前言

第一章 前言

壹、毛細管電泳之概述

一、毛細管電泳之發展

電泳（electrophoresis）是指帶電物質在電場中因受吸引或排斥而產生 的不同速率運動，進而達成分離的目的，Tiselius在1930年發表了利用電泳 分離血清中α-，β-和γ-球蛋白的技術，是電泳技術應用在生化領域的濫觴，

Tiselius也因此在1948年獲得諾貝爾獎。¹

毛細管電泳（Capillary electrophoresis, CE）中，電泳在填充有緩衝溶 液的細毛細管中進行。1967年Hjertén發現在細而長的管子中進行電泳可以 排除焦耳熱對實驗造成的影響，並成功的使用內徑300 μm的毛細管進行電 泳分離。1970年Neuhoff利用內徑450 mm 長度3 cm，填充聚丙烯醯胺

（polyacrylamide）的毛細管分離微量蛋白質。1974年R. Virtanen 利用內 徑200-500 μm的Pyrex毛細管分離並定量Li⁺，Na⁺和K⁺。1979年，Mikkers 等人以200 μm的Teflon毛細管在10分鐘內分離了數種無機（氯化物，氯酸 鹽，硫酸鹽和鉻酸鹽）和有機（己二酸和醋酸鹽）陰離子。Jorgenson等人 以內徑75 μm的毛細管，在30kV的高壓電進行電泳實驗，並提出電滲流的 理論。1988年後期出現商業化的毛細管電泳儀也加速了這樣技術的推廣和 普及程度¹。

毛細管內徑一般在25至75 μm之間，其微小的內徑與毛細管的表面積/

體積比很大，使產生的熱量可以很快的擴散。且毛細管中的高電阻能夠在 使用很高的電場時（100－500 V/cm）時只產生很少的熱量。毛細管電泳 使電泳分離能在高電場下進行，使得分析時間縮短、效率及分離度提高，

且因毛細管中使用水相進行電泳實驗，提供了更多樣化的操作模式，用以

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分離更多種類的樣品。²近年來，關於毛細管電泳應用的發表越來越多，如 分離藥物對掌異構物、分析水中農藥殘留和對綠茶中兒茶素之分析^{3, 4}，應 用領域多元且持續拓展中。

毛細管電泳之儀器裝置如Fig. 1，主要有毛細管、樣品瓶、兩端緩衝溶 液瓶、高壓電源供應器、偵測器與電腦。

Fig. 1. Diagram of a capillary electrophoresis system.

二、毛細管電泳理論

分析物在毛細管中的移動，主要與電泳淌度（eletrophoretic mobility）

和電滲流（electroosmotic flow）有關，以下簡單介紹其原理。

（一）電泳淌度（eletrophoretic mobility）⁵

在一個穩定的電場下，一帶電粒子在填充電解液（electrolytic solution）

的毛細管內的移動受靜電力（electrostatic force, F）的影響，可由下列式 子表示：

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F = q E

（1）

其中q為帶電粒子之電荷，E為電場之強度（E = V / L_tot，V為毛細管所 通電壓，Ltot為毛細管總長度）。

然而，靜電力受摩擦力（frictional force, F’）影響，根據Stock's law，

球形粒子所受到的摩擦力如下列式子表示：

F’ = 6 π η r ν

ep （2）

其中

η

為電解液的黏度，r為粒子半徑，

ν

ep為粒子的遷移速度。

當速度不變時，表示靜電力與摩擦力相等，因此合併式子（1）和（2）

可以得到：

q E = 6 π η r ν

ep （3）

帶電粒子在毛細管中的遷移速度可以表示成：

ν

e p=

μ

ep E （4）

其中

μ

ep為帶電粒子的電泳淌度，可表示為：

μ

ep

=

_଺πη௥^௤ （5）

因此，影響電泳淌度的因子有帶電粒子的大小和電荷，電解液的黏度 和濃度。

（二）電滲流（electroosmotic flow）^{4, 5}

除 了 帶 電 粒 子 的 移 動 ， 另 一 影 響 電 泳 分 離 的 重 要 因 素 是 電 滲 流

（electroosmotic flow, EOF），電滲流是毛細管內壁表面電荷因電場施加 所引起毛細管內緩衝溶液的整體流動。毛細管表面的SiOH基團，如Fig. 2(a)，

