2016年毛細管電泳技術(shù)年度回顧

劉品多, 孫 淼, 劉曉慧, 牛夏夢, 趙新穎, 屈 鋒*

(1. 北京理工大學(xué)生命學(xué)院, 北京 100081; 2. 北京市理化分析測試中心,有機材料檢測技術(shù)與質(zhì)量評價北京市重點實驗室, 北京 100089)

年度回顧

2016年毛細管電泳技術(shù)年度回顧

劉品多1, 孫 淼1, 劉曉慧1, 牛夏夢2, 趙新穎2, 屈 鋒1*

(1. 北京理工大學(xué)生命學(xué)院, 北京 100081; 2. 北京市理化分析測試中心,有機材料檢測技術(shù)與質(zhì)量評價北京市重點實驗室, 北京 100089)

本文為2016年毛細管電泳(CE)技術(shù)的年度回顧。歸納總結(jié)了ISI Web of Science中檢索的2016年度CE技術(shù)相關(guān)的論文,從藥物及天然產(chǎn)物、醫(yī)學(xué)及臨床檢驗、食品及農(nóng)業(yè)、生物分子、手性分析、環(huán)境監(jiān)測、CE-質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)、其他化合物和離子檢測等方面進行了分類說明。簡要介紹了2016年涉及CE技術(shù)的5個國際會議、2個國內(nèi)會議以及各會議的研究報告情況。最后介紹了目前國內(nèi)外主要的毛細管電泳儀器。

毛細管電泳;2016;年度回顧

1 期刊論文聚焦

截止至2016年12月31日,以“capillary electrophoresis”或“capillary isoelectric focusing”或“micellar electrokinetic chromatography” 或 “CE-MS”為標題,排除“capillary electrochromatography”、排除“microchip ”、排除“capillary monolithic column”主題進行檢索,期刊論文共458篇。特別值得一提的是加拿大Ottawa大學(xué)的Jeffrey Keillor和Maxim Berezovski于2016年在Nature Chemical Biology發(fā)表了論文Simultaneous analysis of enzyme structure and activity bykinetic capillary electrophoresis-MS(doi: 10.1038/nchembio.2170)。該工作建立了毛細管電泳-紫外檢測-離子淌度-質(zhì)譜(CE-UV-IM-MS)一體化檢測方法。利用動力學(xué)毛細管電泳和紫外檢測可分離分析人谷氨酰胺轉(zhuǎn)胺酶TG2的兩種構(gòu)象異構(gòu)體,并可監(jiān)測兩種構(gòu)象的分布和轉(zhuǎn)換。并將毛細管電泳紫外檢測與離子淌度質(zhì)譜聯(lián)用,同時實時檢測了小分子配體對兩種構(gòu)象分布和酶活性的影響。該工作首次實現(xiàn)了一次實驗同時完成蛋白質(zhì)的構(gòu)象和活性分析。本年度分析化學(xué)學(xué)科最有影響力的雜志Analytical Chemistry發(fā)表22篇CE論文,與前兩年基本持平;Electrophoresis發(fā)表99篇CE論文,遠高于去年的65篇。其他重要分析化學(xué)期刊發(fā)表CE論文數(shù)分別為Journal of Chromatography A 40篇、Journal of Separation Science 6篇、Talanta 21篇、Analytical Chimica Acta 21篇、Analyst 6篇,各雜志論文數(shù)有波動,但文章總數(shù)基本持平。本文針對新的和重要的CE技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域,分別從藥物及天然產(chǎn)物、醫(yī)學(xué)及臨床檢驗、食品及農(nóng)產(chǎn)品、生物分子、手性分析、環(huán)境監(jiān)測、組學(xué)研究、CE-MS聯(lián)用技術(shù)、其他化合物和離子檢測等方面進行分類介紹。

