毛细管电泳及其在种子科学领域的应用
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摘要：本文简要介绍了毛细管电泳技术的原理、特点、检测方法及其影响因素。着重探讨了毛细管电泳在种子科学领域的应用前景，主要包括毛细管电泳在品种鉴定、种子遗传学、种子生物技术、种子营养成分、离子成分及农药残留分析等方面的应用。
关键词:毛细管电泳;种子科学;应用毛细管
电泳法(CapillaryElectrophoresis，CE)，是2O世纪8O年代问世的一种高效液相分离法，是经典电泳技术和现代微柱分离相结合的产物。目前，它已成为能与20世纪50年代末、6O年代初出现的气相色谱(GC)以及20世纪70年代初出现的液相色谱(HPLC)相媲美的一种分离技术，并被认为是当代分析科学最具活力的前沿研究课题[1]。毛细管电泳法因其分离效率高、分析速度快、样品用量少、抗污染能力强及易自动化等特点而被广泛应用于分子生物学、医学、药学、高分子等领域，尤其在生物分析及生命科学领域中已展示了诱人的应用前景口]。
1毛细管电泳原理及其特点
毛细管电泳泛指以高压电场为驱动力，以毛细管为分离通道，依据样品中各组分之间淌度和分配行为上的差异而实现分离的一类液相分离技术D]。毛细管电泳仪的基本结构包括一个高压电源，一根毛细管，一个检测器及两个供毛细管两端插入而又可和电源相连的缓冲液贮瓶。
毛细管电泳仪的工作原理：毛细管电泳所用的石英毛细管柱，在pHi3情况下，其内表面带负电，和溶液接触时形成一双电层。在高电压作用下，双电层中的水合阳离子引起流体整体朝负极方向移动的现象叫电渗。粒子在毛细管内电解质中的迁移速度等于电泳和电渗流(EOF)两种速度的矢量和。正离子的运动方向和电渗流一致，故最先流出；中性粒子的电泳速度为“零”，故其迁移速度相当于电渗流速度；负离子的运动方向与电渗流方向相反，但因电渗流速度一般都大于电泳流速度，故它将在中性粒子之后流出，从而因各种粒子迁移速度不同而实现分离L4]。
与经典电泳相比，毛细管电泳法克服了由于焦耳热引起的谱带宽，柱效较低的缺点，确保引入高的电场强度，改善分离质量Is]，具有分离效率高、速度快和灵敏度高等特点，而且所需样品少、成本低，更为重要的是，它又是一种自动化的仪器分析方法[a3。毛细管电泳法与高效液相色谱一样同是液相分离技术，很大程度上两者互为补充，但无论从效率、速度、用量和成本来说，毛细管电泳法都显示了它的优势。如毛细管电泳法成本相对较低，且可通过改变操作模式和缓冲液成分，根据不同的分子性质(如大小、电荷数、手征性、疏水性等)对极广泛的物质进行有效分离，而高效液相色谱法要用价格昂贵的柱子和溶剂【5]。可见，毛细管电泳法具有仪器简单、分离模式多样化、应用范围广、分析速度快、分离效率高、灵敏度高、分析成本低、环境污染小等特点[4]。
2毛细管电泳检测方法及其影响因素传统毛细管电泳检测方法主要有光学检测、电化学检测、质谱检测等。光学检测又可分为紫外吸收检测(UVabsorptiondetection)、热光学检测(Thermoop-ticaldetection)、荧光检测(F1uorescencedetection)、化学发光检测(Chemiluminescencedetection)等；电化学检测可分为电位分析检测(Potentiometricdetection)、电导率检测(Conductivitydetection)、电势梯度检测(Potentialgradientdetection)、安培分析检测(Amper-ometricdetection)等。