電化學(xué)分離技術(shù)

電化學(xué)分離方法2024/10/20電泳分離法在電場(chǎng)作用下，電解質(zhì)溶液中帶電粒子向兩極作定向移動(dòng)的一種電遷移現(xiàn)象。電泳分離的依據(jù)是不同帶電粒子遷移率的差別。與電遷移所不同的是，電泳通常需要一種多孔材料作電解質(zhì)的支持體，以消除電解質(zhì)的非定向運(yùn)動(dòng)所引起的電泳帶變寬，便于取樣測(cè)定，或獲得分離后的組分。影響電泳的主要因素：帶電粒子遷移率、電解質(zhì)溶液的組成、外加電位梯度、電泳時(shí)間等。

2024/10/20一、高效毛細(xì)管電泳基本原理

在電解質(zhì)溶液中，位于電場(chǎng)中的帶電離子在電場(chǎng)力的作用下，以不同的速度向其所帶電荷相反的電極方向遷移的現(xiàn)象，稱(chēng)之為電泳。由于不同離子所帶電荷及性質(zhì)的不同，遷移速率不同可實(shí)現(xiàn)分離。1.經(jīng)典電泳分離法的不足所用分離柱的柱徑大，柱較短，分離效率不高（遠(yuǎn)低于HPLC），溫度影響大。高效毛細(xì)管電泳在技術(shù)上采取了兩項(xiàng)重要改進(jìn)。2024/10/202.高效毛細(xì)管電泳技術(shù)上的重要突破高效毛細(xì)管電泳在技術(shù)上采取了兩項(xiàng)重要改進(jìn)：一是采用了0.05mm內(nèi)徑的毛細(xì)管,；二是采用了高達(dá)數(shù)千伏的電壓。毛細(xì)管的采用使產(chǎn)生的熱量能夠較快散發(fā)，大大減小了溫度效應(yīng)，使電場(chǎng)電壓可以很高。電壓升高，電場(chǎng)推動(dòng)力大，又可進(jìn)一步使柱徑變小，柱長(zhǎng)增加，高效毛細(xì)管電泳的柱效遠(yuǎn)高于高效液相色譜，理論塔板數(shù)高達(dá)幾十萬(wàn)塊/米，特殊柱子可以達(dá)到數(shù)百萬(wàn)。2024/10/203.電泳現(xiàn)象與電滲流現(xiàn)象

電泳現(xiàn)象：帶電離子在電場(chǎng)作用下的遷移，速度ν電泳2024/10/20電滲流現(xiàn)象

當(dāng)固體與液體接觸時(shí)，固體表面由于某種原因帶一種電荷，則因靜電引力使其周?chē)后w帶有相反電荷，在液-固界面形成雙電層，二者之間存在電位差。

當(dāng)液體兩端施加電壓時(shí)，就會(huì)發(fā)生液體相對(duì)于固體表面的移動(dòng)，這種液體相對(duì)于固體表面的移動(dòng)的現(xiàn)象叫電滲現(xiàn)象。

電滲現(xiàn)象中整體移動(dòng)著的液體叫電滲流（electroosmoticflow，簡(jiǎn)稱(chēng)EOF）。

2024/10/202.HPCE中的電滲現(xiàn)象與電滲流

石英毛細(xì)管柱，內(nèi)充液pH>3時(shí)，表面電離成-SiO-,管內(nèi)壁帶負(fù)電荷，形成雙電層。

在高電場(chǎng)的作用下，帶正電荷的溶液表面及擴(kuò)散層向陰極移動(dòng)，由于這些陽(yáng)離子實(shí)際上是溶劑化的，故將引起柱中的溶液整體向負(fù)極移動(dòng)，速度ν電滲流。2024/10/20HPCE中電滲流的方向

電滲流的方向取決于毛細(xì)管內(nèi)表面電荷的性質(zhì)：內(nèi)表面帶負(fù)電荷，溶液帶正電荷，電滲流流向陰極；內(nèi)表面帶正負(fù)電荷，溶液帶負(fù)電荷，電滲流流向陽(yáng)極；石英毛細(xì)管；帶負(fù)電荷，電滲流流向陰極；改變電滲流方向的方法：