經活化後形成SiO^-，如Fig. 2(b)，管壁因此帶有過多的負電荷，電解液中的

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正電離子因此被吸引，如Fig. 2(c)，並在毛細管內由管壁表面往中心方向 形成電雙層（electric double layer）的分布，靠近管壁表面為緻密層（Stern layer） ， 電 解 液 正 電 荷 受 管 壁 SiO^-的 吸 引 排 列 緊 密 ， 靠 近 中 心 為 擴 散 層

（diffuse layer），正電荷的數量隨著遠離管壁的距離成指數趨勢下降。因 為電雙層與靠近的溶液之間的電荷差異形成一個電位差，稱為zeta電位（ζ），

施加電壓後，組成擴散層的離子會由正極往負極移動，並帶動所有的溶液 向負極移動，形成電滲流，如Fig. 2(d)。

電滲流的速度（veo）可表示成：

ν

eo=_ସπη^εாζ （6）

其中ε為電解液之介電常數，η為電解液之黏度。

由 上 式 可 知 電 滲 流 與zeta電位大小有關，而zeta電位取決於毛細管表 面電荷與緩衝溶液的離子強度，表面電荷量又受pH值控制，所以電滲流會 因為溶液的pH值而影響大小。

電滲流與一般壓力進行的分析技術的最大差別，是電滲流由靠近管壁 的液體帶動流動，不會因液體與管壁摩擦而形成壓力差，造成層流，使得 樣品波峰變寬。

電滲流的另一優點是可以使所有離子往同一方向移動，無論所帶電荷 為何。在毛細管內壁帶負電的情況下，電滲流是由正極往負極移動，帶正 電荷的物質在電場下的移動方向與電滲流相同，其電泳速度是電泳淌度加 上電滲流，所以會最快，不帶電的物質會隨著電滲流流出，帶負電的物質 在電場下移動方向與電滲流相反，所以最慢被流出。

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Fig. 2. Development of the electroosmotic flow.

(a)The fused silica capillary inner surface.

(b) Excess negative charge on the fused silica surface.

(c) The cations accumulating near the surface.

(d) Cations drag the bulk flow towards the cathode with them creating EOF.

(a) (b)

(c) (d)

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三、毛細管電泳分離模式

（一）毛細管區帶電泳 （Capillary zone electrophoresis, CZE）

毛細管區帶電泳是最基本的分離模式，在毛細管中注入緩衝溶液，讓 樣品隨著電滲流往負極移動，因樣品本身的電荷性質、所帶電荷數、以及 質量差異而形成不同的區塊分離，如Fig. 3，帶正電荷越多的樣品遷移時間 會越短，帶負電荷越多的樣品遷移時間會越長，而不帶電的中性樣品就隨

著電滲流被分離出來。因此，可藉由調控緩衝溶液的pH值和濃度達到分離

效果的優化。

Fig. 3. Separation mechanism of capillary zone electrophoresis (CZE).

（二）微胞電動層析（Micellar Electrokinetic Chromatography, MEKC）

此分離模式是電泳中應用最廣的方式之ㄧ，1984年由Terabe於提出。

此技術的優點是可同時分離帶電與中性物質。微胞電動層析的原理是在緩 衝溶液中加入介面活性劑，當介面活性劑的濃度達到臨界微胞濃度時，單

一的界面活性劑會聚集形成微胞，此即為偽固定相，而MEKC的分離機制

是基於分析物與微胞的分配作用不同，使原本只能與電滲流共遷移的中性 物質，可被微胞帶動而有遷移率而達成分離，如Fig. 4，此方法可視為電泳

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技術與層析技術兩者的結合。在電泳過程中，當加入的陰離子界面活性劑 形成微胞時，因微胞帶負電，與電滲流方向相反，但是在電滲流速度大於 微胞的移動速度之狀況下，帶動微胞緩緩的往負極移動，當分析物表面與 界面活性劑鍵結越多，使得表面親水基與毛細管壁做用力變大，使得遷移 時間拉長。所以親水物質遷移時間愈快，疏水物質遷移時間愈長。而分析 物與微胞之間做用情形主要取決於兩者之間的靜電吸引力、偶極-偶極作用 力（dipole-dipole interactions）等，這又與使用的界面活性劑種類與分析 物結構有密切關係。

Fig. 4. Separation machenism of Micellar Electrokinetic Chromatography (MEKC).