随着毛细管电泳技术的不断发展，逐渐出现了非水毛细管电泳(Nonqueouscapillaryelectrophoresis，NACE)、毛细管阵列电泳(Capillaryarrayelectrophoresis，CAE)，毛细管电泳免疫分析(Capillary electrophoresisbased immunoassay，CE—IA)、毛细管电色谱(Capillaryelectrochromatography，CEC)等分支。非水毛细管电泳法是在以非水为溶剂的缓冲溶液中进行的，主要用于分析不易溶于水而易溶于有机溶剂的物质，分离在水溶剂毛细管电泳中淌度十分相似的物质。毛细管阵列电泳是在常规毛细管电泳法原理和技术的基础上，结合微型制造技术设计出来的一种检测技术，是_种新型的生物芯片。毛细管电泳免疫分析技术利用抗原抗体复合物与游离的抗原、抗体在电泳行为上的差异，将毛细管电泳作为分离与检测手段。毛细管电色谱是一种在毛细管内充填、涂布或键合色谱固定相，用电渗流作为驱动力的分离模式嘲。
影响毛细管电泳法分离的因素主要有以下几个方面：①毛细管。毛细管是关键部件，管径、管长、不同物质的涂层厚度对分辨率均有影响。②电泳缓冲液。电渗分离现象在毛细管电泳中起着非常重要的作用，而缓冲液的pH值及浓度对电渗的影响很大，并对分离度产生效应。③电压。在进行电泳时，进样电压和操作电压对分辨率及操作时间会产生影响。④电泳温度。
电流通过毛细管会产生热量，升高温度，使物理参数发生改变，造成样品迁移时间、峰面积的偏差和分离效率下降。
3毛细管电泳在种子科学领域的应用前景3．1在品种鉴定和物种分类上的应用毛细管电泳与传统的凝胶电泳相比，具有分析速度快，分辨能力高，分析过程全自动化及样品用量少等优点。自1988年发表第一批关于毛细管电泳用于DNA分析的文献后，即引起众多科学家的关注。目前，毛细管电泳已被用于DNA纯度检测，PCR产物分析，DNA序列分析以及酶和多糖蛋白的结构、纯度、稳定性等方面的研究[7叫。如能将毛细管电泳运用于种子生物技术领域的研究，对拓宽种子中酶蛋白、特异基因片段的分离手段和加快物种的鉴定分类有重要意义。
3．2在研究种子遗传分析中的应用毛细管电泳在种子遗传分析中的应用国内外已有报道，如Gerber等采用高效毛细管电泳对大豆种子品质的遗传学进行研究分析[1引。变异是群体进化的基础，品种内变异的两个常用度量指标是杂合度和多态信息含量。由于微卫星标记呈共显性遗传，基因型直接反映表型，因此，等位基因频率可通过简单计算获得，进而得出杂合度和多态信息含量。应用毛细管电泳快速灵敏地对微卫星标记进行检测分析，将极大地推动这方面的研究，这些成果将为开展品种保存、选育及开发利用提供科学依据]。
3．3在种子营养成分分析方面的应用对种子蛋白的分离与表征，传统方法多是采用不同模式的聚丙烯酰胺凝胶电泳和高效液相色谱，这些方法在实际操作中都存在不同程度的局限性，如聚丙烯酰胺凝胶电泳的操作复杂，无法进行定量分析，且分辨率不高，还要使用有毒试剂等；高效液相色谱虽然在一定程度上克服了聚丙烯酰胺凝胶电泳的不足，但其运行成本高，难以在实践中广泛应用。毛细管电泳是从传统电泳发展而来的一种高效、新型的分离分析技术，在蛋白质、氨基酸、核酸等生物分子的分离分析方面显示出极大的优越性。目前这一技术在作物种子蛋白研究中已取得重要进展，并显示出广阔的应用前景。
高效毛细管电泳在烟草糖类化合物分析中的应用国内外已有报道，如刘少民等采用高效毛细管电泳一安培法分离测定了烟草中4种寡糖。马强等分离测定了烟草中的5种还原糖(葡萄糖、半乳糖、阿拉伯糖、木糖和麦芽糖)Ll。毛细管电泳还可用于种子内氨基酸、有机酸等组分的测定，这在食品等领域已有较多报道[1，可借鉴到种子分析领域，发展种子营养成分分析方法。
3．4在种子离子分析方面的应用
