學習重點 掌握毛細管電泳(CE)相較於一般HPLC的優勢:理論板數高、解析力高、分析時間短、樣品與有機溶劑用量少、較環保、毛細管便宜;濃度靈敏度與再現性不是CE的優點。 理解毛細管區帶電泳(CZE)的帶加寬來源:縱向擴散(最主要)、焦耳熱、進樣區帶長度;渦流擴散與質量轉移屬於填充式層析的機制,不是CZE的典型原因。 建立毛細管內徑、散熱、電壓、溶液黏度與電滲流(EOF)之間的關係。 區分各種CE分離模式,知道分離中性物質要用膠束電動層析法(MEKC)。 依分析物的光學特性選擇偵測方式:UV–Vis、雷射激發螢光、電化學(含脈衝安培法)是常用方法,折光率法不是;分析物不吸收UV時可用間接UV偵測。 核心觀念 一、CE與HPLC的比較:哪些是優點,哪些不是 CE在填充背景電解質的細熔矽毛細管兩端施加高電壓,依分析物遷移速度的差異分離,可應用於小分子離子、藥物、蛋白質與核酸等。所需樣品量只有奈升級,背景電解質多為水溶液,有機溶劑消耗少,因此節省資源、較環保。 比較項目CE相對於一般HPLC是否屬CE優點 理論板數(分離效率)較高,常達數十萬以上是 解析力(resolution)較高,因分離效率高是 分析時間較短是 樣品用量較少是 有機溶劑用量、環保性用量少、較環保是 管柱成本未填充的熔矽毛細管較便宜是 濃度靈敏度較低:進樣體積小、UV光徑短否 再現性較差:受進樣量、管壁狀態、EOF、溫度影響否 CE理論板數高的原因:一般CZE沒有填充粒子與固定相,沒有渦流擴散與質量轉移阻力;而且EOF的流型近似平頭的「栓狀流」(plug flow),不像壓力驅動的HPLC呈拋物線狀層流,區帶不易被拉寬。 藥典較常採用HPLC而不用CE,主要理由是HPLC再現性佳,定量結果穩定。「有機溶媒耗量少、分析時間短、解析度較佳」都是CE的特色,不是選擇HPLC的理由。 比較各分析方法的理論板數時,薄層層析法(TLC)通常最低。毛細管GC與CE都屬高效率方法,HPLC居中。 二、CZE的分離原理與帶加寬 CZE使用均相背景電解質與固定電場,依分析物電泳移動率(與電荷/大小比有關)的差異分離。 因素是否為CZE帶加寬原因說明 縱向擴散(longitudinal diffusion)是,最主要分析物沿管軸由高濃度向低濃度擴散;遷移時間越長,加寬越明顯。 焦耳熱(Joule heating)是電流通過電解質產熱;散熱不足會造成徑向溫度梯度,使黏度與移動率不均。 進樣區帶長度(injection plug length)是起始樣品區帶過長,初始寬度就大。 其他:管壁吸附、電導度不匹配可能分析物吸附管壁,或樣品與背景電解質電導差異大,造成拖尾或變形。 渦流擴散(eddy diffusion)否填充床中多重流路造成,未填充的毛細管沒有此機制。 質量轉移(mass transfer)否流動相與固定相間交換不及造成,均相CZE沒有固定相。 散熱良好時,提高電壓可縮短遷移時間,減少縱向擴散的累積,使效率提高;但電壓過高會加劇焦耳熱。所以「增加電壓」不是CZE帶加寬的主要因子。 三、毛細管內徑、黏度與電滲流 內徑越細,表面積與體積比越大,散熱越好,也可降低電流與產熱。內徑變大會使散熱變差、溫度梯度變大,因此「內徑越大散熱越佳」是錯的。常用內徑約25~100 μm。 電泳移動率與電荷成正比,與介質黏度及離子大小成反比:黏度越大,電泳移動率越小。分析物的實際移動速度,是自身電泳速度與EOF速度的向量和。 未塗層熔矽毛細管在約pH 7時,內壁矽醇基(Si–OH)解離成Si–O⁻而帶負電,吸引溶液中陽離子形成電雙層。施加電場後,這些陽離子朝陰極移動並帶動整體溶液,形成由陽極流向陰極的EOF。EOF通常強於多數離子的電泳速度,所以陽離子、中性分子、陰離子都會被帶往陰極端偵測,出峰順序一般為:陽離子 → 中性分子 → 陰離子。 CE的分離不只由電壓決定。電壓提供驅動力,緩衝液pH、離子強度、黏度、管壁狀態與添加劑(界面活性劑、環糊精等)都會影響遷移與選擇性;進樣也可使用壓力或虹吸。 