（1）毛細(xì)管改性表面鍵合陽(yáng)離子基團(tuán)；

（2）加電滲流反轉(zhuǎn)劑內(nèi)充液中加入大量的陽(yáng)離子表面活性劑，將使石英毛細(xì)管壁帶正電荷，溶液表面帶負(fù)電荷。電滲流流向陽(yáng)極。2024/10/204.分離過(guò)程

電場(chǎng)作用下，柱中出現(xiàn)：電泳現(xiàn)象和電滲流現(xiàn)象。帶電粒子的遷移速度=電泳和電滲流兩種速度的矢量和。正離子：兩種效應(yīng)的運(yùn)動(dòng)方向一致，在負(fù)極最先流出；中性粒子無(wú)電泳現(xiàn)象，受電滲流影響，在陽(yáng)離子后流出；陰離子：兩種效應(yīng)的運(yùn)動(dòng)方向相反，ν電滲流>ν電泳時(shí),陰離子在負(fù)極最后流出,在這種情況下,不但可以按類(lèi)分離,除中性粒子外,同種類(lèi)離子由于受到的電場(chǎng)力大小不一樣也同時(shí)被相互分離。2024/10/205.分離類(lèi)型(1)

毛細(xì)管區(qū)帶電泳（CZE）

最普遍、最基本的一種分離模式。(2)毛細(xì)管凝膠電泳（CGE）

將聚丙烯酰胺在毛細(xì)管柱內(nèi)交聯(lián)生成凝膠。其具有多孔性，類(lèi)似分子篩的作用，試樣分子按大小分離。能夠有效減小組分?jǐn)U散，所得峰型尖銳，分離效率高?？煞蛛x測(cè)定蛋白質(zhì)、DNA等。2024/10/20(3)毛細(xì)管膠束電動(dòng)色譜（MECC）

在緩沖溶液中加入離子型表面活性劑，形成一疏水內(nèi)核、外部帶負(fù)電的膠束。在電場(chǎng)力的作用下，膠束在柱中移動(dòng)。由于電泳流和電滲流的方向相反，且ν電滲流>ν電泳，則帶負(fù)電的膠束以較慢的速度向負(fù)極方向移動(dòng)，中性試樣分子在膠束相和溶液（水相）兩相間分配，疏水性強(qiáng)的組分與膠束結(jié)合的較牢，流出時(shí)間長(zhǎng)?？捎脕?lái)分離中性物質(zhì)，擴(kuò)展了高效毛細(xì)管電泳的應(yīng)用范圍。2024/10/20二、儀器流程與主要部件

processandmainassembly

電壓：0～30kV；

分離柱不涂敷任何固定液；紫外或激光誘導(dǎo)熒光檢測(cè)器；（可檢測(cè)到：10-19～10-21

mol/L）2024/10/201.高壓電源（1）0～30

kV穩(wěn)定、連續(xù)可調(diào)的直流電源；（2）具有恒壓、恒流、恒功率輸出；（3）電場(chǎng)強(qiáng)度程序控制系統(tǒng)；（4）電壓穩(wěn)定性：0.1%；（5）電源極性易轉(zhuǎn)換；2.毛細(xì)管柱

（1）材料：石英：各項(xiàng)性能好；玻璃：光學(xué)、機(jī)械性能差；（2）規(guī)格：內(nèi)徑20～75μm，外徑350～400μm；長(zhǎng)度<=1m2024/10/203.緩沖液池

化學(xué)惰性，機(jī)械穩(wěn)定性好；4.檢測(cè)器

要求：具有極高靈敏度，可柱端檢測(cè)；檢測(cè)器、數(shù)據(jù)采集與計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理一體化；