毛细管电泳在食品分析中应用最广泛和成熟的领域即毛细管离子电泳(CIE)。目前，毛细管离子电泳已被用来测定多种食品基质中的无机离子，如K、Ca抖、Na、NH、SO、F一、Br一等。种子中的离子分析多采用原子吸收光谱法，该仪器不利于普及，应用毛细管电泳的独特优势，将大大简化已有的检测方法，使种子微量元素的测定更方便、更经济n。
3．5在种子农药残留分析方面的应用农药包括杀虫剂和除草剂两大类。过去农药残留量常用高效液相色谱的方法测定，但随着毛细管电泳的发展，它越来越多地被用于农药残留分析。目前毛细管电泳已被用于饮用水、牛奶、啤酒、谷物、马铃薯和猪肉等食品中农药残留的测定[1。加入WTO后，为了消除贸易壁垒，我国执行了更为严格的农残标准，这就要求我们在种子种植、加工等一系列环节加强对农残含量的监控，在这方面国内外已有报道。毛细管电泳因其独特的优势，将会在种子农残检验领域发挥重要的作用。
作为一种高效分离技术，毛细管电泳在食品、药物、环境、生物碱、毒品、天然产物等方面的应用已显示出巨大的潜力。目前，毛细管电泳在种子分析领域的应用才刚刚起步，国内已有种子部门开展此方面的应用研究，随着毛细管电泳技术研究的深入、毛细管电泳仪器的普及和种子分析检验技术的发展。可以预计，毛细管电泳将在种子领域中发挥更大的作用。
参考文献
1高乐怕，方禹之．21世纪毛细管电泳技术及应用发展趋势．理化检验——化学分册，2002，38(1)：1～6．2 HuntG H，Chen A B．Vahdationofacapillaryisoelectricfo—cusing method for the recombinant monoclonal antibodyCIB8．JournalofChromatogra，1998，800(2)：355—367．3方红，周斯．毛细管电泳的最新进展．国外医学分子生物学分册，2002，24(2)：124~126．4李景芬，刘娣，杨甲芳等．毛细管电泳概述及其在动物遗传育种中的应用．动物科学与动物医学，2002，19(6)：20~22．5毛煜，徐建明．毛细管电泳技术和应用新进展．化学研究与应用，2001，13(1)：4～9．6陆少红，龙湘犁．毛细管电泳在生物领域的应用．沈阳航空工业学院学报，2002，19(2)：85～87．7樊兴君，金由辛．毛细管电泳技术分析水稻中的总核糖核酸．色谱，2001，19(2)：167～169．8宋大伟．核酸毛细管电泳的研究．松辽学刊(自然科学版)，2002，(4)：54～56．9樊兴君，金由辛．用毛细管电泳技术检测DNA点突变．生命的化学，2000，20(1)：38~40．1O任吉存．毛细管电泳一基因突变及多态性分析新方法．分析化学，2001，29(4)：461~465．11刘莉华，宛晓春，侯如燕．毛细管电泳在茶叶领域的应用及前景．中国茶叶加工，2002，(1)：35~37．12 GerberSophie，FabreFrancoise，Planchon C．Geneticsofseed qualityinsoybeananalysedbycapillarygelelectropho—resis．PlantScience，2000，152(2)：181—189．13余建中，晏月明，蔡民华等．毛细管电泳技术及其在作物贮藏蛋白质研究中的应用．麦类作物学报，2002，22(3)：78～81．14马强，何友昭，肖协忠等．糖的高效毛细管电泳分离及其在烟草分析中的应用．烟草科技，2002，(6)：24~26．15舒友琴．毛细管电泳在食品分析中的应用．食品科学，1999，20(7)：8～11．16 MenzingerF．，Schmitt-Kopplin P．，Freitag D．eta1．A—nalysisofagrochemicalsbycapillary electr0ph0resis．Jour-nalofChromatographyA．2000，891(1)：45—67．