1.1 藥物及天然產(chǎn)物

CE分析檢測藥物或天然產(chǎn)物主要包括合成藥物、蛋白藥物及植物有效成分。

合成藥物的分析檢測包括不同劑型中有效藥物成分檢測:應(yīng)用膠束電動毛細管色譜法(MEKC)檢測肽類藥物戈舍瑞林,可在30 min內(nèi)將其與修飾的戈舍瑞林分離;應(yīng)用毛細管區(qū)帶電泳法(CZE)和MEKC對抗菌藥物制劑中的抗菌物質(zhì)進行鑒定,結(jié)果顯示洛美沙星、達氟沙星等藥物應(yīng)用CZE分析效果較好,而呋喃唑酮、呋喃西林等藥物則應(yīng)用MEKC分析效果較好;應(yīng)用CZE測定6種抗帕金森藥物成分,在背景緩沖液中加入環(huán)糊精可以同時檢測6種藥物;CZE一次運行中多次進樣實現(xiàn)了藥物中利多卡因的高通量分析,與單次進樣相比精密度接近,可有效加快藥物質(zhì)量檢測的速度;應(yīng)用CZE法同時定量檢測藥物中的二甲雙胍和維格列汀,可在5 min內(nèi)完成兩組分檢測,且與HPLC檢測法相比沒有明顯統(tǒng)計學(xué)差異;應(yīng)用CZE檢測抗高血壓藥物阿替洛爾和比索洛爾,研究了不同pH、離子強度、電壓和溫度對檢測結(jié)果的影響;應(yīng)用MEKC檢測4種抗偏頭痛藥物鹽酸曲他維林、咖啡因、撲熱息痛和安乃近,利用動態(tài)pH連接法即樣品緩沖液為pH 2.15、電泳緩沖液pH 9.3時,11 min內(nèi)即可對4種藥物進行有效分離;MEKC檢測氫氯噻嗪、伊貝沙坦、比索洛爾和氯噻嗪,可在8 min內(nèi)同時檢測出市售藥物中的4種組分,并研究了十二烷基硫酸鈉(SDS)濃度、分離緩沖液濃度、溫度和電壓對4種組分分離效果的影響。合成藥物的分析檢測還包括實際樣本中的合成藥物檢測:單滴微萃取在線毛細管電泳聯(lián)用可測定尿樣中的非甾體類抗炎藥物,實際樣品檢測限范圍為1.0～2.5 mg/L,回收率為82%～115%;采用CZE與大體積進樣和極性切換方法,結(jié)合加速溶劑萃取測定水產(chǎn)品中喹諾酮類和磺胺類藥物,能有效監(jiān)測水產(chǎn)品中的抗生素殘留;應(yīng)用MEKC測定人尿液中的β-受體阻滯劑,日間精密度與日內(nèi)精密度均低于20%,重現(xiàn)性良好;應(yīng)用CZE對腦脊液中兒茶酚胺熒光衍生物進行在線富集和高靈敏檢測,檢出限達到20 pmol/L。CE還可用于研究藥物相互作用:利用毛細管在線反應(yīng)可針對人類免疫缺陷病毒1型(HIV1)病毒的gp41核心結(jié)構(gòu)篩選融合抑制劑,從100多種中藥提取物中篩選出了能夠明顯抑制病毒感染性的病毒抑制劑;應(yīng)用親和毛細管電泳(ACE)研究了β-環(huán)糊精-藥物復(fù)合物中藥物的釋放傳遞,結(jié)果表明β-環(huán)糊精與細胞膜的親和力大于與藥物分子的親和力,有利于藥物釋放進入靶細胞;利用CZE檢測各類藥物劑型中抗凝血酶成分的二聚體構(gòu)象,該方法可有效分離自然態(tài)、休眠態(tài)及二聚體形態(tài)的抗凝血酶成分。建立CE新方法可同時檢測多種合成藥物:應(yīng)用CZE偶聯(lián)非接觸式電導(dǎo)檢測器可快速檢測苯海拉明、吡哆醇和8-氯茶堿,每小時可進樣20次;CZE結(jié)合LED(發(fā)光二極管)誘導(dǎo)熒光檢測可測定阿霉素和柔紅霉素的含量,可在15 min內(nèi)檢測出兩種物質(zhì),且精密度高,RSD小于2%。

蛋白藥物的有效質(zhì)控方法對蛋白藥物的安全性評價至關(guān)重要。利用CE分析蛋白藥物包括:CZE可在25 min內(nèi)分析胰島素藥劑中的4種主要魚精蛋白肽;CZE檢測單克隆抗體含量的RSD<5%,可用于單克隆抗體的質(zhì)量檢測;毛細管等電聚焦(CIEF)可表征單克隆抗體特定區(qū)域的電荷異質(zhì)性,用SpeB將單克隆抗體IgG水解成LC、Fd、Fc/2 3個結(jié)構(gòu)片段,應(yīng)用CIEF檢測各個片段的等電點,該方法可表征單克隆抗體各結(jié)構(gòu)域的電位。

CE用于天然產(chǎn)物的成分分析包括:CZE定量檢測栓藤提取物中酚類抗氧物;MEKC-UV檢測中藥材總芹菜素的含量;應(yīng)用CZE篩選及評估天然產(chǎn)物中具有抗氧化功能的生物堿,可有效評估復(fù)雜樣本的抗氧化功能;應(yīng)用CZE法可從多糖和天然提取物中篩選神經(jīng)氨酸酶抑制劑等。

1.2 醫(yī)學(xué)及臨床檢驗

毛細管電泳在醫(yī)學(xué)及臨床檢驗中的應(yīng)用包括患者的病理檢測、疾病診斷、疾病機理分析及體內(nèi)代謝物分析等。分析對象是體液或組織中的藥物、疾病相關(guān)標志物和離子等。

病理檢測包括:使用冷卻裝置將患者呼出的氣體凝結(jié)成液體樣本,應(yīng)用CZE檢測樣本中美沙酮含量,可以有效監(jiān)測美沙酮在體內(nèi)的代謝情況,調(diào)整用藥量;收集清洗皮膚的雙蒸水分別用CZE和電位滴定法檢測皮膚中的抗氧化物抗壞血酸、尿酸和谷胱甘肽,檢測范圍為1～300 μmol/L,該文應(yīng)用CE進行皮膚中抗氧化物質(zhì)的測定,與傳統(tǒng)電位滴定法相比更加快捷靈敏;CZE同時檢測唾液中的硫氰酸根離子、亞硝酸根離子和硝酸根離子,檢出限為3.1～4.9 μg/L, 3種離子為體內(nèi)新陳代謝的終端產(chǎn)物,快速檢測此3種離子有助于分析體內(nèi)代謝情況;應(yīng)用毛細管電泳連接激光誘導(dǎo)熒光檢測器(CE-LIF)介導(dǎo)的熒光放大信號法可檢測血漿總膽固醇,檢出限達到納摩爾級;CZE結(jié)合固相萃取測定人尿液中的毒品可卡因、可待因、美沙酮和美施康定,實際樣品的檢出限范圍為20～50 μg/L,該方法有可能用于其他生物樣本的檢測,進而分析藥物代謝情況;應(yīng)用CZE檢測螺內(nèi)酯口服片劑、口服膠囊和復(fù)方?jīng)_劑的藥物含量,還能同時檢測尿液中的螺內(nèi)酯及其代謝物坎利酮從而確定該藥物的生物利用度。

