章緒言



節概述1



一、歷史回顧1



二、發展動向2



第二節電泳和色譜3



第三節毛細管電泳模式與分類4



第四節毛細管電泳的特點5



參考文獻7







第二章毛細管電泳理論基礎



節分離過程9



一、一般過程9



二、差速分離過程10



三、數學描述11



第二節基礎概念12



一、電泳13



二、電滲14



三、相分配17



四、分離速度與分離模式17



第三節分析窗口18



第四節理論效率18



一、效率方程18



二、峰展寬因素19



第五節電泳譜圖表示方法21



一、時間譜21



二、電量譜22



三、擴散譜22



參考文獻24







第三章毛細管電泳儀器



節儀器基本結構26



第二節27



一、進樣機構27



二、進樣方法28



三、進樣誤差30



第三節毛細管30



第四節電流回路30



一、電源31



二、電極槽與電極31



三、導線31



四、電解質溶液31



五、毛細管31



第五節32



一、風冷32



二、液冷32



第六節檢測器32



一、檢測窗口制作33



二、紫外吸收檢測器33



三、激光誘導熒光檢測器35



四、高頻電導檢測器37



第七節數據記錄與處理41



參考文獻41







第四章分離條件的選擇與優化



節毛細管電泳模式選擇43



第二節基本操作條件選擇44



一、電壓44



二、溫度45



三、毛細管45



四、進樣與聚焦進樣46



五、檢測49



第三節分離介質選擇50



一、CZE介質選擇50



二、CGE與NGCE介質選擇53



三、MEKC介質選擇55



四、其他模式介質選擇57



第四節條件選擇流程58



第五節條件優化與尋優實驗設計59



一、實驗設計概述60



二、常用實驗設計方法60



參考文獻65







第五章毛細管柱制作技術



節塗層技術66



一、動態吸著67



二、物理塗布67



三、化學塗布68



四、溶膠-凝膠塗布74



五、吸附與化學交聯聯用75



第二節凝膠毛細管制備78



一、基本問題78



二、解決策略78



三、瓊脂糖凝膠毛細管制備79



四、聚丙烯酰胺凝膠毛細管制備79



五、梯度聚丙烯酰胺凝膠毛細管制備83



第三節電色譜毛細管柱制備84



一、填充柱制備85



二、整體柱制備86



第四節特殊技術90



一、塑料扁毛細管制作90



二、毛細管吹泡與彎折90



三、化學刻蝕90



四、毛細管拼接91



參考文獻91







第六章電滲控制



節理論控制方法94



第二節常用控制方法95



一、添加劑法95



二、塗層法98



第三節電磁場控制法99



一、雙電源套管法99



二、電離氣室法101



三、導電外塗層法101



四、恆電位控制法101



五、四電極控制法101



六、電滲的電場控制理論105



第四節電滲控制在分離中的應用108



一、調節電泳速度108



二、改善分離度109



三、調控電滲流量110



第五節電滲測定方法110



參考文獻111







第七章聯用技術



節二維毛細管電泳113



一、二維電泳的特點113



二、二維接口114



三、LC-CE115



四、NGCE-MEKC116



五、芯片二維技術118



第二節毛細管電泳與質譜聯用119



一、概況119



二、聯用類型119



三、在線CE-MS120



四、離線CE-MS130



五、應用130



第三節毛細管電泳與核磁共振聯用135



一、核磁共振原理135



二、CE-NMR裝置138



第四節毛細管電泳與拉曼光譜聯用144



一、在線聯用144



二、離線聯用145



三、離線CE-RS操作要點146



參考文獻149







第八章芯片電泳



節概述154



第二節芯片電泳類型154



一、基本概念154



二、主要類型155



三、串聯集成芯片155



四、通道並聯芯片156



第三節芯片制作158



一、制作原理與方法158



二、芯片制作實例161



第四節芯片電泳檢測技術168



一、靜態LIF168



二、掃描LIF168



三、高頻電導169



四、接觸式電化學檢測171



第五節芯片電泳的進樣與分離方法173



一、交叉通道電動進樣173



二、分離176



三、電源177



第六節特殊技術177



一、整體柱177



二、其他技術181



第七節應用181



一、概況181



二、蛋白質快速分離182



三、DNA分析之PCR-CE芯片184



四、陣列高通量分離188



五、宇宙空間探測分析及其他191



參考文獻191







第九章超常毛細管電泳



節超高壓毛細管電泳195



一、實驗裝置195



