Что такое канал капиллярного электрофореза

Канал капиллярного электрофореза - это очень важное понятие и основной компонент технологии капиллярного электрофореза. Проще говоря, это очень тонкий капилляр из плавленого кварца, в котором происходит электрофоретическое разделение.

Можно представить его как "разделительный туннель в микроскопическом мире" или "высокоскоростную магистраль на чипе".

Определение ядра и физическая структура

Сущность: Это просто капиллярная трубка из плавленого кварца.

Типовые размеры:
Внутренний диаметр обычно составляет 25-100 мкм (около толщины человеческого волоса), внешний диаметр - 150-400 мкм, а длина - 30-100 см.

Материал:
Большинство каналов изготавливается из плавленого кварца благодаря его отличной оптической прозрачности (удобной для обнаружения), химической инертности и электроизоляции.

Принцип работы: Молекулярная гонка, управляемая электрическим полем

В капиллярном электрофорезе движущей силой разделения является электрическое поле высокого напряжения, а не насосы для перекачки жидкости, как в хроматографии. Весь канал (капилляр) заполнен раствором электролита, называемым буфером.

Когда высокое напряжение (обычно 10-30 кВ) прикладывается к двум концам капилляра, происходят следующие процессы, приводящие к разделению образцов:

Электроосмотический поток (EOF)

Внутренняя стенка капилляра из плавленого кремнезема становится отрицательно заряженной в буфере, притягивая катионы, образуя компактный "катионный слой".

Под действием высокого электрического поля этот слой катионов увлекает весь буферный раствор к катоду, как "конвейерная лента". Это явление называется электроосмотическим потоком (ЭОП). ЭОФ является основной движущей силой, которая перемещает все вещества вперед.

Электрофорез

Между тем, молекулы образца также мигрируют в электрическом поле в соответствии с их отношением заряда к массе.

• Положительно заряженные молекулы: мигрируют к катоду, двигаясь в том же направлении, что и EOF, и, таким образом, перемещаются быстрее всего.
• Нейтральные молекулы: не обладают электрофоретической подвижностью и движутся только по "конвейеру" EOF, поэтому они движутся с одинаковой скоростью и не могут быть разделены.
• Отрицательно заряженные молекулы: мигрируют к аноду, противоположно EOF. Однако EOF обычно сильнее, чем их собственная электромиграция, поэтому они все равно "тащатся" к катоду, но с наименьшей чистой скоростью.

Окончательный результат:
Различные молекулы движутся в канале с разной скоростью в зависимости от их чистого заряда, размера и формы, что приводит к разделению. Первыми в детектор попадают высокозаряженные мелкие катионы, затем нейтральные, а последними - высокозаряженные крупные анионы.

Основные характеристики

• Высокая эффективность:
  Поскольку капилляр очень узкий, тепло эффективно рассеивается, что позволяет прикладывать очень высокие напряжения и достигать чрезвычайно высокой эффективности разделения (теоретическое число пластин может достигать нескольких сотен тысяч или даже миллионов на метр).
• Скорость:
  Анализ обычно занимает от нескольких минут до десятков минут.
• Употребление микроскопических образцов:
  Требуется лишь нанолитровый объем образца, что делает его идеальным для ценных образцов, таких как анализ одноклеточных.
• Автоматизация:
  Процессы впрыска, разделения и промывки могут быть в значительной степени автоматизированы.

Две основные формы

Каналы обычного капиллярного электрофореза

Это относится к одному капилляру из плавленого кварца, описанному выше, и является наиболее широко используемым форматом.

Каналы капиллярного электрофореза на кристалле

Это основа технологии микрофлюидных чипов. Она "гравирует" обычные капиллярные структуры на плоской подложке (например, стекле, плавленом кварце или полимере), формируя сложные сети микроканалов.

Структура:
Микроканалы микрометровой ширины и глубины изготавливаются на чипе с помощью методов фотолитографии и травления.

Преимущества:

• Высокая степень интеграции:
  Предварительная обработка образца, реакция, разделение и обнаружение - все это может быть интегрировано в чип размером с марку, создавая "лабораторию на чипе".
• Сверхбыстрый анализ:
  Благодаря более коротким каналам разделение может быть выполнено в течение нескольких секунд.
• Высокая пропускная способность:
  Несколько каналов могут работать параллельно для одновременного анализа нескольких образцов.

Приложения: Анализ фрагментов ДНК, изучение белков, экспресс-диагностика заболеваний и т.д.

Основные области применения

Капиллярные электрофорезные каналы широко используются благодаря высокому разрешению и высокой чувствительности:

• Науки о жизни: Секвенирование ДНК, анализ фрагментов (например, для диагностики генетических заболеваний), анализ белков, анализ одноклеточных.
• Фармацевтический анализ: разделение хиральных препаратов, проверка чистоты, изучение метаболитов.
• Анализ продуктов питания и окружающей среды: обнаружение добавок, остатков пестицидов, анализ ионов (например, анионов в питьевой воде).
• Криминалистика: ДНК-отпечатки пальцев.

Резюме

Капиллярный электрофорез - это мощный инструмент, использующий высоковольтные электрические поля для разделения ионов и молекул в трубках микроскопического размера. Благодаря высокой эффективности, высокой скорости и чрезвычайно низкому расходу образца он стал незаменимой платформой для разделения в современной аналитической науке, особенно в науках о жизни. От простого капилляра из плавленого кварца до высокоинтегрированного микрофлюидного чипа - основной принцип остается неизменным: это "микроскопическая гоночная трасса электрического поля".