體內(nèi)代謝物分析包括:應(yīng)用CZE檢測血清中的代謝物,在電泳緩沖液中加入質(zhì)量分數(shù)為5%的γ-環(huán)糊精,可同時檢測4種外消旋氨基鏈烷醇基衍生物的立體異構(gòu)體,檢出限為141.2～141.7 μg/L; CZE連接非接觸電導(dǎo)檢測人腦脊液中的硝酸鹽,電泳過程中通過正負電極變換使樣品富集,提高了檢測靈敏度,信噪比比未富集時增強了60倍;MEKC-MS檢測大麻素及其代謝產(chǎn)物,首次將全氟酸作為表面活性劑,電泳緩沖液成分為150 mol/L氫氧化銨、75 mol/L全氟酸和體積分數(shù)為10%的丙二醇,可在30 min內(nèi)檢測出15種大麻素衍生物及代謝物;CZE連接非接觸電導(dǎo)檢測吸煙者和非吸煙者唾液中的硫氰酸鹽水平,發(fā)現(xiàn)吸煙者唾液中硫氰酸鹽水平顯著升高,該方法日內(nèi)精密度和日間精密度分別為0.7%～1.7%和2.4%～6.4%,回收率為72%～141%;應(yīng)用MEKC檢測頭孢吡肟在患者血清中的含量,通過分析1 000個患者血液樣品,發(fā)現(xiàn)血清藥物含量在1.0～131.7 mg/L間,該數(shù)據(jù)可為臨床用藥監(jiān)測提供參考;去鐵胺和去鐵酮是治療地中海貧血病患者因輸血引起的鐵過載的主要藥物,應(yīng)用MEKC可在10 min內(nèi)檢測血清中的去鐵胺和去鐵酮,該方法可用于檢測藥物代謝情況并輔助指導(dǎo)臨床用藥劑量。

1.3 食品及農(nóng)產(chǎn)品

近幾年食品安全問題越來越受到重視,CE用于食品安全和農(nóng)產(chǎn)品檢測的方法逐年增多。食品安全檢測中主要包括食品添加劑、食品中某些組分或有害成分的檢測。農(nóng)產(chǎn)品檢測包括農(nóng)藥殘留物和農(nóng)產(chǎn)品有效成分檢測。

食品添加劑檢測包括:無表面活性劑的微乳液增強中空纖維液相微萃取結(jié)合MEKC檢測在飲料和尿液中的鄰苯二甲酸酯類;MEKC快速測定膳食補充劑四吲哚化合物;MEKC同時測定11種食品添加劑,40 min內(nèi)即可同時檢測出咖啡因、阿力甜、阿斯巴甜、紐甜、脫氫乙酸、山梨酸、田菊糖、奎寧、苯甲酸、糖精、安賽蜜等常用食品添加劑,檢出限范圍為0.25～2.5 mg/L,回收率范圍為81.6%～115%; CZE檢測功能性食品中的西布曲明和酚酞。

食品特定組分檢測包括:磁珠固相萃取葡萄酒中的鋅、銅、錳、鎘與1,10-臨菲咯啉形成的絡(luò)合物,應(yīng)用CZE可在17.5 min內(nèi)同時檢測出4種絡(luò)合物;CZE同時檢測蜂蜜和牛奶中的甘露醇、蔗糖、乳糖、葡萄糖和果糖,應(yīng)用石墨烯-鈷微球混合糊電極可在9 min內(nèi)檢測出這5種碳水化合物;應(yīng)用PCR結(jié)合CGE檢測犬類罐頭食品中肉類的品種,可在15 min內(nèi)檢測出是否含有與商品包裝標注相符合的肉類品種如牛肉、豬肉、羊肉和雞肉;MEKC可在12 min內(nèi)檢測能量和運動飲料中水溶性維生素包括維生素C、B1、B2、B3、B5、B6、B12等。

有害成分檢測包括:應(yīng)用CZE同時檢測魚類產(chǎn)品中硝酸鹽和亞硝酸鹽;場放大進樣CZE測定飲料和湖水中的α-萘酚和β-萘酚;無膠篩分毛細管電泳鑒別高危海產(chǎn)品中的血清型霍亂弧菌;使用聚多巴胺作為毛細管涂層,應(yīng)用CZE測定牛奶中的三聚氰胺等。

農(nóng)殘檢測包括:應(yīng)用蒙脫石磁性分子印跡聚合物選擇性萃取結(jié)合CZE檢測牛乳樣品中殘留的氟喹諾酮類藥物;超聲波輔助分散液體微萃取-掃描MEKC和色譜法檢測藥用植物中有機磷農(nóng)藥檢測;應(yīng)用MEKC可在5 min內(nèi)檢測出蜂蜜中三嗪類除草劑,撲草凈、莠滅凈、特丁凈、莠去津和西馬津這5種除草劑的檢出限可達到7.85、7.85、5.37、5.21和8.50 μg/L;基于廣譜適配體的CZE檢測有機磷農(nóng)藥成分,應(yīng)用熒光標簽CdTe/DcS核殼量子點(QD)與適配體(aptamer)堿基互補序列寡核苷酸(AMO)發(fā)生酰胺化反應(yīng),形成復(fù)合物QD-AMO, QD-AMO與aptamer孵育通過堿基互補形成復(fù)合物DQ-AMO-aptamer,加入待測農(nóng)藥后有機磷成分與aptamer特異性結(jié)合,DQ-AMO-aptamer減少而DQ-AMO增加,應(yīng)用CZE檢測DQ-AMO-aptamer和DQ-AMO的含量從而得出有機磷含量,該方法檢測甲拌磷、丙溴磷、水胺硫磷和氧化樂果的檢出限分別為0.2、0.1、0.17和0.23 μmol/L。

