毛細管電泳裝置及電動力學效應

毛細管電泳的裝置簡易，且可配合線上偵測技術轉換為自動化操 作，應用性甚廣。一般採用的分離管柱多為熔融成型的二氧化矽(fused silica)毛細管，在其外部塗覆高分子聚合物以增加毛細管的韌性。進行 分離時先藉由壓力注射將緩衝溶液(buffer solution 或稱 background electrolyte)及篩分介質(sieving medium)打入毛細管，再運用壓力或電壓 差使待測物進入毛細管中，接著再以白金電極施加電壓差使毛細管中 的物質進行電泳，當待測物通過偵測器就可達到定量分離效果。

圖 1.4 毛細管電泳裝置示意圖

以電泳分離待測物的過程當中，影響待測物遷移速率最重要的電

動 力 學 參 數 為 電 泳 遷 移 率 (electrophoretic mobility) 及 電 滲 透 流 (electroosmotic flow, EOF)。

電泳遷移率(μ_ep)為帶電粒子受到固定電場的靜電作用力，及因緩衝 溶液的黏度效應產生的黏滯力之下，使帶電粒子以穩定速率往固定方 向遷移，粒子所帶的正負電荷會影響其遷移方向，帶電量及帶電粒子 粒徑則會影響電泳遷移率大小。電滲透流的成因乃為施加電壓後，當 緩衝溶液的 pH 值高於 1.5[61]，毛細管內壁表面的矽醇基(Si-OH)會解 離成 Si-O^-而帶負電，當 pH 值愈高，管壁的負電荷就愈多。為保持電 荷平衡，緩衝溶液通過毛細管時，溶液中部分的陽離子會被吸附在毛 細管管壁上或游離在管壁附近形成電雙層(electric double layer)，包含固 定層(Stern layer，下圖黃色區塊)及擴散層(diffuse layer，下圖淡橘色區 塊)兩部分，愈往管柱中心陽離子的濃度遞減，接近管柱中心則為陰陽 離子平衡的本體溶液區(bulk solution，粉紅色區塊)，在電雙層中因電 荷不均勻分布產生的電位差為界達電位(zeta potential，ζ)。在外加電場 作用下，擴散層中的陽離子受到負極吸引，帶動管柱中的溶液往負極 移動，即為電滲透流。電滲透流的遷移率(mobility of EOF, μ_eo)受到電雙 層厚度、單位表面積所帶電荷及緩衝溶液的黏度影響，電雙層厚度則 隨著緩衝溶液的濃度和 pH 值改變。

圖 1.5 毛細管中電荷分布分層示意圖 [62]

在流速分布方面，不同於一般水溶液或液相層析法因壓力驅動呈 現的層流(laminar flow)現象，電滲透流的流動方式為平面流(plug flow)(

如圖 1.6 所示)，可避免波峰擴散現象，使偵測到的樣品訊號更明顯，

因此分離效率更高。

圖 1.6 (A)層流 (B)電驅動流型

因此帶電分析物在毛細管電泳系統中的淨遷移率(net mobility，

μ_obs)，為總和電泳遷移率及電滲透流遷移率的結果。一般情況下，電滲 透流遠大於電泳流，因此陰離子、陽離子和中性分子均往電滲透流方 向移動。毛細管多以熔融矽膠(fused silica)製成，於 pH≥2 條件下，管 壁表面矽醇官能基 Si-OH 受到溶液活化後會開始解離成帶負電，電解 質溶液中帶正電荷的溶質因而會被吸附在管壁表面，施加外加電場後 帶動電滲透流方向由正極往負極流動，陽離子的淨遷移率為電滲透流 及電泳流加成的結果(μ_obs＝μ_eo+μep)，陰離子則為抵銷的結果 (μobs＝ μ_eo-μep)，中性分子即等於電滲透流遷移率(μobs＝μ_eo)，如圖 1.7 所示。

圖 1.7 毛細管電泳中陰陽離子的淨遷移率

電滲透流雖然有其優點，但在高 pH 值時，電滲透流速度過快會導 致溶質成分尚未分離就被沖出毛細管，某些情況也會造成蛋白質分離

效果不佳，因此在毛細管凝膠電泳、等電聚焦電泳等模式下需要控制