毛细管电泳（CE）是一种多功能且日益重要的分析工具，能够分析从无机小分子到DNA大分子等一系列分析物。CE只需极少的样品制备和高度自动化即可提供可靠的数据，是传统方法（如: 凝胶电泳和液相色谱）的有力替代方案。该技术能够有效检测高亲和力和低亲和力的分子相互作用，轻松分离带电分子和中性分子。通过不同的CE模式，可根据电荷、大小和摩擦力实现分离，适用于多个领域的快速高效分离。
在分析领域的日益重要作用
CE现已成为分析实验室中的一项成熟技术，能够检测从毫摩尔到纳摩尔浓度的结合相互作用。在药物发现和筛选方面，CE尤其有益，有助于分析酶、受体结构域、结构蛋白、核酸复合物、生物活性肽、蛋白质-蛋白质相互作用和抗体。这种广泛的应用范围凸显了CE作为多种领域中的强大且成熟技术的地位。
仪器：CE的核心组件
典型的毛细管电泳系统包括：
- 高压电源：通过施加电场启动分析物分离。
- 样品引入机制：控制样品进入毛细管。
- 毛细管：通常由熔融石英制成，有时涂有聚酰亚胺，并填充有电解质缓冲液。
- 检测器和输出设备：根据分析物的吸收情况记录结果，并生成用于表征的分析物质谱。
为了提高精度，一些系统还配备了温度控制单元以稳定分离过程，因为温度会影响电泳迁移率。检测器通常位于毛细管的阴极端附近，通过小窗口传递紫外-可见光（UV-VIS）进行吸光度测量，同时光电倍增管提供关于离子物种质荷比的更多细节。
图1：典型毛细管电泳工作流程的示意图
分离机制：电泳迁移率和电渗流
在毛细管电泳中，分析物的分离依赖于两种主要机制：
- 电泳迁移率：基于电荷-质量比驱动带电粒子通过毛细管。
- 电渗流（EOF）：在电场内移动缓冲液离子，与电泳迁移相交以增强分离。EOF的流动特性可通过电解质pH值和毛细管表面电荷进行微调，从而减少谱带展宽并获得比高效液相色谱（HPLC）更尖锐的峰。
各种检测系统（UV-Vis、PDA、激光诱导荧光）用于量化分析物，提供与HPLC相似的优势。
毛细管电泳的模式
- 毛细管区带电泳（CZE）：最常见的CE模式，适用于小分子和大分子。分析物根据电荷差异以不同速度迁移，形成不同的区域。在CZE中添加手性选择器可实现手性对映体的分析，这对于D-和L-氨基酸分离等任务非常有用。
- 毛细管凝胶电泳（CGE）：用于大分子，如蛋白质和寡核苷酸。在这里，凝胶填充的毛细管起到分子筛的作用，提供基于大小的分离，并促进生物制药大分子的表征。
- 毛细管等电聚焦（CIEF）：适用于具有独特等电点（pI）的分子。CIEF的pH梯度根据pI分离分子，当达到pI时停止迁移。它特别适用于分析单克隆抗体（mAb）和其他具有天然异质性的治疗药物。
CE相对于HPLC的优势
CE相比高效液相色谱（HPLC）具有显著优势：
- 更高的分离效率和更短的分析时间
- 低样品量和无需昂贵色谱柱的手性分离
- 与各种检测系统兼容的通用性
此外，CE依赖于水溶液而非有机溶剂，是一种环保的选择。与HPLC不同，CE的分离模式仅取决于缓冲液，因此单根毛细管可以支持多种分离模式。这种适应性促进了CE在不同分析环境中的广泛应用。
图2：CE在临床化学中的应用
下一代测序（NGS）与毛细管电泳（CE）的比较
下一代测序（NGS）已成为CE的替代和补充技术，特别是在法医DNA分析中。以下是两者的比较：
毛细管电泳（CE）
- 主要用于STR分型：CE在检测短串联重复序列（STR）方面仍然非常有效，这是法医DNA分析的基石。
- 成熟技术：CE是法医领域的金标准，得到明确协议和法律认可的支持。
- 成本效益：CE对于常规法医测试是经济实惠的，特别是在需要STR分析的情况下。
下一代测序（NGS）
- 提供全面数据：NGS对整个基因组或目标区域进行测序，提供更多关于祖先、特征和微生物DNA的见解。
- 同时分析多种标记物：NGS可以在一次运行中分析STR、单核苷酸多态性（SNP）和其他标记物，使其更加多功能。
- 更高灵敏度：NGS可以检测低水平DNA并解析混合样本，对复杂案件有益。
用NGS替代CE的挑战
- 成本和基础设施：NGS系统昂贵，实验室需要专门的基础设施。
- 数据复杂性：NGS生成大量数据，需要先进的生物信息学专业知识。
- 法医标准：CE的可靠性使其成为法律标准，而NGS正在逐渐获得认可。
在法医工作流程中，CE仍然是常规STR分析的首选，而NGS通常保留用于需要高灵敏度和更多遗传信息的专门案件。
光明的未来
毛细管电泳正在生物制药质量控制和表征方面巩固其地位，特别是对于治疗性蛋白质和寡核苷酸。凭借其高灵敏度和多功能性，CE可与HPLC相媲美，在各类实验室中的存在日益增加。随着NGS的普及，CE和NGS共同为法医工作流程提供了互补的优势，确保这两种技术将继续塑造遗传分析的未来。