農(nóng)產(chǎn)品有效成分分析包括:電泳緩沖液中加入質(zhì)量分數(shù)為2%的羥丙基甲基纖維素,CZE可直接檢測果蔬中Ca2+、K+、Na+和Mg2+;應(yīng)用CZE檢測葡糖胺化合物,在背景溶液中加入Cu2+,它與葡萄糖胺化合物形成穩(wěn)定復(fù)合物解決了葡萄糖胺自身紫外吸收低的問題,因此,在236 nm的檢測波長下,可在20 min內(nèi)同時檢測N-(1-脫氧左旋糖-1-烴基)-纈氨酸、N-(1-脫氧左旋糖-1-烴基)-亮氨酸、N-(1-脫氧左旋糖-1-烴基)-甲硫氨酸、N-(1-脫氧左旋糖-1-烴基)-谷氨酸和N-(1-脫氧左旋糖-1-烴基)-丙氨酸5種葡萄糖胺化合物;MEKC檢測了92種來自中國和日本不同產(chǎn)地綠茶中的兒茶素類化合物的含量,包括兒茶素、表沒食子兒茶素和表兒茶素沒食子酸酯,結(jié)果顯示日本綠茶中各類兒茶素含量近似,而中國各產(chǎn)地的兒茶素含量顯著不同,且日本綠茶中的兒茶素含量整體低于中國綠茶。

1.4 生物分子

CE檢測生物大分子如蛋白質(zhì)、核酸、糖類等具有優(yōu)勢,同時也廣泛用于生物小分子或代謝中間產(chǎn)物的檢測。

蛋白質(zhì)的檢測包括:紐約血紅蛋白是一種變異血紅蛋白[β113(G15)al→Glu, GTG→GAG],可在地中海貧血病人的血液中檢測到,應(yīng)用CZE可在6 min內(nèi)檢測到全血樣品中的變異血紅蛋白,該方法比HPLC更靈敏;糖蛋白的唾液酸化程度決定了重組糖蛋白的溶解性、生物活性和血漿半衰期等性質(zhì)和重要指標,應(yīng)用CIEF檢測細胞培養(yǎng)過程中唾液酸蛋白的含量,可以有效監(jiān)測重組蛋白的產(chǎn)量和安全性;α-突觸核蛋白與帕金森癥密切相關(guān),將α-突觸核蛋白經(jīng)異硫氰酸熒光素或Chromeo P503熒光標簽修飾后,應(yīng)用CGE連接激光檢測器可快速檢測該蛋白質(zhì),建立表征和定量檢測該蛋白質(zhì)的方法有助于帕金森病的相關(guān)研究;95%的臨床多發(fā)性硬化癥患者腦脊液中均能檢測出IgG,此項指標指示了神經(jīng)中樞系統(tǒng)鞘內(nèi)炎癥,應(yīng)用CIEF分別檢測患者和正常人的腦脊液和血液,發(fā)現(xiàn)患者的腦脊液在等電點7.7～10區(qū)間的信號強度顯著高于血液的信號強度,而正常人的血液和腦脊液在此等電點區(qū)間內(nèi)的信號強度沒有明顯差異,該方法可用于快速診斷多發(fā)性硬化癥;CZE-UV可檢測商品白蛋白和IgG的純度,還可同時檢測人血液中的白蛋白和IgG的含量,與歐洲藥典中凝膠電泳法相比,該方法操作更方便,且效率更高,檢測效果更好;應(yīng)用微透析連接CZE可測定脂肪細胞3T3-L1對支鏈氨基酸的攝取和釋放,異亮氨酸、亮氨酸、纈氨酸和下游代謝物丙氨酸、谷氨酰胺、谷氨酸是脂肪細胞脂肪生成的重要指標,將細胞破碎后應(yīng)用微透析獲取氨基酸,再應(yīng)用CZE在線反應(yīng)連接熒光標簽,可在30 s內(nèi)檢測出全部氨基酸,實驗結(jié)果對深入了解脂肪代謝有重要意義;應(yīng)用on-line CE可進行胰蛋白酶水解賴氨酸聚合多肽的柱上反應(yīng),并可同時檢測反應(yīng)后的產(chǎn)物,還可分析多個參數(shù)如進樣體積、反應(yīng)物濃度和反應(yīng)時間等對胰蛋白酶水解效果的影響;應(yīng)用on-line CE進行羧肽酶水解肽段的柱上反應(yīng),并對水解產(chǎn)生的各類氨基酸同時進行分離檢測,該方法可用于檢測多肽的氨基酸成分;應(yīng)用CZE檢測小分子對蛋白質(zhì)間相互作用的影響,抗凋亡蛋白Bcl-XL與配體BH3形成蛋白質(zhì)-配體復(fù)合物,當(dāng)抑制劑ABT-263存在時,配體BH3峰面積升高,同時蛋白質(zhì)-配體復(fù)合物峰面積降低,表明蛋白質(zhì)-配體復(fù)合物的形成受阻,該方法可研究影響蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)相互作用的抑制劑。

