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图1 4种主要电泳技术的示意图
图2 各种电泳技术出现或建立的年份及其功能

  溶液中带电粒子(离子)在电场中移动的现象。利用带电粒子在电场中移动速度不同而达到分离的技术叫电泳技术。在历史上还曾用过阳离子电泳(cataphoresis)、离子电泳(ionophoresis)等名称。电泳原文由希腊字elektron(琥珀,就是电的意思)和phoros(运动)拼接而成。1937年瑞典学者A.蒂塞利乌斯设计制造了自由界面电泳仪,用自由界面电泳分离了马血清白蛋白和3种球蛋白(定名为 α,β,γ球蛋白)开创了电泳定量分析技术。生物高分子绝大部分都带有电荷,电泳的实验条件又比较温和,可以在较低温度下进行,因此电泳技术在生化研究中已广泛用于蛋白质脂蛋白、多糖、核酸激素维生素等的分离分析。电泳技术特别适用于分析体液及组织内蛋白质的含量。正常和病理血清样品中的电泳差异是疾病诊断的重要指标。

原理

  溶液中带电粒子在电场 (E)中向着与它相异电荷的电极移动,它的移动速度(V)是电场(E)和粒子的有效迁移率(m)的乘积,即:

V=mE

  离子的有效迁移率是一个由许多因素(包括离子半径、溶剂化作用、介电常数、溶剂粘度、离子形状和电荷、pH、解离度和温度等)决定的物化系数。不同有效迁移率的粒子有不同的移动速度,因而可以彼此分离。

电泳仪的基本装置

  由5个单元组成:直流电流、正、负电极槽(包括内装的电极)、分离室、样品注入系统和检测器。

  电泳技术可以分成4种主要类型:区带电泳、自由界面电泳、等速电泳和等电聚焦(图1)。这四种类型的电泳技术是相互补充的, (图1)概括了它们的特性。设有一样品由两种阴离子(B、C)和一种阳离子(D)组成,样品在X处注入(图1)。①区带电泳的整个系统在一种叫做“支持电解质”的AE中。电泳开始一段时间后,样品中的阳离子D移向负极,阴离子 B、C移向正极(图1a)。阴离子B有效迁移率大, 移动距离较长;C有效迁移率小,移动距离短。两者得到分离。②自由界面电泳的样品加于负电极槽;分离室和正电极槽充满一种经过选择的“前导电解质”AE。所谓“前导电解质”就是它的阴离子 A的有效迁移率较B、C的有效迁移率都大。电泳开始后,样品的阳离子D留在负电极槽内,阴离子B、C在前导电解质AE中移动,经过一段时间达到部分分离,出现纯B区带和(B+C)区带,这时与样品阴离子配对的阳离子已不是D而是E(图1b)。③等速电泳的样品加于前导电解质AE和尾随电解质TE之间。尾随电解质和前导电解质的选择恰恰相反,它的阴离子T的有效迁移率较样品阴离子B、C的有效迁移率都小。电泳开始一段时间后,各样品阴离子分开形成各自的但又相连的区带,互不混淆而又以相同的速度趋向正极。它们的配对离子是同一的阳离子E,样品的阳离子D则移向负极(图1c)。④等电聚焦方法只适用于分离两性电解质如蛋白质等。分离室中充满一种“两性载体电解质"(Q)。由于这种电解质的存在,通电后分离室内建立了一个从正极到负极、pH由低到高的pH连续梯度。样品可在任一部位注入,样品中各种两性离子的最终分离取决于它们的等电点pI(即正负电荷相等时溶液的pH值)。两性电解质的特性是在低于其pI的pH溶液中,它的净电荷是正值,在电场下向负极也就是向pH梯度溶液的高pH区移动;而在高于其pI的pH溶液中,它的净电荷为负值,在电场下向正极也就是向pH梯度溶液的低pH区移动。在移动过程中,随着溶液pH值的变化,两性离子的净电荷越来越少,最后停止在净电荷为零的pH区域,即其等电点处。各种两性电解质的等电点pH是一个物化常数,如果彼此不同,即可通过等电聚焦分离(图1d)。

  电泳技术要达到高分辨率,需有效地抑制对流。一个解决办法是在分离室内使用支持载体,但也可以采用其他措施而不用载体,后者称为无载体电泳或自由电泳。采用载体虽能抑制对流但目前尚缺乏既能完全满足实验要求而又没有不良作用的载体。不过有载体时,电泳的仪器设备通常简单、便宜,并且通过载体的选择可以改变样品中不同组分的有效迁移率,提高分辨能力,所以采用的较多。常用的载体有滤纸、醋酸纤维、淀粉、琼脂、琼脂糖、丙烯酰胺等。实际上习惯按工作方式,作用原理或所用载体来命名各种电泳方法,例如自由电泳(无载体);淀粉电泳(淀粉作为载体);高压电泳(加高压电场);等速电泳(区带等速电泳原理)。图2列举了常见的电泳习惯称谓,出现的年份、类型和它们的功用。其中有些技术虽然现在较少应用,甚至不用,但不能否定它们的历史价值及作用。

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