璃或硅片上光刻出矩形槽，用这种矩形槽组成一体化的毛细管电泳柱、进样系统和检测器。用这种微型化仪器加以高电压，可以对样品(如氨基酸)进行快速分离。制作微型化集成装置可以在玻璃、石英、硅片或塑料上进行。这种集成装置已经用于PCR扩增技术。
四 毛细管电泳检测仪
由于毛细管电泳技术的应用范围广泛，符合了以生物工程为代表的生命科学各领域中对多肽、蛋白质、核酸乃至脱氧核糖核酸(DNA)的分离分析要求，应研究需要。1989年出现了第一批商品毛细管电泳仪器，短短十几年内，CE正逐步成为各生命科学实验室中一种必备的分析仪器。
1. 基本设备
毛细管电泳的设备基本构成很简单，主要有：高压电源、毛细管、检测器、电解质溶液池、数据的记录和处理设备。毛细管电泳仪根据需要还可与其它设备联用。使用目前商品化的毛细管电泳仪进行定量分析，已经可以和高效液相色谱仪相媲美。1988年商品毛细管电泳仪问世，其峰面积的精度为5% RSD(相对标准差)，峰高还要差一些；但在1993年其峰面积的精度就可以达到1%~2% RSD，在此以后它的精度就和HPLC的精度一样了，近年它的精度可以达到0.5%。
2. 检测器
已有多种灵敏度很高的检测器为毛细管电泳提供质量保证，如紫外检测器(UV)、激光诱导荧光检测器(LIF)、能提供三维图谱的二极管阵列检测器(DAD)以及电化学检测器(ECD)。由于毛细管的管径细小、散热快，即使是高的电场和温度，都不会向常规凝胶电泳那样使胶变性，影响分辨率。
a. 光学检测器
在光学检测器中紫外和可见光检测器已经在商品仪器中普遍使用。为了提高检测灵敏度，用一种新的激光诱导共振能转移(Laser Induced Resonance Energy Transfer)检测方法，例如EDTA和镧系化合物特别是Tb+3(在水杨酸存在下)形成三元络合物，此络合物于pH=3的条件下稳定而有荧光，能量从水杨酸向Tb+3转移，这一过程可提高检测的灵敏度。二极管阵列检测器在HPLC中比较普及，在毛细管电泳中也有普遍应用，如用MEKC分离视黄酮生物碱，以二极管阵列检测器测定5个视黄酮类化合物。这种多通道检测器(光电二极管阵列，PDA)在1989年用于毛细管电泳，但是PDA的噪声大，不利于提高灵敏度，不过近年出现了低噪声PDA。
b. 荧光检测器
近年在毛细管电泳中出现一些新的荧光检测器，如有人提出在near-Geiger操作下的雪崩光电二极管用作毛细管电泳荧光检测器；基于激光波混合的方法以提高毛细管电泳的灵敏吸收检测；为提高灵敏度使用双光子激发荧光检测器。
c. 化学发光检测器
把化学发光检测器也用于毛细管电泳。
d. 电荷耦合检测器
近年来在毛细管电泳中用电荷耦合检测器(Charge-Coupled Device，CCD)受到人们的重视。有些学者把CCD用于矩形薄层槽电泳的检测上。
e. 电化学检测器
在毛细管电泳中使用电化学检测器的研究已有不少，有安培型电化学检测器(在固定电压下测定电流的大小)和伏安型电化学检测器(在不同的电压下测定电流)，前者使用较多，因为仪器简单、检测限也很低，但是安培法只能提供一个电流随时间变化的信息，而伏安法还可以得到电流随电压变化的信息，这样有助于在混合物中鉴定个别化合物，对分离不好的化合物提供一个用电化学方法解决问题的机会。在安培法检测中近年的研究有一些新的改进，如改进的柱尾安培法检测；用刻蚀毛细管壁形成半透膜作连接器的安培检测器；毛细管电泳中用盘状工作电极进行柱尾安培检测的电流理论的研究；用于微米和亚微米连续槽电泳分离的阵列电化学检测器。
3. 毛细管电泳仪生产及研制
在国际市场上现有二十多家公司生产毛细管电泳仪，如美国贝克曼—库尔特(Beckman-Coulter)公司生产的Beckman PACE 5500型、美国伯乐公司(BioRad)、美国惠普公司(HP)、TSP公司、俄罗斯沃特斯公司(Waters)、俄罗斯刘梅克斯公司(Lumex-Marketing JSC)生产的C10492型高效毛细管电泳系统(见图1)、荷兰PRINCE 700型毛细管电泳仪等，目前这些商品仪器都是计算机化、自动化的装置。由于毛细管电泳的高效、快速，特别是它的有效性使其蒸蒸日上。人类基因组计划最终目标的实现比预期一再提前，很大的功劳应归功于毛细管电泳仪能够进行DNA片段及序列分析，如美国MegaBACE全自动DNA序列分析系统(见图2)。
过去的10年经历并见证了生命科学革命性的变化，在今后的年代里HPLC的方法会一个一个地被毛细管电泳所取代。所以毛细管电泳仪将会近一步发展。国内也有多家学校、研究所和工厂进行毛细管电泳仪的研制工作，如由中科院长春应化所与西安瑞迈电子科技有限公司合作研发成功的一种可用于药物、氨基酸、多肽、蛋白质及核酸等检测分析及研究蛋白质与药物、核酸相互作用的“毛细管电泳电化学发光检测仪”CL2001型高效毛细管电泳仪，其具有我国自主知识产权，创新性显著，设计制作新颖，达国际领先水平。
毛细管电泳技术不仅在基础科学中得到广泛应用，在临床医学等领域也有较多应用。如临床疾病诊断、临床蛋白分析、临床药物监测、代谢研究、病理研究、同工酶分析、PCR产物分析、DNA片段及序列分析等。人类基因组计划最终目标的实现比预期一再提前，很大的功劳应归功于毛细管电泳技术能够进行大规模基因组测序技术，随着人类基因组计划的实施及“后基因时代”—一个以蛋白质组为重点的生命科学的新时代的到来，毛细管电泳技术将发挥更大的作用。在医学研究中毛细管电泳技术越来越受到重视，但其临床应用尚属起步阶段，随着毛细管电泳技术的不断发展和完善，CE将在临床研究和基础研究领域发挥更重要的作用。任何技术的发展都将带动仪器的进步，相信毛细管电泳仪也将会有更好的发展。
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