核酸的檢測包括:應(yīng)用CZE檢測釀酒酵母中三磷酸腺苷(ATP)和其代謝產(chǎn)物二磷酸腺苷(ADP)、一磷酸腺苷(AMP)和環(huán)磷酸腺苷(cAMP),可于40 min內(nèi)檢測出4種腺嘌呤核苷酸的含量,從而分析釀酒酵母菌的新陳代謝情況;應(yīng)用CZE檢測核酸染料Hoechst33258、SYBR Green Ⅰ和SYBR Green Ⅱ?qū)CR反應(yīng)的抑制作用,結(jié)果發(fā)現(xiàn)Hoechst33258完全抑制PCR反應(yīng),SYBR Green Ⅰ和SYBR Green Ⅱ在低濃度下對PCR反應(yīng)有促進作用;應(yīng)用聚乙烯醇涂層熔融石英毛細管,采用CGE模式可對siRNA進行分離,該方法不僅能分離不同堿基數(shù)的siRNA,還能分離相同堿基數(shù)的有不同二級結(jié)構(gòu)或不同修飾的siRNA;將羥乙基纖維素聚合物作為背景添加劑,應(yīng)用CGE模式可分離不同非編碼區(qū)堿基數(shù)為100～10 000 nt的長鏈RNA; miRNA是一類單鏈微小非編碼區(qū)RNA,在腫瘤患者的血清和組織液中均可檢測到特定miRNA,僅需900 μL血液即可應(yīng)用CZE-MS檢測腫瘤患者血清中的5條標志性miRNA,該方法無需富集或PCR步驟,可用于檢測腫瘤標志物;應(yīng)用CZE表征隨機單鏈DNA(ssDNA)庫與腫瘤細胞的相互作用,通過ssDNA和ssDNA-細胞復(fù)合物峰面積變化判斷核酸與細胞的親和力,可用于輔助全細胞適配體篩選;三硝基苯腺苷和肌苷是中樞神經(jīng)系統(tǒng)的生物活性物質(zhì),二者均能在pH 9.5的緩沖液中與三硝基苯磺酸形成復(fù)合物,因三硝基苯磺酸可用LIF直接檢測,故應(yīng)用CE-LIF可直接檢測三硝基苯腺苷和肌酐含量,該方法可用來檢測血液或腦脊液樣本中的三硝基腺苷和肌酐;CGE可快速鑒定念珠菌,臨床常見念珠菌為29種,對137名患者感染血液進行前處理后再做PCR擴增,檢測結(jié)果顯示鑒定出26種念珠菌;利用動力學(xué)毛細管電泳法(KCE)分析了影響適配體親和力測定的溶液條件,將血小板衍生因子蛋白與適配體孵育后進樣,在電泳過程中加2 068.42 Pa氣壓推動,所測定的PDGF蛋白與適配體的解離常數(shù)與之前報道類似,但若使用pH 7.4 Tris-HCl作為電泳緩沖液,所測定的解離常數(shù)則高出一個數(shù)量級,結(jié)果證明測定蛋白質(zhì)與適配體親和力時,電泳緩沖液需選擇相同的篩選溶液,電泳緩沖液與篩選緩沖液相同則親和力接近,與篩選緩沖液不同則親和力下降;應(yīng)用CZE分別篩選糖蛋白RNase B和堿性磷酸酶的適配體,使用磁珠-鏈親和素結(jié)合蛋白與核酸庫孵育后應(yīng)用CZE進行分離,4輪篩選可篩出適配體;利用PCR結(jié)合CZE法,可檢測鹿茸特征基因序列,以達到鑒定的目的,建立了隨機擴增多態(tài)性DNA的毛細管電泳圖譜。

糖類和小分子的檢測包括:應(yīng)用CZE可在10 min內(nèi)檢測小鼠大腦組織和血液中的生物胺類化合物多巴胺、去甲腎上腺素和腎上腺素,檢出限為0.42～0.57 μg/L;來自美國、歐洲和亞洲的20家研究機構(gòu)應(yīng)用CGE-LIF檢測N-多聚糖標準品,結(jié)果表明該方法重現(xiàn)性很好;CZE可定量檢測C3-、C6-磷酸酯淀粉;CZE可快速同步分離透明質(zhì)酸、硫酸軟骨素、硫酸皮膚素和肝素;CZE可檢測人全血提取物中的色氨酸、谷胱甘肽和尿酸;應(yīng)用CZE檢測亞硒酸鈉誘導(dǎo)凋亡SMOL/LC-7721細胞裂解液中的谷胱甘肽。

1.5 手性分析

CE可用于手性拆分,如氨基酸或小分子、藥物分子的對映體分離以及手性拆分劑的比較和評價。

氨基酸及小分子手性分析包括:使用兩種新型手性拆分劑乳糖酸和D-木糖-硼酸可拆分十四氨基醇的對映體;CZE對葡萄酒中的酒石酸和蘋果酸進行手性拆分,電泳緩沖液中加入手性拆分劑100 mol/L D-奎尼酸、10 mol/L二價銅離子和0.5 mol/L三價鋁離子,可在8 min內(nèi)同時分離兩對對映體;應(yīng)用MEKC可完全分離10種手性氨基酸。

藥物分子對映體手性分析包括:β-受體阻滯劑是治療心血管系統(tǒng)疾病的藥物,β-受體激動劑是治療哮喘病的藥物,兩類藥物均為臨床常見藥物,其手性對映體對藥物安全性產(chǎn)生很大影響,應(yīng)用非水毛細管電泳(NACE)可在25 min內(nèi)拆分6種β-受體阻滯劑和8種β-受體激動劑的手性對映體,有助于檢測臨床藥物的安全性;使用硫酸-環(huán)糊精作為手性拆分劑可拆分27種西酞普蘭類似物的對映體,其中26種對映體可在20 min內(nèi)完全分離;應(yīng)用CZE可拆分頭發(fā)中氯胺酮和去甲氯胺酮的手性對映體,方法對于體內(nèi)毒物檢測有重要意義。

手性拆分劑評價包括:應(yīng)用CZE評價了幾種β-環(huán)糊精衍生物的手性拆分能力,在手性拆分劑螺環(huán)離子液體中分別加入幾種β-環(huán)糊精衍生物,結(jié)果顯示均能提高拆分能力;應(yīng)用CZE比較3種離子液TMA-L-Hyp、TMA-l-Arg和TMA-l-Ile與β-環(huán)糊精混合后的手性拆分能力,結(jié)果發(fā)現(xiàn)三者均比單獨使用β-環(huán)糊精時的拆分效果好;CZE檢測金雞納生物堿類對映體,使用羥基-β-環(huán)糊精作為手性拆分劑,30 min內(nèi)可同時檢測到奎寧、奎丁、辛可寧和辛可尼定4對手性對映體,該方法可用于檢測金雞納樹皮和奎寧注射液中的4種手性對映體。