关键词:毛细管电泳;种子科学;应用毛细管
电泳法(CapillaryElectrophoresis，CE)，是2O世纪8O年代问世的一种高效液相分离法，是经典电泳技术和现代微柱分离相结合的产物。目前，它已成为能与20世纪50年代末、6O年代初出现的气相色谱(GC)以及20世纪70年代初出现的液相色谱(HPLC)相媲美的一种分离技术，并被认为是当代分析科学最具活力的前沿研究课题[1]。毛细管电泳法因其分离效率高、分析速度快、样品用量少、抗污染能力强及易自动化等特点而被广泛应用于分子生物学、医学、药学、高分子等领域，尤其在生物分析及生命科学领域中已展示了诱人的应用前景口]。
1毛细管电泳原理及其特点
毛细管电泳泛指以高压电场为驱动力，以毛细管为分离通道，依据样品中各组分之间淌度和分配行为上的差异而实现分离的一类液相分离技术D]。毛细管电泳仪的基本结构包括一个高压电源，一根毛细管，一个检测器及两个供毛细管两端插入而又可和电源相连的缓冲液贮瓶。
毛细管电泳仪的工作原理：毛细管电泳所用的石英毛细管柱，在pHi3情况下，其内表面带负电，和溶液接触时形成一双电层。在高电压作用下，双电层中的水合阳离子引起流体整体朝负极方向移动的现象叫电渗。粒子在毛细管内电解质中的迁移速度等于电泳和电渗流(EOF)两种速度的矢量和。正离子的运动方向和电渗流一致，故最先流出；中性粒子的电泳速度为“零”，故其迁移速度相当于电渗流速度；负离子的运动方向与电渗流方向相反，但因电渗流速度一般都大于电泳流速度，故它将在中性粒子之后流出，从而因各种粒子迁移速度不同而实现分离L4]。
与经典电泳相比，毛细管电泳法克服了由于焦耳热引起的谱带宽，柱效较低的缺点，确保引入高的电场强度，改善分离质量Is]，具有分离效率高、速度快和灵敏度高等特点，而且所需样品少、成本低，更为重要的是，它又是一种自动化的仪器分析方法[a3。毛细管电泳法与高效液相色谱一样同是液相分离技术，很大程度上两者互为补充，但无论从效率、速度、用量和成本来说，毛细管电泳法都显示了它的优势。如毛细管电泳法成本相对较低，且可通过改变操作模式和缓冲液成分，根据不同的分子性质(如大小、电荷数、手征性、疏水性等)对极广泛的物质进行有效分离，而高效液相色谱法要用价格昂贵的柱子和溶剂【5]。可见，毛细管电泳法具有仪器简单、分离模式多样化、应用范围广、分析速度快、分离效率高、灵敏度高、分析成本低、环境污染小等特点[4]。
2毛细管电泳检测方法及其影响因素传统毛细管电泳检测方法主要有光学检测、电化学检测、质谱检测等。光学检测又可分为紫外吸收检测(UVabsorptiondetection)、热光学检测(Thermoop-ticaldetection)、荧光检测(F1uorescencedetection)、化学发光检测(Chemiluminescencedetection)等；电化学检测可分为电位分析检测(Potentiometricdetection)、电导率检测(Conductivitydetection)、电势梯度检测(Potentialgradientdetection)、安培分析检测(Amper-ometricdetection)等。随着毛细管电泳技术的不断发展，逐渐出现了非水毛细管电泳(Nonqueouscapillaryelectrophoresis，NACE)、毛细管阵列电泳(Capillaryarrayelectrophoresis，CAE)，毛细管电泳免疫分析(Capillary electrophoresisbased immunoassay，CE—IA)、毛细管电色谱(Capillaryelectrochromatography，CEC)等分支。