毛細管電泳技術發展歷程

毛細管電泳（Capillary Electrophoresis，CE），又稱高效毛細管電泳，是一類以毛細管為分離通道、高壓直流電場為驅動力的新型液相分離分析技術 (Fig.1)。自20世紀90年代以來，該技術迅速被各種標準 (包括中國藥典、國標、美國藥典，甚至是歐洲標準) 所收錄，成為現代分析科學中繼高效液相色譜 (High PerformanceLiquid Chromatography, HPLC) 之后的又一重大進展。

Fig. 1 毛細管電泳示意圖

早在1807年，俄國莫斯科大學的斐迪南·弗雷德里克·羅伊斯(Ferdinand Frederic Reuss) 在濕粘土中插上帶玻璃管的正負兩個電極，施加電壓后發現正極玻璃管中原有的水層變混濁，即帶負電荷的粘土顆粒向正極移動引起，首次發現了電泳現象，并命名為 cataphoresis。這些早期發現引起了物理化學家的興趣，他們開發了一些實驗裝置 (如Fig. 2所示) 來演示這些現象。

Fig. 2 cataphoresis實驗裝置

一個世紀之后，1909年，Michaelis （好像是那位發明米氏方程的德國大牛）提出將“cataphoresis”更名為“electrophoresis”。因為在希臘語中，“electron”有“amber”或者“electric”的意思，“phore”有“bearer”之意，中文翻譯為電的搬運工，即“電泳”。他還給出了電泳的定義：膠體離子在電場中的移動。

1937年，瑞典Uppsala大學的大牛--賽利烏斯 (Arne Tiselius)(Fig. 3a) 對Fig.2的演示裝置進行了改進，發明了Tiselius電泳儀 (Fig. 3b)，并首次從人血清混合液中分離出白蛋白和α、β、γ球蛋白 (Fig. 3c)，這使得電泳作為分離分析技術有了突破性的進展，開創了電泳技術的新紀元。鑒于Tiselius在電泳技術的發展和應用方面所做的開拓性貢獻，在1948年被授予諾貝爾化學獎。

Fig. (3a) Arne Tiselius. (3b) Tiselius electrophoresisapparatus (3c) Electrophoretic analysis of blood serum.

1948年，Wieland和Fischer在前人研究的基礎上，發展了以濾紙作為支持介質的電泳 (Paper Electrophoresis) 來取代復雜的Tiselius電泳，紙質電泳一度成為氨基酸等帶電性化合物的主流分離分析方法。1950年，Durrum擴大了紙質電泳的應用范圍，將其用于蛋白質類生物大分子的分離研究(Fig.4) 。同時，他們又開創了利用各種固體物質（醋酸纖維膜、瓊脂凝膠、淀粉凝膠等）作為支持介質的電泳方法。1959年，Raymond和Weintraub利用人工合成的凝膠作為支持介質，創建了聚丙烯酰胺凝膠電泳 (PolyacrylamideGel Electrophoresis)，極大地提高了電泳技術的分辨率。幾十年中，聚丙烯酰胺凝膠電泳甚至是生物化學和分子生物學中對核酸、多肽、蛋白質等生物大分子使用最普遍，分辨率最高的分析鑒定技術。  

Fig. 4 紙質電泳的血清蛋白分離圖

但是上述傳統的電泳技術還存在很多問題，例如在分離過程中，操作電壓比較低（100-200 V），分離分析的速度慢；在檢測過程中常使用顯色劑，步驟繁瑣等。為了提高分離速度，1968年，英國Locarte公司研制了可以在3英尺（約1米）濾紙上施加10 kV高電壓的電泳儀 (Fig. 5)，較高的電壓可以解決分離速度的問題，但又衍生出焦耳熱等新的問題，而且儀器體積比較大。

Fig. 5. Cover of a Locarte of London High voltageelectrophoresis catalogue of ca.1968.

1967年，瑞典科學家Hjerten創造性地提出毛細管區帶電泳 (Capillary Zone Electrophoresis, CZE），他用一個3 mm內徑的石英管代替濾紙進行電泳分離，這是現代最早的毛細管電泳，但操作麻煩，分離結果不盡人意。1979年，Mikkers從理論上研究了電場聚焦現象及其對分離區帶擴展的影響，在200 μm內徑的聚四氟乙烯管中實現了高效電泳的分離，這項研究真正成為電泳發展史上的第一個重大突破。1981年，Jorgenson和Lucacs用75μm內徑的熔融石英毛細管(Fig. 6a)，以電遷移方法進樣，在30 kV的高壓電下進行丹酰化氨基酸樣品的電泳分離，用靈敏的熒光檢測器獲得了超過400,000理論塔板數/米的高效分離效果 (Fig. 6b) ，證明了毛細管電泳作為分析技術的潛力，成為高效毛細管電泳劃時代的里程碑。由于毛細管內徑小，表面積和體積的比值大，易于散熱，大大減少焦耳熱的產生，這是毛細管電泳與傳統電泳技術的根本區別。

        (a)                                                ( b)

Fig. 6. (a) 熔融石英毛細管  (b) 丹酰化氨基酸分離

1984年，Terabe發展了膠束電動毛細管電泳 (Micellar Electrokinetic Capillary Electrophoresis, MEKC)；1987年，Hjerten把傳統的等電聚焦過程轉移到毛細管內進行，建立了毛細管等電聚焦電泳(Capillary Isoelectric Focusing, CIEF)；同年，Cohen發表了毛細管凝膠電泳 (CapillaryGel Electrophoresis, CGE) 的工作。從此以后，一系列的毛細管電泳技術相繼出現。特別是1988年，美國Bio-Rad公司的第一臺商品化毛細管電泳儀器（HPE-100型）的問世之后 ( Fig.7), 一系列商品化的儀器相繼上市，使得毛細管電泳的研究在世界范圍內掀起了熱潮，促進了現代毛細管電泳技術和理論的迅猛發展。

Fig.7第一臺商品化毛細管電泳儀器（HPE-100型）

目前，毛細管電泳在生命科學、生物制藥、食品安全和環境保護等領域應用非常廣泛，正成為分析科學上常規、有效的一種分離分析技術，每年全世界發表的文章數以千計, 國內外數十家廠家也積極投身于毛細管電泳相關儀器的研制和生產 (Fig. 8)。

              (a)                                                  (b)

Fig.8(a) Agilent（7100型毛細管電泳系統） (b) Unimicro (qCE-3010型毛細管電泳系統)