1.6 環(huán)境監(jiān)測

毛細管電泳法可以對未經(jīng)前處理的污染水體直接進樣,從而快速檢測水體中的抗生素、激素或藥物以及重金屬離子。CZE法可在10 min內(nèi)同時檢測5種水樣中四環(huán)素類抗生素四環(huán)素、美他霉素、金霉素、土霉素和多西霉素,檢出限為67～167 ng/L; MEKC可檢測廢水凈化廠水體中甾體類化合物含量,20 min內(nèi)同時檢測出雄激素、雌激素和孕激素,檢出限為0.05～1.06 mg/L;雙通道CZE可同時檢測水樣中的藥物,每個通道中采用不同的電泳緩沖液,通道1(36 mol/L Tris-乳酸緩沖液,pH 8.0,添加0.5 mol/L羥丙基-β-環(huán)糊精)可同時檢測布洛芬、雙氯芬酸鈉、苯扎貝特、酮洛芬和甲芬那酸,通道2(25 mol/L組氨酸,25 mol/L 3-(N-嗎啉)丙磺酸,pH 6.5,添加1 mol/L羥丙基-β-環(huán)糊精)可同時檢測苯海拉明、美托洛爾和阿替洛爾,雙通道的檢測結(jié)果與HPLC標準方法比無明顯差異;基于羅丹明的熒光探針常用來檢測汞離子,但自然界水體中的K+、Ag+、Ca2+、Mg2+等金屬離子容易對汞離子的檢測產(chǎn)生干擾,使用納米二氧化硅共價連接羅丹明作為毛細管涂層,應(yīng)用CZE-LIF可在15 min內(nèi)對自然水體中的Hg2+、K+、Ag+、Ca2+、Mg2+、Ba2+、Ni2+、Cd2+、Pb2+和Zn2+離子進行分離,并且對汞離子的檢測靈敏度遠高于其他離子,該方法可有效檢測自然水體中的汞離子;CZE可在6 min內(nèi)同時檢測出水中化合物一氯乙酸、二氯乙酸、三氯乙酸和醋酸;CZE連接非接觸式電導(dǎo)檢測器可檢測水中的溴酸根離子,檢測限為0.12 μg/L。

1.7 CE-MS

CE-MS是近年來CE技術(shù)中發(fā)展最快的前沿技術(shù)。其相關(guān)研究主要在聯(lián)用儀器的接口改進和在實際樣品檢測的應(yīng)用。

聯(lián)用儀器接口的改進包括:應(yīng)用3D打印研磨工具制備納米噴霧點用于CE-MS連接處;無護套的金屬魯棒性和高靈敏度的樣品定量涂布發(fā)射器接口;自對準負壓混合液的電噴霧接口等。

實際樣品檢測包括:應(yīng)用CE-UV-IM-MS模式檢測谷氨酰胺轉(zhuǎn)氨酶TG2的結(jié)構(gòu)和酶活性,在線孵育TG2、底物和小分子抑制劑AV5,隨著AV5濃度增加,產(chǎn)物TG2-O增加而產(chǎn)物TG2-C減少,通過抑制劑濃度的梯度增加即可計算出酶活性;應(yīng)用CE-ESI-MS檢測細胞中甲基化嘧啶,最低可檢測到20個細胞中125 pg核酸提取物中的甲基化嘧啶的含量;應(yīng)用CE-MS檢測單克隆抗體IgG的完整性,可在35 min內(nèi)檢測到聚糖酶、游離輕鏈和去糖基化IgG,該方法可用于單克隆抗體的質(zhì)量檢測;應(yīng)用CE-ESI-MS檢測并鑒定尿中的氨基酸;應(yīng)用CE-ESI-MS分析糖肽,加入富氮氣體可以提高檢測靈敏度和重復(fù)性;以逆電遷移擴散梯度電泳(電解質(zhì)遷移方向與pH分布相反)建立毛細管電泳與質(zhì)譜檢測聯(lián)用的新方法檢測水中磺胺類藥物磺胺二甲嘧啶、磺胺甲基嘧啶和磺胺嘧啶,檢測限為0.75～0.84 μg/L;應(yīng)用CE-UV/CE-MS在可再生原料加工的下游監(jiān)測發(fā)酵產(chǎn)生的乳酸有機雜質(zhì);MEKC-MS檢測固相萃取后的海水中的抗生素青霉素G、苯唑西林、氨芐西林氯唑西林、磺胺喹惡啉、磺胺甲惡唑、磺胺二甲氧嘧啶和磺胺甲基嘧啶,回收率為85%～110%,檢出限為0.002～0.011 μg/L。

1.8 其他化合物和離子檢測等

化合物檢測包括:應(yīng)用CZE-LIF可檢測細胞的內(nèi)巰基化合物,使熒光探針TMPAB-o-M與細胞裂解液中含巰基分子結(jié)合,可在11 min內(nèi)檢測出細胞內(nèi)的谷胱甘肽、γ-氨基丁酸、半胱氨酸和高半胱氨酸4種巰基化合物;MEKC可在10 min內(nèi)檢測焦糖色素中3種咪唑衍生物(2-甲基咪唑、4-甲基咪唑和2-乙酰基-四羥基丁基咪唑),檢出限達到33.4～60.4 μg/L;應(yīng)用CZE測定尼卡巴嗪中2-羥基-4,6-二甲基吡啶的pKa;以石墨烯量子點作為添加劑,應(yīng)用CZE模式可在18 min內(nèi)檢測7種肉桂酸類衍生物;應(yīng)用CZE結(jié)合非線性激光可檢測孔雀石綠和結(jié)晶紫,該方法無需熒光標簽和抗體,采用523和635 nm雙波長同時檢測,孔雀石綠和結(jié)晶紫的檢出限分別為8.3×10-11和6.9×10-10mol/L; MEKC檢測疏水陽離子化合物依米丁、士的寧和奎寧,樣品緩沖液的濃度為電泳緩沖液中的9倍,使用負電壓進行場放大富集,提高了檢測靈敏度;CZE測定20種香豆素衍生物的酸解離常數(shù)pKa,使用胺涂層毛細管,檢測了各化合物在緩沖液pH 4.16～9.10范圍的遷移時間,根據(jù)公式計算出20種香豆素類衍生物的pKa;應(yīng)用CZE檢測比格犬血漿中的喹硫平,4 min內(nèi)即可完成喹硫平和內(nèi)標米氮平檢測,分別在比格犬給藥后0、10、20、30、45 min和1、1.5、2、3、4、6、8、10、12、24 h采血,檢測血液中喹硫平含量并繪制藥物濃度-時間曲線,該方法有用于藥代動力學(xué)分析的潛力。

