张伟为, 应佚伦, 龙亿涛,*

(1. 华东理工大学化学与分子工程学院, 上海 200237;2. 南京大学化学化工学院, 生命分析化学国家重点实验室, 江苏 南京 210023)

电泳是指带电粒子在外加电场作用下以一定速度向电荷相反方向迁移运动的现象[1]。混合物中分析物的电荷量、分子大小、形状等不同,其在外加电场下的泳动速度也不同,从而实现混合物的分离[2-4]。以毛细管电泳为例,其以石英毛细管为分离通道,以高压直流电场为主要推动力。毛细管的内径通常为25～100 μm,长度一般为20～100 cm,由于其比表面积大,易于散热,故可承受电场高达1 000 V/cm。毛细管内壁界面的特殊结构产生双电层效应,使得待测物分子同时受到电渗流和电泳力的共同作用。待测分子在如此高的电场强度下,经过一个几十厘米长的毛细管道,分子之间运动的相对速度差异将更加明显,从而使毛细管电泳的分离效率、分离能力相比于传统电泳显著提高。

若将毛细管的长度缩短,同时内径也进一步缩小,达到纳米尺度,则其孔道内限域空间将与单个待测分子尺寸相匹配,在外加电场下,可达到极高的电场强度,有望实现单分子水平上的电泳分离。例如,将毛细管长度缩短为10 nm,孔径缩小为1 nm,这种独特的限域空间,极大地增强了毛细管内电动力行为,仅需100 mV的施加电压,即可达到约100 kV/cm的超高电场强度。在这样的电化学限域空间内,就可以实现单分子水平上的分离分析,如可以分析识别单个碱基长度[5,6]、单个氨基酸差异[7],乃至单核苷酸甲基化[8]。……