二、分離效果197



第二節超短毛細管電泳199



一、理論依據199



二、超短區帶進樣199



三、極限效果202



第三節光子晶體毛細管電泳203



一、概述203



二、光子晶體概念204



三、光子晶體研究沿革204



四、光子晶體制備技術205



五、基於光子晶體的高效快速分離208



第四節其他非常規CE方法209



一、同步循環毛細管電泳210



二、超大孔毛細管電泳210



三、超細孔毛細管電泳211



參考文獻212







第十章手性毛細管電泳



節手性分離原理215



一、手性分離基本策略215



二、手性消除215



三、手性環境216



四、不同分離模式手性環境構建219



第二節手性分離條件選擇223



一、基本原則223



二、選擇策略223



第手性添加劑226



手性添加劑組合原理226



二、氨基酸對映體分離227



第四節手性CE的應用與發展動向230



參考文獻232







第十一章蛋白質分析



節基本概念235



一、蛋白質質量與淌度的關繫235



二、等電點236



三、吸附236



第二節蛋白質吸附的抑制236



一、管壁惰化237



二、樣品預處理237



三、緩衝液改性237



第三節尺寸分離分析238



一、篩分介質選擇239



二、緩衝液選擇240



三、進樣方法、電泳溫度與其他條件選擇241



第四節等電聚焦243



一、操作模式243



二、譜圖記錄方法244



第五節親和毛細管電泳246



一、基本原理246



二、基礎方法246



第六節微量制備247



一、單次收集247



二、多次收集248



三、多次收集-單次純化248



第七節應用248



一、促紅細胞生成素肽譜分析248



二、分子量測定248



三、等電點測定251



四、其他應用253



第八節CE在蛋白質組學研究中的應用253



一、蛋白質組研究的基本挑戰253



二、CE方法特點253



附記：蛋白質組學基礎研究方法發展回放255



參考文獻256







第十二章DNA及其碎片分析



節DNA及其片段分離的基礎258



一、CE模式選擇258



二、篩分介質選擇259



三、緩衝液選擇261



四、樣品處理、進樣及檢測261



第二節基本應用262



一、核苷酸分析262



二、寡聚核苷酸與單鏈DNA片段分析265



三、雙鏈DNA分析267



第三節DNA測序272



一、測序戰略273



二、比長測序原理273



三、CE測序基本流程275



四、應用277



參考文獻280







第十三章糖及其綴合物分析



節概述282



一、糖的分類282



二、糖分析的問題與進展282



第二節糖CE的基本策略283



一、絡合帶電283



二、強堿電離285



三、衍生帶電285



第三節糖的檢測285



一、非衍生糖的檢測286



二、糖的衍生檢測287



第四節糖的電泳分離289



一、基本分離條件289



二、單糖電泳290



三、寡糖電泳290



第五節糖綴合物的電泳分離293



一、神經節苷脂分離293



二、糖蛋白微觀不均一性分析296



參考文獻301







第十四章大顆粒與小離子樣品CE



節紅細胞電泳303



一、背景303



二、細胞的特點與電動原理304



三、血紅細胞制備304



四、電泳操作305



五、基本結果306



六、血紅細胞電泳的問題與克服方法307



第二節細菌及其他顆粒物電泳308



一、細菌分離的關鍵條件308



二、細菌CE應用311



三、其他顆粒物CE312



第三節單細胞分析314



一、單細胞進樣技術314



二、應用317



第四節離子CE319



一、直接檢測320



二、間接檢測321



參考文獻323







第十五章常見問題解答



節基礎理論相關問題326



第二節儀器相關問題330



一、相關問題330



二、相關問題331



三、相關問題334



第三節操作參數選擇問題336



第四節綜合問題337



第五節問題排查路線圖338



一、不重現338



二、不高效338



三、不靈敏339

前言



寫書是一種挑戰。為再版而改寫一本書則是一種心理極限運動，因為你得在自己的慣性思維中左衝右突，不斷地作自我否定。在赴芬蘭的飛機上，我終於在飛行的無聊間隙，了結了對全書的自我否定，頓感一陣輕松。正送目窗外，試圖越過那天際之弧，窺探宇宙的深邃神秘，卻又忽有所感，覺著得為再版寫幾句交代的話，纔算圓滿。



書常被賦以許多功能，更寄托著各色情感。說書是一種知識的載體，其實是期待它像聖人，能規範天下，至少能激發出淨化心靈的衝動。此何難哉！或謂之高，如艙外之天際，非我輩所能爾。本書興許還能勾起讀者一絲翻閱之趣。但就為此，也值得鼓勇而為了。