2 國內(nèi)外會議

2016年國際、國內(nèi)舉辦的學(xué)術(shù)會議中與CE相關(guān)的主要會議有7個,其中國際會議有5個,國內(nèi)會議有2個(見表1)。

表 1 CE相關(guān)的國內(nèi)外會議

其中CE與其他技術(shù)聯(lián)用的報告居多。包括毛細管電泳與質(zhì)譜聯(lián)用如CE-ESI-MS、CE-ESI-TOF-MS、CE-C4D-ESI-MS、液相微萃取(SDME)與CE-MS在線偶聯(lián)、超敏感CE-LIF/MS等。此外,還有頂空-管內(nèi)微萃取-CE(HS-ITME-CE)、HPLC與CZE聯(lián)用、微透析與CE聯(lián)用、微流控芯片-CZE聯(lián)用等。

CE在生命科學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用包括研究蛋白質(zhì)、核酸、糖類、細菌及細胞代謝產(chǎn)物。(1)蛋白質(zhì)的研究包括:高通量測定蛋白質(zhì)、分析蛋白質(zhì)水解產(chǎn)物、蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)相互作用、測定治療性蛋白質(zhì)純度、分析重組蛋白質(zhì)純度、研究蛋白質(zhì)的聚集、基于尺寸的電泳分離法評估治療性蛋白質(zhì)、表征白藜蘆醇和β乳球蛋白之間的相互作用、兩種Fc融合蛋白的體內(nèi)代謝研究、CE-MALDI-MS/MS-MS分析粉蝶科蝴蝶的繁殖蛋白、CE-MS增強對脫酰胺肽的分離和表征、CE-MS對蛋白質(zhì)脫酰胺和異構(gòu)化的分析以及對完整蛋白質(zhì)的分析、分析完整單克隆抗體、對mAb(單克隆抗體)及相關(guān)產(chǎn)品進行結(jié)構(gòu)表征、通過使用CSE-CZE-MS的SDS-毛細管篩選電泳質(zhì)譜表征分離抗體的雜質(zhì)、使用CIEF分析同工酶電荷差異與等電點、單克隆抗體的CIEF跨平臺可比性研究、應(yīng)用iCIEF (imaging CIEF)研究抗體-藥物共軛體等。(2)核酸的研究包括:如定量檢測核苷酸和核苷、液相色譜和毛細管電泳微尺度分析結(jié)合分析治療性寡核苷酸、CZE在高鹽濃度下對序列依賴DNA進行分離、利用CE-LEDIF與CE-SELEX(指數(shù)富集配體系統(tǒng)進化技術(shù))篩選核酸適配體等。其中CE-SELEX方法中,探究了CZE、ACE、CIEF等多重模式的CE應(yīng)用等。(3)糖類的研究包括:如對α1-酸性糖蛋白的糖型分析、對N-聚糖的分析、CE-ESI-MS分析生物藥物的糖基和糖蛋白質(zhì)組學(xué)、CE-MS在復(fù)雜聚糖分析中的研究、應(yīng)用CE-MS和CE-CE-MS對聚糖和完整蛋白質(zhì)分析等。(4)細菌及細胞代謝產(chǎn)物的研究包括:分析小分子代謝物、無鞘液毛細管電泳-質(zhì)譜法用于陰離子代謝物分析、無鞘液CE-MS研究代謝組組學(xué)、基于超弱光子發(fā)射生物化學(xué)變化的代謝組學(xué)研究、CE-MS系統(tǒng)用于單細胞分析等。

CE在醫(yī)藥方面的研究報告主要包括藥物分析和臨床檢測。(1)藥物分析包括:分析主要藥物成分、利用親和毛細管電泳促進藥物研發(fā)、表征藥物遞送系統(tǒng)不同階段的納米分子組裝體、全面表征NISTmAb相關(guān)材料支持的生物制藥分析技術(shù)的開發(fā)、使用放大方法優(yōu)化CZE對生物藥物的電荷異質(zhì)性檢測、微流體毛細管電泳-電噴霧裝置分析生物制藥材料、監(jiān)測抗體-藥物偶合物中的片段水平、使用多毛細管CE高通量分析抗原特異性以及疫苗誘導(dǎo)抗體的糖基化、生物治療藥物和疫苗的開發(fā)等。(2)臨床檢測包括:如新型CE-nanoESI/MS界面快速分析血漿中的右丙氧芬、在線微透析毛細管電泳檢測體內(nèi)支鏈氨基酸等。

其他關(guān)于CE的報告包括:毛細管電泳和量子力學(xué)密度功能理論用于表征銨和堿金屬離子的生物肽復(fù)合物、通過泰勒分散分析結(jié)合CE表征納米分子實體的尺寸和電荷、雙鏈DNA變性劑-疏水性陽離子四丁基銨(TBA+)與相關(guān)序列的一系列小發(fā)夾的相互作用、ACE測定鉀-二苯并-18-冠醚-6絡(luò)合物在水-有機溶劑中的穩(wěn)定常數(shù)、測定唾液酸化糖綴合物的pKa、應(yīng)用CE研究水溶液中形成復(fù)雜平衡的U(VI)-羥脯氨酸磷酸鹽系統(tǒng)、應(yīng)用CE作為分子間相互作用動力學(xué)研究的瞬時分析方法、實驗設(shè)計(DOE)對iCIEF方法的開發(fā)的影響等。