類(lèi)型檢測(cè)限/mol特點(diǎn)紫外-可見(jiàn)10-13～10-15加二極管陣列，光譜信息熒光10-15～10-17靈敏度高，樣品需衍生激光誘導(dǎo)熒光10-18～10-20靈敏度極高，樣品需衍生電導(dǎo)10-18～10-19離子靈敏，需專(zhuān)用的裝置；2024/10/20高效毛細(xì)管電泳儀器（1）2024/10/20高效毛細(xì)管電泳儀器（2）2024/10/20高效毛細(xì)管電泳儀器（3）2024/10/20三、影響柱效的因素及改進(jìn)方法熱效應(yīng)：焦耳熱仍是影響柱效的主要因素。采用外部冷卻的方法散熱，擇合適的電壓和電解質(zhì)也是提高柱效的有效途徑。選擇合適的電解質(zhì)降低電阻，電流低于200微安，一般幾十微安。電滲流控制：電滲流的大小和方向依賴(lài)于毛細(xì)管壁與溶液間電勢(shì)的極性和大小。使用添加劑可以改變電滲流的大小和方向，如添加NaCl和甲醇可降低電滲流；加入乙腈則可以增大電滲流。加入反轉(zhuǎn)劑。則可以改變電滲流的方向。2024/10/20四、主要特點(diǎn)和應(yīng)用高分辨率：理論塔板數(shù)高達(dá)數(shù)百萬(wàn)塊，甚至數(shù)千萬(wàn)塊。高靈敏度：可檢測(cè)出低至10-21

mol/L濃度的物質(zhì)。高分析速度：可在3分鐘內(nèi)分離30種陰離子；1.7分鐘分離19種陽(yáng)離子;4分鐘可分離10種蛋白質(zhì).試樣用量少：僅需幾nL（10-9L）的試樣儀器簡(jiǎn)單，操作成本低：分析一個(gè)試樣僅需幾毫升流動(dòng)液。不足之處：進(jìn)樣不夠方便。應(yīng)用范圍相對(duì)較窄。分析陰離子時(shí)，由陰極進(jìn)樣，在陽(yáng)極檢測(cè)。但電滲流方向與陰離子受電場(chǎng)力作用移動(dòng)方向相反，出峰時(shí)間較長(zhǎng)。2024/10/20電滲析分離法滲析過(guò)程：以濃度差使溶質(zhì)透過(guò)膜而分離的過(guò)程。速率低，適用于引用外力有困難或自身有足夠濃度的物質(zhì)的分離，也適用少量物料處理，典型用途是血液透析。電滲析（electrodialysis）分離：離子在電場(chǎng)作用下遷移和離子交換技術(shù)結(jié)合的一種分離方法。

（電遷移＋離子交換）2024/10/20電滲析分離裝置示意圖

分離過(guò)程：當(dāng)陰陽(yáng)電極上加上電壓時(shí)，料液池中陽(yáng)離子通過(guò)陽(yáng)離子交換膜遷移到陰極池中；陰離子通過(guò)陰離子交換膜遷移到陽(yáng)極池中；料液中的沉淀顆粒、膠體、非離子性物質(zhì)不能通過(guò)（陰或陽(yáng)）離子交換膜，留在料液中。I：陽(yáng)極池；II：料液池；III：陰極池。A：陰離子交換膜，常壓下不透水，只允許陰離子通過(guò)；C：陽(yáng)離子交換膜，只允許陽(yáng)離子通過(guò)。2024/10/20++++++陽(yáng)極－－－－－－Cl-Na＋陽(yáng)膜陽(yáng)極室Cl-Cl-Cl-Na＋Na＋Cl-Na＋Na＋Cl-Cl-Na＋Na＋濃縮室淡化室濃縮室陰極室陽(yáng)膜電滲析過(guò)程原理圖陰膜陰膜陰極2024/10/20

離子交換膜的選擇透過(guò)性源于膜上孔隙和膜上離子基團(tuán)。膜上孔隙的作用：離子通過(guò)膜的大門(mén)和通道。膜上離子基團(tuán)的作用：在水溶液中，膜上的離子交換基因會(huì)解離，在膜上就留下帶正或負(fù)電荷的固定基團(tuán)。這些存在于膜微孔中的荷電基團(tuán)，好比在一條狹長(zhǎng)的通道中設(shè)立的一個(gè)個(gè)關(guān)卡或“警衛(wèi)”，以鑒別和選擇通過(guò)的離子。離子交換膜的選擇透過(guò)性因此，這里的離子交換膜的作用不是離子交換，而是離子選擇性通過(guò)。2024/10/20離子交換膜功能示意圖2024/10/20電滲析法的應(yīng)用電滲析是膜分離過(guò)程中較為成熟的一項(xiàng)