史海良，郭启雷，赵丽，潘红艳

（国家食品质量安全监督检验中心，北京100094）

毛细管电泳（capillary electrophoresis，CE），是以高压电场为驱动力，以毛细管作为分离通道，依据样品中各组分之间淌度和分配行为的差异而实现分离的一类液相分离技术。毛细管电泳是20世纪分析化学的重大研究进展，也是现在最有影响的分离手段之一[1]，其研究和应用涉及几乎所有的分析领域。毛细管电泳具有应用范围广、分离效率高、分离模式多、样品用量少、最小检测限低、分析成本低、仪器简单、环境友好等特点[2]。近年来，随着毛细管电泳与质谱、激光诱导荧光检测等联用技术的飞速发展，毛细管电泳技术在生命科学技术、生物医药工程、环境卫生保护、食品质量检测等领域得到了广泛应用[3-4]。然而，毛细管壁的吸附作用严重影响着毛细管电泳分离的性能，造成毛细管吸附的主要原因是阳离子与毛细管表面负电荷的静电相互作用，以及疏水相互作用。毛细管具有大的比表面积对散热是有利的，但却增加了吸附作用；吸附作用的存在对分析不利，轻则造成峰拖尾，重则引起不可逆吸附[5]。一般通过以下方法来抑制或消除吸附（1）采用极低pH（pH＜2）的缓冲盐（2）在分离介质中加入两性离子添加剂（3）在毛细管内壁采用物理涂敷或化学键合交联的方法在内壁形成单分子层或交联的涂层[6-7]。目前，对毛细管内壁进行涂层改性是提高毛细管电泳的分离效果和重现性，抑制分析物与毛细管内壁间吸附作用的最有效、最常用的方法[4]。毛细管涂层柱对提高毛细管电泳的分离效果和重现性十分关键。根据其制备机理，毛细管电泳涂层大致可分为非共价键合涂层和共价键合涂层。本文针对非共价键合和共价键合毛细管涂层在制备和在食品检测领域的的应用，分别综述其最新研究进展。

1 毛细管涂层技术进展

1.1 非共价键合涂层

非共价键合涂层是指涂层材料通过静电作用、疏水作用、范德华力、氢键、离子键等非共价键吸附结合到毛细管内壁上形成的非永久性涂层。优点是制备简单、成本低廉；缺点是涂层材料易流失，涂层稳定性差，使用频次少，涂层变化大等。聚合物、表面活性剂、离子液体、纳米材料、胺类和手性添加剂等能够在毛细管内壁形成吸附层的材料都可以制备成为非共价键合涂层。非共价键涂层的制备方法一般为物理吸附法。

物理吸附涂层通过非共价键将涂层分子吸附到毛细管内壁上，一般制备步骤简单，重现性好，但涂层易流失，使用寿命短。可用作非共价键合毛细管涂层的聚合物有壳聚糖、聚乙烯吡咯烷酮（PVP）、聚环氧乙烷（PEO）等。Amy M.MacDonald等使用聚合物聚环氧乙烷（PEO）和阳离子表面活性剂双十八烷基二甲基溴化铵（DODAB）的混合物制备了一种混合型的涂层用于蛋白质的分离制备[8]，步骤如图1[9]。

图1 DODAB和PEO涂层制备示意图[9]Fig.1 The DODAB and PEO coating prepared schematic diagram

先用DODAB在毛细管内壁形成一个双分子涂层，然后PEO的疏水部分深植与DODAB双分子层内部，而亲水基团暴露在外，形成稳定的混合涂层。Amy M.MacDonald等最近又改进了DODAB和PEO涂层制备的方法，使制作方法更加简便，稳定性和分离效率大为提高，并且其电渗流可以通过组成涂层的PEO链的长度来调节[10]。Mahmoud F.Bahnasy等制备了一种半永久的双分子涂层用于毛细管等电聚焦分离模式，并在这种分离模式下使用3-10的pH梯度对血红蛋白进行了分离[11]。Ze-Hui Wei等在毛细管电色谱中使用分子印迹聚合物涂层分离对映体，分离度分别达到2.20 和 4.56，塔板数 2.6×104[12]。 Miguel Herrero等比较了四种阳离子聚合物之间结构和在用作毛细管涂层时的特点，阐述了之间的联系[13]。离子液体是一类由有机阳离子和无机或有机阴离子构成的化合物，具有熔点低、蒸汽压低、不挥发、溶解度和黏度范围广等特点，现已在毛细管电泳分析中得到广泛应用。Li等使用聚溴化-1-乙烯基-3-丁基咪唑离子液体，实现了对水杨酸、o-邻苯二甲酸、4-氨基苯酸等8种芳香酸的基线分离，塔板数最高达到9.4×105。在毛细管电泳中应用金纳米颗粒及其修饰物能提高选择性、分辨率和控制电渗流[14]。Qu等使用自组装技术在毛细管内壁制备了使用4-二甲基氨基吡啶修饰的金纳米颗粒涂层，并成功的应用于分离中性分析物和同时分析酸性、碱性蛋白，具有很高的稳定性和选择性[15]。胺类和手性等功能性添加剂涂层材料常用于电渗流控制、手性分离或抑制蛋白质的吸附[16]。Sakai-Kato等制备了一种使用季铵盐淀粉衍生物作为物理吸附添加剂的涂层，在试验中得到了稳定、反向的电渗流，有效抑制了蛋白质在毛细管内壁的吸附[17]。Makedonka D.Gulcev等探讨了毛细管电泳中双尾表面活性剂作为涂层材料的涂层电解质效应[18]。