寫書難，出錯卻不難，而改錯卻是難上加難。書之出錯，猶水底潛流，全無聲息，察之不易，故乃常發。所謂“無錯不成書”是也。如此，書須再版，以便糾錯；抑或目標升華，為滿足讀者之渴望。但本書再版，首先是為糾錯，旨在改正以往一些明顯的錯誤；其次是為調整，意在更改一些不合時宜的說法；後亦為增補內容，以免再讀時乏味與無趣。



本版新增了第九章和第十五章，並將原第九到第十三章順序後移，變為第十到第十四章。此舉意欲架構一個相對完整的毛細管電泳理論與方法體繫。當然，細心讀者很快就會發現，本版並未包括電泳大廈中的另外一塊基石，即非線性電泳（包括介電電泳）。它原本是納入計劃的，並已寫就了不小篇幅，但看內容甚為龐大，若不壓縮，便會喧賓奪主；倘若壓縮，又恐表述過簡，讀之費解。幾經斟酌，後決定割舍，留作下一次再版（或許有？）的誘餌吧。這次就對不住大家了。



在新增的第九章中，重點介紹了毛細管電泳向超高壓、超快速或超高效發展的理論和實際研究結果。它們頗為有趣，但盡管早在20世紀90年代初就已出現，其研究卻從未形成高潮，時斷時續，至今還像是一片尚待開發的處女地。超高壓電泳計較的並非速度，而是效率。它離實用頗遠，卻又極富理論把玩價值。與此不同，超快毛細管電泳既顯高端，又可實用，很好地體現了毛細管電泳的本色。它本該發揮重要作用，但又陰差陽錯，被微流控芯片淹沒了。其實，超快毛細管電泳實施簡便，成本劃算，實非微流控芯片可比；它耗樣微渺，聯用簡便，亦超乎芯片之上。以其快速、高效、經濟之特質，超快速毛細管電泳當可成為高通量分離分析的新平臺。目前各類組學研究正遇方法學短板，芯片還一時難解燃眉之急，超快毛細管電泳正可為之。本版因之加以鼓吹。



在第十五章中，收羅了不少毛細管電泳讀者和用戶多年以來所提出的各色問題。它們看似簡單，實則頗難回答。本版不揣冒昧，特予歸納解答。或許有用，望有心人留意。



本版還對全書文字敘述作了較大調整，有刪除的，有補充的，有改寫的，隻為客觀。但全書行文風格並未統一。這需要有一段完整的時間，纔能刀砍斧劈，貫通前後。待以後再尋機會吧。



在第二章中，對一些理論表述作了調整，明確了速度矢量和淌度標量等概念；增補了基於時間和電通量的譜圖表述方案。後者可為毛細管電泳正名：非其不重現爾，實乃表示不得法也。另外還簡要介紹了擴散譜方法，亦可玩味。



在第四章中，加寫了關於電泳條件的優化策略，重點是多參數的數學優化方法。這些內容不新，但有用，是為省時、省力、省錢之法。本書特予介紹，意在提醒，不在知識本身。



為盡可能減少錯誤，還邀請了郭振朋、許吉英副研究員，帶領我的學生陳蘊、胡飛馳、李鼕梅、劉嬋娟、劉翠梅、王霄、楊薇等，通讀本版全文，仔細找錯。雖難盡，已用心。還有，本書中的許多工作受到了國家自然科學基金、科技部和中國科學院等的資助。在此一並致以謝忱！



本書不再使用“編著”一詞而隻用“著”字，以明實情。“編著”雲雲不合文意。編乃彙編之省，取原文結集，多不改動，本書從未作此勾當。著乃寫也，寫並非不能引用他人之語，此中外皆同，否則故事、小說、政論皆不能成爾！故用之。



總而言之，書若再版，便與原樣皮同而質異了。譬如飛行，雲卷雲舒，一去千裡。希望讀者感知變化，覓蹤享受。還有一句老調重彈之語，便是期盼高人賜以寶貴建議！











陳義



中國科學院大學崗位教授



2015年8月29日星期六



作於赴芬蘭赫爾辛基飛行途中











版前言



大約是在1988年初，就試圖寫一本關於毛細管電泳的小冊子，當時國內外均無此類書籍。隻因機緣未到，寫作不到三章，計劃便告流產。我們非晚國外五至十年實難成事。後來僅將這些初稿的一些要點投給《分析儀器》了事。從此跨洋越海，去看國外的月亮是否真的很圓。寫作之事由此忘懷，不再思慮。



1994年底回國後，國內毛細管電泳研究已成蜂擁之勢，按說正是著書立說的時機，可惜我的衝動已失，勁頭不再，況且大部頭的專著在國外已有多冊。盡管如此，寫點什麼的念頭並未真正煙消雲散，時不時會有意無意地收集和整理一些關於毛細管電泳的東西。