四、CE的分離模式與中性物質 模式分離依據適用對象 毛細管區帶電泳(CZE)電荷/大小比造成的電泳移動率差異帶電分子;中性分子會一起隨EOF移動,無法彼此分開 膠束電動層析法(MEKC)中性分子在水相與膠束(擬固定相)間的分配差異中性(不帶電)分析物,也可分析帶電物質 毛細管膠體電泳(CGE)膠體篩分,依分子大小分離蛋白質、核酸(DNA片段) 毛細管等電聚焦(CIEF)在pH梯度中依等電點(pI)聚焦蛋白質、胜肽等兩性分子 毛細管等速電泳(CITP)在前導與尾隨電解質間依移動率排列成連續區帶帶電離子 MEKC在背景電解質中加入濃度高於臨界微胞濃度的界面活性劑,常用十二烷基硫酸鈉(SDS),形成帶負電的膠束。中性分子與膠束的親和力不同,遷移時間就不同,因此可以分離。結論是「CE無法分離中性物質」是錯誤敘述,只是需要選對模式。 五、偵測條件:依分析物的光學特性選擇 CE常用的偵測方法: UV–Vis吸收:最常用,通常在管上(on-column)直接偵測。 雷射激發螢光(LIF):靈敏度極高,適合本身具螢光或經螢光衍生化的分析物。 電化學偵測:包括安培法、脈衝安培法、電導度法,適合具電化學活性的分析物。 質譜(CE-MS)。 折光率法(RI)不是CE的常用偵測方法:毛細管偵測體積極小,RI靈敏度不足,且對溫度變化非常敏感。 毛細管內直接UV偵測的光徑等於內徑(約50~75 μm),依比爾定律吸光度與光徑成正比,所以訊號小。加上進樣體積極小,CE的濃度靈敏度通常低於HPLC。樣品用量少與高效率,都不等於濃度靈敏度高。 分析物不吸收UV時,可使用間接UV偵測。做法是在背景電解質中加入會吸收UV、且電荷符號與分析物相同的離子,讓基線維持高吸光值。分析物區帶通過時會依電中性原則置換吸光背景離子,吸光度下降,形成負峰而被偵測。 以CE接UV偵測分析抗氧化劑metabisulphite(S2O5²⁻,陰離子,本身UV吸收弱)時,應選擇50 mM Tris + 15 mM pyromellitic acid(均苯四甲酸),pH 8.0。均苯四甲酸在pH 8.0解離成多價陰離子,具強UV吸收,可作為間接UV偵測的吸光背景離子;其移動率也與小分子無機陰離子相近,峰形較佳。其他選項不適用的原因如下: 磷酸鹽與硼酸鹽在一般偵測波長幾乎不吸收UV,無法提供吸光背景。 SDS用於形成膠束(MEKC),不提供吸光背景。 β-環糊精用於掌性或選擇性分離,也不提供吸光背景。 常考陷阱 「CE再現性較好」「HPLC再現性較差」:錯。再現性是HPLC的優勢,也是藥典採用HPLC的理由。 「CE靈敏度較高」「濃度靈敏度高」:錯。光徑短、進樣量小,濃度靈敏度是CE的弱點。 「HPLC解析度較佳」:錯。CE理論板數高,解析力較高。 「理論板數高、解析力高、分析時間短、溶劑少、較環保、管柱便宜、樣品量少」:都是CE的優點。題目問「何者不是優點」時,應選再現性或靈敏度。 「質量轉移、渦流擴散是CZE帶加寬原因」:錯,這兩者屬填充層析。CZE帶加寬的最主要因子是縱向擴散,焦耳熱與進樣區帶長度也會造成加寬。 「增加電壓是帶加寬最主要因子」:錯。適度提高電壓可縮短時間、減少擴散。 「毛細管內徑越大,散熱越佳」:錯。內徑越細,散熱越好。 「黏度越大,電泳移動率越大」:錯。黏度越大,移動率越小。 「CE無法分離中性物質」:錯。MEKC可分離中性物質;CZE、CIEF、CITP都不適合分離中性分子。 「pH 7熔矽管中EOF由陰極流向陽極」:錯。EOF由陽極流向陰極。 「CE分離僅用電壓」:錯。pH、黏度、添加劑、管壁狀態都會影響分離。 「折光率法是CE常用偵測法」:錯。UV–Vis、LIF、脈衝安培法才是常用方法。 「不吸收UV就不能用UV偵測」:錯。可在背景電解質中加入吸光離子(如pyromellitic acid)做間接UV偵測。 記憶口訣 「板高、解析快、量少省錢又環保;再現、濃敏輸HPLC。」這兩句區分CE的優點與兩大弱點。 「縱擴、焦耳、進樣長;渦流、傳質不上場。」前三者是CZE帶加寬原因,以縱向擴散為主;渦流擴散與質量轉移不是。 「細管散熱、黏大慢走;中性找膠束;自身不吸光,均苯四酸當背景;RI不上場。」串連內徑、黏度、MEKC、間接UV偵測與偵測器選擇的判斷重點。