非水毛细管电泳法是在以非水为溶剂的缓冲溶液中进行的，主要用于分析不易溶于水而易溶于有机溶剂的物质，分离在水溶剂毛细管电泳中淌度十分相似的物质。毛细管阵列电泳是在常规毛细管电泳法原理和技术的基础上，结合微型制造技术设计出来的一种检测技术，是_种新型的生物芯片。毛细管电泳免疫分析技术利用抗原抗体复合物与游离的抗原、抗体在电泳行为上的差异，将毛细管电泳作为分离与检测手段。毛细管电色谱是一种在毛细管内充填、涂布或键合色谱固定相，用电渗流作为驱动力的分离模式嘲。
影响毛细管电泳法分离的因素主要有以下几个方面：①毛细管。毛细管是关键部件，管径、管长、不同物质的涂层厚度对分辨率均有影响。②电泳缓冲液。电渗分离现象在毛细管电泳中起着非常重要的作用，而缓冲液的pH值及浓度对电渗的影响很大，并对分离度产生效应。③电压。在进行电泳时，进样电压和操作电压对分辨率及操作时间会产生影响。④电泳温度。
电流通过毛细管会产生热量，升高温度，使物理参数发生改变，造成样品迁移时间、峰面积的偏差和分离效率下降。
3毛细管电泳在种子科学领域的应用前景3．1在品种鉴定和物种分类上的应用毛细管电泳与传统的凝胶电泳相比，具有分析速度快，分辨能力高，分析过程全自动化及样品用量少等优点。自1988年发表第一批关于毛细管电泳用于DNA分析的文献后，即引起众多科学家的关注。目前，毛细管电泳已被用于DNA纯度检测，PCR产物分析，DNA序列分析以及酶和多糖蛋白的结构、纯度、稳定性等方面的研究[7叫。如能将毛细管电泳运用于种子生物技术领域的研究，对拓宽种子中酶蛋白、特异基因片段的分离手段和加快物种的鉴定分类有重要意义。
3．2在研究种子遗传分析中的应用毛细管电泳在种子遗传分析中的应用国内外已有报道，如Gerber等采用高效毛细管电泳对大豆种子品质的遗传学进行研究分析[1引。变异是群体进化的基础，品种内变异的两个常用度量指标是杂合度和多态信息含量。由于微卫星标记呈共显性遗传，基因型直接反映表型，因此，等位基因频率可通过简单计算获得，进而得出杂合度和多态信息含量。应用毛细管电泳快速灵敏地对微卫星标记进行检测分析，将极大地推动这方面的研究，这些成果将为开展品种保存、选育及开发利用提供科学依据]。
3．3在种子营养成分分析方面的应用对种子蛋白的分离与表征，传统方法多是采用不同模式的聚丙烯酰胺凝胶电泳和高效液相色谱，这些方法在实际操作中都存在不同程度的局限性，如聚丙烯酰胺凝胶电泳的操作复杂，无法进行定量分析，且分辨率不高，还要使用有毒试剂等；高效液相色谱虽然在一定程度上克服了聚丙烯酰胺凝胶电泳的不足，但其运行成本高，难以在实践中广泛应用。毛细管电泳是从传统电泳发展而来的一种高效、新型的分离分析技术，在蛋白质、氨基酸、核酸等生物分子的分离分析方面显示出极大的优越性。目前这一技术在作物种子蛋白研究中已取得重要进展，并显示出广阔的应用前景。
高效毛细管电泳在烟草糖类化合物分析中的应用国内外已有报道，如刘少民等采用高效毛细管电泳一安培法分离测定了烟草中4种寡糖。马强等分离测定了烟草中的5种还原糖(葡萄糖、半乳糖、阿拉伯糖、木糖和麦芽糖)Ll。毛细管电泳还可用于种子内氨基酸、有机酸等组分的测定，这在食品等领域已有较多报道[1，可借鉴到种子分析领域，发展种子营养成分分析方法。
3．4在种子离子分析方面的应用
毛细管电泳在食品分析中应用最广泛和成熟的领域即毛细管离子电泳(CIE)。目前，毛细管离子电泳已被用来测定多种食品基质中的无机离子，如K、Ca抖、Na、NH、SO、F一、Br一等。种子中的离子分析多采用原子吸收光谱法，该仪器不利于普及，应用毛细管电泳的独特优势，将大大简化已有的检测方法，使种子微量元素的测定更方便、更经济n。