表 2 毛細管電泳儀及相關(guān)器部件生產(chǎn)廠家

3 毛細管電泳儀

毛細管電泳儀和毛細管電泳技術(shù)的發(fā)展相依而生,互相促進。毛細管電泳技術(shù)的廣泛應(yīng)用是毛細管電泳儀研發(fā)和生產(chǎn)的原動力。自1937年Tiselius發(fā)明U型管電泳裝置至今已有80年歷史。1981年Jorgenson和Lukacs使用細內(nèi)徑毛細管為載體,發(fā)明了高效快速的毛細管電泳裝置。1988年貝克曼公司(Beckman,現(xiàn)為SCIEX公司)生產(chǎn)的第一臺商用毛細管電泳儀問世。隨著生物技術(shù)的發(fā)展和毛細管電泳應(yīng)用的專業(yè)化需要,毛細管電泳儀的概念也得到拓展。目前,既有簡單的單通道毛細管電泳儀,也有4通道、8通道、16通道、32通道甚至96通道等多通道陣列毛細管電泳儀,甚至還有微流控芯片電泳儀。本文前述的毛細管電泳技術(shù)的應(yīng)用主要使用單通道毛細管電泳儀。

目前,國內(nèi)外市場上普遍使用的單通道毛細管電泳儀主要是原Beckman公司和Agilent公司的產(chǎn)品。Lumex公司的毛細管電泳儀在俄羅斯及部分歐洲國家占據(jù)一定的市場份額。其他品牌的毛細管電泳儀多在個別實驗室使用,尚未形成規(guī)?；脩羧骸Ｃ毠茈娪鞠嚓P(guān)儀器及部件的生產(chǎn)廠家見表2。我國毛細管電泳儀的研制起步并不晚,1994年由北京新技術(shù)研究所(后為北京賓達英創(chuàng)科技有限公司)研發(fā)了國內(nèi)第一臺毛細管電泳儀——1229型毛細管電泳儀。隨后有其他廠家實現(xiàn)了毛細管電泳儀的研發(fā)和生產(chǎn),如北京華陽利民儀器有限公司(原北京彩陸科學(xué)儀器有限公司)研制的CL1010、CL1020、CL1030、CL1040型毛細管電泳儀,上海通微分析技術(shù)有限公司自主研發(fā)生產(chǎn)的qSepTM-3010型全自動定量毛細管電泳儀,北京凱奧科技發(fā)展有限公司生產(chǎn)的UC7010、FC7020、DC7030型毛細管電泳儀,北京睿科儀器有限公司生產(chǎn)的CEi-SP20型毛細管電泳儀,天津市蘭力科化學(xué)電子高技術(shù)有限公司的LKCE-7200型全自動LED誘導(dǎo)熒光毛細管電泳儀,中國科學(xué)院長春應(yīng)用化學(xué)研究所與西安瑞邁分析儀器公司的毛細管電泳電化學(xué)微型綜合分析儀。但是,1994年至今20多年,我國并沒有高質(zhì)量的儀器產(chǎn)品具備占有國內(nèi)市場的優(yōu)勢。

毛細管電泳技術(shù)是現(xiàn)代微量分離分析技術(shù),其高分辨、快速、低成本和多模式在復(fù)雜的生物樣品以及一些特殊分析中具有突出優(yōu)勢,如:在單克隆抗體藥物質(zhì)控分析和歐洲藥典中制定了一些CE方法。但是,我國毛細管電泳儀主要依賴進口,這在一定程度上限制了毛細管電泳技術(shù)在國內(nèi)相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用。目前,國產(chǎn)毛細管電泳儀與進口儀器相比還有很大差距。近年來隨著我國分析儀器行業(yè)的發(fā)展和國家對自主創(chuàng)新儀器的重視,毛細管電泳儀的研發(fā)也取得一些進步?？梢灶A(yù)見,隨著生物醫(yī)藥行業(yè)和生物技術(shù)領(lǐng)域的快速發(fā)展,生物分析中對毛細管電泳儀的需求將快速增加。毛細管電泳儀國產(chǎn)化的實現(xiàn)仍需要廣大科研人員和企事業(yè)研發(fā)人員的共同努力。

4 結(jié)語

以上內(nèi)容難免有遺漏和不妥之處,請廣大學(xué)界同仁及應(yīng)用從業(yè)人員批評指正。

Annual review of capillary electrophoresis technology in 2016

LIU Pinduo1, SUN Miao1, LIU Xiaohui1, NIU Xiameng2, ZHAO Xinying2, QU Feng1*

(1.SchoolofLifeScience,BeijingInstituteofTechnology,Beijing100081,China;2.BeijingCentreforPhysicalandChemicalAnalysis,BeijingKeyLaboratoryofOrganicMaterialsTestingTechnology&QualityEvaluation,Beijing100089,China)

This paper reviews the capillary electrophoresis (CE) in 2016. The literature searched from ISI Web of Science published in 2016 (Jan. 1st to Dec.31) is classified and introduced based on drugs and natural products, medical and clinical tests, foods and agriculture, biological molecules, chiral analysis, environmental monitoring, proteomics and metabolomics, CE-mass technology, other compounds and ion analysis. Five international and two national conferences are included and the important reports are introduced briefly. At the end of the paper, the capillary electrophoresis instruments are introduced.

capillary electrophoresis (CE); 2016; annual review

10.3724/SP.J.1123.2017.02017

2017-02-16

國家自然科學(xué)基金項目(21375008,21675012).

Foundation item: National Nature Science Foundation of China (Nos. 21375008, 21675012).

O658

A

1000-8713(2017)04-0359-09

* 通訊聯(lián)系人.E-mail:qufengqu@bit.edu.cn.