1.2 共价键合涂层

共价键合涂层是指利用毛细管内表面上硅羟基的化学性质，使之与涂层材料分子共价键合形成涂层。相对于物理吸附涂层，共价键合涂层的优点是涂层材料不易流失，涂层稳定，具有很好的抑制吸附的作用；缺点是制备过程复杂，重现性较差，涂层材料活性下降等。毛细管的共价键合涂层制备技术主要通过硅烷化等一系列反应完成，包括毛细管预处理、交联试剂接入、目标涂层试剂键合等3个步骤。制备共价键合涂层的材料包括聚合物、蛋白质、表面活性剂、手性试剂、离子液体和碳纳米管等。

Ying shen等使用聚丙烯酸叔丁酯和聚甲基丙烯酸缩水甘油酯的两性嵌段共聚物通过化学键和在毛细管形成涂层对类固醇进行了分离，取得了RSD＜3.3%，线性＞0.999，回收率91.0%～94.0%的良好结果，他们使用的涂层和制备方法如图2[19]。

图2 嵌段共聚物交联过程示意图[19]Fig.2 Block copolymer cross-linking process diagram

Razunguzwa等制备的聚乙二醇共价键合涂层在CE中运行200次后仍能保持很高的稳定性，同时与电喷雾质谱联用时不产生背景离子，具有很好的应用潜力[20]。Liang Xu等制备的聚丙烯醇共价键合涂层，是在毛细管内壁硅烷化后，再经过希夫碱反应与戊二醛桥接形成，该涂层具有稳定性高、pH适用范围广等特点，可用于蛋白质的高效分离[21]。壳聚糖和蛋白质等功能性生物大分子也可用于制备共价键合毛细管涂层。Krenkova等在内径10 μm的毛细管内壁上共价键合了胰蛋白酶作为毛细管酶反应器，可用于蛋白酶解的快速在线检测[22]。表面活性剂和手性等功能性添加剂不仅在物理吸附涂层中得以广泛应用，还可用于制备共价键合涂层，在制备键合涂层的过程中交联试剂的高度交联会造成目标物活性的下降，Ze-Hui Wei等使用基于液晶的低度交联的分子印迹涂层分离对映体取得了高于1.5的分离度和2.3×104的塔板数[23]。纳米技术在键合型毛细管涂层中也有应用。Chen等将多壁碳纳米管通过硅氢化反应键合到经氟化氢铵和硅烷化处理后的毛细管内壁上，该涂层不但能够高效分离核苷和胸腺嘧啶的混合物，还可以提高CE对酸性四环素的分辨率[24]。

1.3 小结

非共价键合涂层和共价键合涂层既在制备原理上相互区别又在使用材料上相互渗透，如表1[25]。

如何寻找到一种可以广泛应用的涂层，需要综合这两种涂层材料和制备的特点取长补短，相互补充。一种能够得到广泛应用的涂层至少应该具有以下特点（1）涂层均匀能够覆盖全部的毛细管表面，并且可以重复使用；（2）至少要形成单层或者更厚的涂层以有效的屏蔽硅羟基，减少峰拖尾；（3）在较宽的pH范围内稳定；（4）具有一定的亲水性并能够有效的抑制目标化合物的吸附[26]；（5）制备方法简单，容易操作。综合上述几种涂层制备方法可以看出，共价键涂层在稳定性要好于非共价键涂层，在制备方法和操作上比较繁琐，重现性比较差，而非共价键涂层制备简单，制作周期短，适合于快速小批量的分离要求。

