基于短毛細管的高速毛細管電泳系統的研究進展

摘要：概述了基于短毛細管的高速毛細管電泳系統的研究進展。重點介紹了適用于基于短毛細管的高速毛細管電泳系統的各種進樣方法及其在生物分離分析領域的應用，包括光門進樣、流動門進樣、電動進樣、自發進樣、流體動力進樣和擴散進樣等方法。

關鍵詞：高速毛細管電泳；短毛細管；進樣方法

1引言

20世紀90年代，Jorgenson和Monnig[1]在傳統常規毛細管電泳（CE）系統的基礎上建立了高速毛細管電泳（High speed capillary electrophoresis， HSCE）系統。常規CE系統通常使用20～100 cm長的石英毛細管作為分離通道，分離場強一般小于500 Vcm，進樣體積為1～10 nL。在小于30 min的分析時間內，可以獲得每米數十至數百萬塔板數的高分離效率。HSCE系統則通過縮短毛細管長度（<15 cm）和增大分離場強（>500 Vcm），將分析時間縮短至秒級甚至毫秒級（<100 s），提高分離速度。此時，由進樣引起的樣品區帶展寬是除了軸向擴散以外導致區帶展寬的最重要因素[1，2]。因此，在HSCE系統中，若要使分離效率仍然保持在每米數十萬至上百萬塔板數，形成一段小于100 靘的狹窄的初始樣品區帶（相應的進樣體積為皮升級至亞納升水平）至關重要。常規CE的進樣方法難以滿足HSCE系統對亞納升級進樣的要求，因此，進樣方法的研究已成為HSCE研究的重點和熱點領域。

按分離裝置的不同，HSCE系統分為兩類： 基于短毛細管的系統[1]和基于微流控芯片的系統[3]。其中芯片系統通過微加工技術在相對短的分離通道內實現樣品的高速和高效分離，然而芯片的加工制作通常需要昂貴的微加工設備，芯片結構也較復雜，操作較為繁瑣。短毛細管系統則無需昂貴的微加工設備和復雜的加工步驟，具有結構簡單、操作方便等優點。本文將主要介紹基于短毛細管的HSCE系統的研究進展，重點介紹短毛細管HSCE系統的核心技術——皮升級至亞納升的進樣方法及其在生物分離分析中的應用。目前文獻報道的短毛細管HSCE系統所使用的進樣方法大致可分為光門進樣、流動門進樣、電動進樣、自發進樣、流體動力進樣法和擴散進樣等。

2基于短毛細管的高速毛細管電泳系統的進樣方法

2.1光門進樣

2.2流動門進樣

Jorgenson研究組于1993年提出了流動門進樣法[9]，原理如圖1b所示。引樣毛細管和分離毛細管共軸排列且相距一小段空隙，其垂直方向連接流動泵。首先關閉流動泵，使引樣毛細管流出的樣品充滿空隙，加電使一段樣品區帶進入分離毛細管；接著開啟流動泵，將空隙內剩余樣品沖走。利用此法進樣，進樣時間5 s，以甲酰胺為樣品，連續 20次進樣，得到的遷移時間、峰面積和峰高的RSD分別為0.18%， 1.9%和3.1%，重現性良好。此后，他們還進一步將引樣毛細管的出口端和分離毛細管的進樣端打磨成圓錐形，以減小進樣后需要沖洗的毛細管表面積，從而獲得更短的樣品區帶。通過對進樣條件和電泳分離條件的優化，在分離場強1.2 kVcm、有效分離距離15 cm條件下，35 s內實現了苯丙氨酸和谷氨酸的基線分離，2 h內完成了400次連續進樣分離，分離效率為4.8×105 m_Symbolm@@_1[10]。

2007年，Yang等[11]將流動門進樣法與短毛細管HSCE系統結合，研究了3種SH2功能蛋白質Src、SH2B夂虵yn與多肽的結合作用，毛細管有效分離距離為3.8 cm，8 s內完成了上述3種蛋白質多肽結合物和自由多肽的分離。加入抑制劑則可同時考察其對3種蛋白質的抑制作用，實現選擇性和非選擇性等多種抑制劑的高速篩選，如圖2所示。Yang等[12]進一步將反相高效液相色譜系統與在線親和毛細管電泳系統聯用，色譜分離后的產物通過流動門進樣方式被引入毛細管進行二維電泳分離。實驗以Fyn與多肽的結合作用為模型體系，二維分離篩選了多肽混合物中的影響上述結合作用的多種抑制劑，檢出限達2～11 靘olL。總之，采用流動門進樣法的CE系統裝置較為簡單，可與各種檢測器聯用，但由于流動泵的開閉需要消耗一定時間，導致總的分析時間會相應增加。

可以預計，隨著研究的不斷深入及相關技術的不斷發展，短毛細管HSCE系統將日趨豐富和成熟，以其高速、高效的特點在生化分析、臨床診斷和食品安全等研究領域發揮越來越重要的作用。如在生物分子間相互作用研究和高通量藥物篩選或催化劑篩選中，短毛細管HSCE系統具有明顯的優越性，在不損失分離效率的前提下，可明顯提高分離速度和篩選通量。同時，短毛細管HSCE系統具有結構簡單、易于實現微型化等特點，經過進一步發展和完善，有望實現系統的產業化和市場化。