3．5在种子农药残留分析方面的应用农药包括杀虫剂和除草剂两大类。过去农药残留量常用高效液相色谱的方法测定，但随着毛细管电泳的发展，它越来越多地被用于农药残留分析。目前毛细管电泳已被用于饮用水、牛奶、啤酒、谷物、马铃薯和猪肉等食品中农药残留的测定[1。加入WTO后，为了消除贸易壁垒，我国执行了更为严格的农残标准，这就要求我们在种子种植、加工等一系列环节加强对农残含量的监控，在这方面国内外已有报道。毛细管电泳因其独特的优势，将会在种子农残检验领域发挥重要的作用。
作为一种高效分离技术，毛细管电泳在食品、药物、环境、生物碱、毒品、天然产物等方面的应用已显示出巨大的潜力。目前，毛细管电泳在种子分析领域的应用才刚刚起步，国内已有种子部门开展此方面的应用研究，随着毛细管电泳技术研究的深入、毛细管电泳仪器的普及和种子分析检验技术的发展。可以预计，毛细管电泳将在种子领域中发挥更大的作用。
参考文献
1高乐怕，方禹之．21世纪毛细管电泳技术及应用发展趋势．理化检验——化学分册，2002，38(1)：1～6．2 HuntG H，Chen A B．Vahdationofacapillaryisoelectricfo—cusing method for the recombinant monoclonal antibodyCIB8．JournalofChromatogra，1998，800(2)：355—367．3方红，周斯．毛细管电泳的最新进展．国外医学分子生物学分册，2002，24(2)：124~126．4李景芬，刘娣，杨甲芳等．毛细管电泳概述及其在动物遗传育种中的应用．动物科学与动物医学，2002，19(6)：20~22．5毛煜，徐建明．毛细管电泳技术和应用新进展．化学研究与应用，2001，13(1)：4～9．6陆少红，龙湘犁．毛细管电泳在生物领域的应用．沈阳航空工业学院学报，2002，19(2)：85～87．7樊兴君，金由辛．毛细管电泳技术分析水稻中的总核糖核酸．色谱，2001，19(2)：167～169．8宋大伟．核酸毛细管电泳的研究．松辽学刊(自然科学版)，2002，(4)：54～56．9樊兴君，金由辛．用毛细管电泳技术检测DNA点突变．生命的化学，2000，20(1)：38~40．1O任吉存．毛细管电泳一基因突变及多态性分析新方法．分析化学，2001，29(4)：461~465．11刘莉华，宛晓春，侯如燕．毛细管电泳在茶叶领域的应用及前景．中国茶叶加工，2002，(1)：35~37．12 GerberSophie，FabreFrancoise，Planchon C．Geneticsofseed qualityinsoybeananalysedbycapillarygelelectropho—resis．PlantScience，2000，152(2)：181—189．13余建中，晏月明，蔡民华等．毛细管电泳技术及其在作物贮藏蛋白质研究中的应用．麦类作物学报，2002，22(3)：78～81．14马强，何友昭，肖协忠等．糖的高效毛细管电泳分离及其在烟草分析中的应用．烟草科技，2002，(6)：24~26．15舒友琴．毛细管电泳在食品分析中的应用．食品科学，1999，20(7)：8～11．16 MenzingerF．，Schmitt-Kopplin P．，Freitag D．eta1．A—nalysisofagrochemicalsbycapillary electr0ph0resis．Jour-nalofChromatographyA．2000，891(1)：45—67．