表1 涂层材料汇总[25]Table 1 Coating material summary

2 毛细管涂层技术在食品检测中的应用

食品安全是关系国家根本的大事，食品检测的重要性不言而喻，食品检测的已知范围和未知范畴一再的扩大，很多的营养物质和有害物质的检测给传统的检测仪器和方法提出了巨大的挑战，同时研究者也把目光投向了更新颖、更精密的实验仪器和实验方法。许多研究者将毛细管电泳涂层技术应用于食品检测领域取得了良好的结果，为食品检测提供了新思路，新方法。

2.1 食品防腐剂的检测

食品防腐剂能抑制微生物活动，防止食品腐败变质，从而延长食品的保质期。绝大多数饮料和包装食品想要长期保存，往往都要添加食品防腐剂。防腐剂是用以保持食品原有品质和营养价值为目的的食品添加剂，它能抑制微生物活动、防止食品腐败变质从而延长保质期。国家标准规定使用的防腐剂有苯甲酸、苯甲酸钠、山梨酸、山梨酸钾、丙酸钙等25种。Kenji Yoshikawa等使用海美溴铵、聚乙烯醇、三羟甲基氨基甲烷、偏苯三酸等制备了一种半永久性涂层在8 min内同时分离检测了9种酸化剂和4种防腐剂，包括脱氢乙酸、苯甲酸、山梨酸和丙酸盐等[27]。Weiyu Wang等通过在电泳缓冲液中添加3，4-二羟基苯甲酸（3，4-DHBA）使用电导检测器同时分离检测了4种带电荷和2种电中性的防腐剂[28]。

2.2 食品有机酸的检测

酸味剂是以赋予食品酸味为主要目的的食品添加剂，它还有调节食品pH值的作用。酸味剂分为有机酸和无机酸。食品中天然存在的主要有机酸包括柠檬酸、酒石酸、苹果酸和乳酸等。A.M.Golubenko等使用聚酰亚胺毛细管涂层柱分离检测了食品材料和制品中的酒石酸、苹果酸、乳酸、柠檬酸等有机酸[29]。Tuma等制备了共价键合聚丙烯酰胺毛细管涂层，成功地对草酸、丙酮酸和乳酸等小分子有机酸进行了分离[30]。

2.3 食品营养强化剂的检测

营养强化剂是指为增强营养成分而加入食品中的天然的或人工合成的属于天然营养素范围的食品添加剂。Laura Sánchez-Hernández等使用环糊精作为手性功能性试剂成功的在22种保健食品中分离了L-和D-肉碱，取得了良好的回收率和精密度[31]。

2.4 其他方面的应用

微生物因为他们在健康方面的积极作用和巨大危害而著名，我们需要更好的方法更多的工具去发现，鉴别和检测微生物，而毛细管电泳成为检测微生物的一种很有前途的方法。Jan Petr等对毛细管电泳及聚环氧乙烷（PEO）等涂层技术在微生物检测方面的应用进行了综述[32]。食品抗氧化剂是能阻止或延缓食品氧化变质、提高食品稳定性和延长贮存期的食品添加剂。Elena H.Fernandez等对毛细管电泳和聚阳离子涂层在食品中酚类抗氧化剂的检测中的应用进行了综述[33]。抗生素是由微生物（包括细菌、真菌、放线菌属）或高等动植物在生活过程中所产生的具有抗病原体或其它活性的一类次级代谢产物，能干扰其他生活细胞发育功能的化学物质。Ana M.García等对毛细管电泳和动态涂层在食品和环境样品抗生素检测中的应用进行了综述[34]。

3 结论

毛细管电泳涂层能有效地控制电渗流和分析物在毛细管内壁上的吸附，对毛细管电泳的分离效果和重现性的提高起着十分关键的作用。毛细管电泳技术在生命科学、生物医药工程、环境保护、食品检测等领域的广泛应用及其与质谱、LIF等联用技术的飞速发展，对毛细管电泳涂层的制备和性能提出了新的要求和挑战。因此，在高质量、高性能和具有复杂结构毛细管涂层的制备过程中，如何做到兼顾共价键合涂层和非共价键合涂层各自的优点，摒弃各自的缺点，成为毛细管电泳涂层研发的主要方向。

食品的多样性及其成分的复杂性对应用于食品分析的方法提出了很高的要求。一个理想的食品分析方法最好可以应用于不同的食品基质，并可测定同一食品基质中不同的食品成分。由于毛细管电泳具有多种分离模式，可以满足基质复杂的食品分析要求，其分析的样品可以从饮用水到复杂的肉、奶制品，分析的成分可以从简单的金属离子到蛋白质等大分子，再加上与样品前处理技术兼容性好，因此，在食品分析方面的毛细管电泳和涂层技术的应用将日趋广泛。

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