界面活性劑通常具有親水官能基（Hydrophilic head group） 與疏水官 能基（Hydrophobic tail group）。在低濃度時，界面活性劑會使溶液的表 面張力降低，但隨著濃度增加，其物理性質如（導電度、表面張力）會因 為形成微胞而改變。微胞乃是由數十或數百個界面活性劑分子聚集而成的。

在水溶液中，界面活性劑的親水基部份朝外與水分子水合，並且將疏水基 包圍起來以減少水分子與疏水基的接觸面積。此時親水基之間的斥力與烷 鏈之間的凡得瓦爾力會使得微胞呈現球狀結構。但會隨著濃度與溫度改變

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可能為短柵狀、球狀、棒狀或層狀。在溶液中界面活性劑形成微胞的濃度 為臨界微胞濃度（critical micelle concentration, CMC），在高於CMC值的 時候微胞與單體是共存的，而溫度、鹽類、有機溶劑都會影響微胞的形成。

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貳、天然染之簡介

天然染（natural dye）已經存在超過四千年，在人類歷史中佔有重要 地位，非洲土著用樹皮將皮膚染成紅色，東南亞地區的佛教徒用波羅蜜木 材染出象徵神聖的黃色袈裟，台灣原住民使用植物染染出多彩多姿的傳統 服飾。在化學合成染料出現的一個半世紀以前，織品的顏色和作畫的顏料 都是由天然染料萃取得到，人們利用染料裝飾服裝和住所，特別的染料往 往價值連城，穿著漂亮顏色的服裝就代表著權利和財富，例如從骨螺腺體 萃取的紫色染料，價錢甚至比黃金還貴，染出來的紫色服裝只有牧師才可 以穿著。天然染最常見的是植物染，植物的根、莖、葉、花、果和種子都 可以做為染材萃取染料進行染色；另外幾種特定動物也是染料來源，有昆 蟲和貝類動物，如胭脂蟲和骨螺；而礦物如朱砂也是歷史悠久的染料。^{6, 7} 天然染料依顏色可區分為（1）藍紫色染料；（2）紅色染料；（3）黃色 染料和（4）咖啡色和黑色染料 ⁸。藍紫色染料主要來源為木藍（Indigofera

tinctoria）

、骨螺（Murex brandaris）和地衣（Rocella tinctoria D.C.），因含 有靛苷（indican）、靛紅（isatin）、靛藍（indigotin）、靛玉紅（indirubin）

及其衍生物，故可萃取出藍紫色染料。紅色染料主要來自胭脂蟲

（Dactylopius coccus Costa）、茜草（Rubia tinctorum L.）和蘇木（Caesalpinia

sappan L.）

，因含有蒽醌類化合物（anthraquinone）如茜草素（alizarin）或 胭脂紅酸（carminic acid），故可萃取出紅色染料。黃色染料主要來自含有 黃酮類（flavones）的植物如木犀草（Reseda luteola L.）和金雀花（Genista

tinctoria L.）

，因含有木犀草素（luteolin）、芹菜素（apigenin）、桑色素（morin）

等，故可萃取出黃色染料。咖啡色和黑色染料主要來自富含單寧（tannin）

和沒食子酸（gallic acid）的橡樹癭（Oak galls）。

自十九世紀以來，合成化學染挾帶著高效率和高堅牢度，在數十年之 間，迅速將有千年歷史的植物染取代，植物染工藝漸漸式微。但近幾年，

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人們開始思考歷史文化的重要性和善用自然資源的問題，植物染重新獲得 科學界和社會大眾的重視。出土的珍貴織品類歷史文物需要適當的保存和 必要的復原，分析其中所含有的染料分子成為推測當時使用染料植物之依 據，染料植物和當時生活環境的文化涵義也是歷史學家有興趣的部分，因

人們開始思考歷史文化的重要性和善用自然資源的問題，植物染重新獲得 科學界和社會大眾的重視。出土的珍貴織品類歷史文物需要適當的保存和 必要的復原，分析其中所含有的染料分子成為推測當時使用染料植物之依 據，染料植物和當時生活環境的文化涵義也是歷史學家有興趣的部分，因

在文檔中 以毛細管電泳偵測天然染料植物及植物 染織品中染料分子之研究 (頁 13-37)