Капиллярный электрофорез (КЭ) представляет собой высокоэффективный аналитический метод разделения ионов и молекул на основе их электрической подвижности в электрическом поле. Метод основан на миграции заряженных частиц через узкий капилляр, заполненный буферным электролитом, под действием постоянного электрического напряжения. Отличительной особенностью является высокая разрешающая способность, достигаемая за счет минимизации зон диффузии и строго контролируемых условий движения аналитических частиц.
Электрофоретическая подвижность μ определяется выражением:
$$ \mu = \frac{v}{E} $$
где v — скорость частицы, E — напряженность электрического поля. Она зависит от заряда частицы, вязкости среды и её гидродинамического радиуса, что обеспечивает селективность метода для различных типов ионов и молекул.
Капиллярный зонный электрофорез (CZE) Основной режим КЭ, при котором разделение происходит в свободном буфере без добавок. Частицы разделяются исключительно по разности их электрофоретической подвижности. Этот метод эффективен для малых и средних молекул, а также для биомолекул, таких как пептиды и нуклеиновые кислоты.
Капиллярный изоэлектрический фокус (CIEF) Используется для разделения белков и пептидов по их изоэлектрической точке (pI). В капилляре создаётся градиент pH, в котором молекулы мигрируют до достижения зоны с pH, равного их pI, и останавливаются, формируя узкие пики высокой концентрации.
Капиллярный гель-электрофорез (CGE) Применяется для разделения макромолекул, таких как белки и нуклеиновые кислоты, по их размеру. Капилляр заполняется полимерным гелем, который создаёт молекулярное сито, замедляющее движение крупных молекул. Малая дисперсия потоков позволяет достигать высокой разрешающей способности.
Микроэмульсионный и капиллярный электрокинетический хроматографический режим (MEKC и CEC) Позволяет разделять нейтральные и слабозаряженные молекулы с использованием буферов с добавками, создающими псевдохроматографическое распределение. Это расширяет аналитический диапазон метода и позволяет работать с широким спектром органических соединений.
Капилляры изготавливаются из кварцевого стекла с внутренним диаметром 25–75 мкм, что обеспечивает высокое электрическое поле при малых напряжениях и минимизирует диффузионные потери. Длина капилляра обычно составляет 20–100 см, что позволяет контролировать время миграции и разрешение пиков.
Буферные системы играют ключевую роль в обеспечении стабильной электрофоретической среды. Они должны поддерживать заданное значение pH, минимизировать адсорбцию частиц на стенках капилляра и обеспечивать достаточную проводимость для прохождения тока без перегрева. Часто используются фосфатные, борные и ацетатные буферы с концентрацией 10–100 мМ.
Для фиксации аналитических пиков применяются следующие методы детектирования:
Преимущества:
Ограничения:
КЭ широко применяется в аналитической химии для контроля чистоты лекарственных препаратов, анализа биомолекул (белков, пептидов, нуклеиновых кислот), мониторинга пищевых продуктов и воды. В биотехнологии метод используется для проверки гомогенности рекомбинантных белков и оценки посттрансляционных модификаций. В фармакологии — для определения микроимпуритетов и стабильности лекарственных форм. Высокая разрешающая способность позволяет идентифицировать структурные изомеры и посттрансляционные формы белков, что критично для производства биофармацевтических препаратов.
Развитие КЭ связано с интеграцией с микрофлюидными платформами, миниатюризацией аналитических систем и повышением чувствительности детекторов. Микрокапиллярные и чиповые форматы позволяют создавать полностью автоматизированные лаборатории на крошечных платах, что ускоряет анализ и снижает расход реагентов. Совмещение с масс-спектрометрией и флуоресцентными методами расширяет возможности метода в структурном и количественном анализе сложных смесей.