1998年初，或是1997年底，突接傅若農先生的電話，邀我參加《色譜技術叢書》的編寫工作，負責撰寫《毛細管電泳技術及應用》這一冊。可能是由於腦中潛伏已久的作書念頭在作怪，我竟未加思索就一口應承了下來。過後纔意識到問題的嚴重性——關於毛細管電泳的專著、書冊，中文的英文的，應有盡有，我已沒什麼可寫了。



答應了的事可不能反悔。我隻好鼓起勇氣，重新整理並補充早期的手稿和後來隨手寫的一些東西，這就構成了頭七章。再把我和學生們做的實驗結果以及平時講課、作報告收集到的一些例子歸納起來，便組成了第八至第十一章。本來還要寫一章關於定性定量分析方面的內容，但終決定放棄，因為這些內容可照搬色譜中的方法，缺乏新意，多叨無益。



本冊子前六章立意於毛細管電泳的基礎，側重思路、策略和方法的把握，不作嚴密的敘述和公式推導。後五章直接面對樣品，頗有例題味道，但仍未脫離“方法與思路”的框架。這裡面有意重復了某些方面的內容，主要是為了兼顧隻對某一章感興趣的讀者，同時也希望通讀全冊的朋友，能夠對此加深印像。



本冊子之能面世，是與國家自然科學基金委員會、中國科學院、分子科學中心以及有關部門對我們研究工作的大力支持分不開的。書中所引例子有許多來自國家傑出青年基金（No.29825112）、國家基金委“九五”重點基金（No.29575215）和面上基金（No.29635020）、中國科學院“九五”重大（No.Kj951-A1-507）、中國科學院院長基金和青年基金（No.JQ-5-01、BH-28等）、國家人事部擇優支持、國家*回國基金項目等。在寫作過程中，我的學生王志欣、王珍幫助查閱和核對了、五、十一章中的部分文獻，王志欣還通讀了全文，郭晴同志幫助復印了部分譜圖。謹此一並致謝！



希望本冊子對專業和非專業研究人員都有參考價值，但限於水平，書中的錯誤和不妥之處在所難免，敬希讀者不吝指正。











陳義



2000年2月於北京















第二版前言



重新出版一個關於毛細管電泳方法的冊子，有很多原因，其中主要的是想改正一些錯誤，比如第三章公式（3-4），在前一版的兩次印刷中一直不太正確，希望不再流傳下去。



在修改版原稿的過程中，發現有些章節不夠充實，所以又補充了一點，比如關於電導檢測、關於管壁處理、關於手性異構體分離、關於蛋白分離、關於DNA測序、關於細胞分析等。



看看改完，忽又覺得缺了幾個重要內容：一是關於多維分離和陣列電泳，其驚人的通量，大大拉了人類基因組研究計劃一把，而且還會再拉一把蛋白質組學研究也說不定，忘之不得；二是毛細管電泳與質譜等各種鋻定技術的聯用，這可是個有用而又問題甚多的方法，玩其不易，棄之可惜；三是芯片電泳，或稱微全分析繫統（μ-TAS），或曰微流控繫統，其中隱含有先進的思想，很值得玩味，不可不介紹。



可是，要把它們納入版的框架內，還真不容易。幾經思量，後決定將一、二兩部分合並，歸為一章，稱之為“聯用技術”，而將芯片電泳獨立成章。為了使全書看起來還不至於太離譜，便把這兩章插入到版的第六章與第七章之間，分別成為第七、八章，而原來的第七至第十一章，順延成第九至第十三章。如此一來，在新版裡，至第八章就主要是處理方法學問題了，其後各章則為應用。希望這種安排不會給看過版的讀者帶來不便。



還是那句老話，感謝國家自然科學基金委員會（No.20435030、20420130137、20375042、20175030、29825112）、國家科技部（2002CB713803）和中國科學院（KJCX2-SW-H06、KJ951-A1-507、JQ-5-01、BH-28）對書中所涉及項目的經費支持。還要特別感謝唐家族基金會美國加州大學伯克立分部的資助，使作者有機會到美國走一遭。書中大部分的新資料，除了本實驗室的工作之外，都是訪美期間收集的。感謝戴東升博士幫助查閱核實第七章中的部分文獻。特別感謝任惠敏老師認真細致和不辭勞苦地編輯校對。



後要說的，就是敬請讀者批評或來函指正，作者謹此預致謝忱！











陳義



2005年8月15日