电泳(卷名：化学)
electrophoresis
最初是指带电胶体粒子在直流电场中移动的现象。但低分子带电物质也有泳动现象，为了区别，后者曾叫做离子电泳。现在统称电泳。利用电泳现象进行物质分离的技术也称电泳，本文专指此技术，即电泳是分离、分析和鉴定混合物中带电粒子（包括离子、高分子多价电解质、胶体粒子、病毒以至活细胞等）的技术。电泳分离基于粒子移动速度的不同，不涉及电极反应。虽然电沉积和电镀等过程也有电泳现象，但其主要作用是电极反应，所以不叫电泳。
简史 早在19世纪20年代已发现电泳现象，但直到1937年，瑞典的A.W.K.蒂塞利乌斯才创建了电泳技术。他设计的电泳仪价格高而笨重，分辨力也有限，于40年代末、50年代初又相继发展了利用支持物进行的电泳，如滤纸电泳、醋酸纤维素膜电泳、琼脂电泳，以及把后者与免疫扩散相结合的免疫电泳等。这些技术设备简单，操作方便，有较高的分辨力，可利用染色、紫外吸收、放射性和生物活性测定等检出被分离物，灵敏度高，选择性强，在生化和临床检验方面发挥了巨大作用。50年代后期，又先后出现了淀粉凝胶电泳和聚丙烯酰胺凝胶电泳。60年代后期，瑞典科学家们又先后创立了在分离原理上有新特点的等电聚焦和等速电泳技术。现在，电泳已日益广泛地应用于分析化学、生物化学、临床化学、食品化学、毒物学、药理学、酶学、免疫学、动物学、植物学、微生物学、遗传学、细胞学以及分子生物学。
原理 电荷来源 固体和液体接触时，二者之间产生电位差，固体表面带一种电荷，周围液体带反符号电荷（称为双电层）。胶体表面的电荷可由于吸附液体中某种离子或其组成成分的相反符号的电荷不等量地进入溶液而引起。蛋白质等则由于其本身具有的功能团离解而带电，蛋白质带有正负两种电荷（称为两性电解质）。
电动现象 双电层的固定层和可移动层之间形成的电位差，称为电动电位（也称ζ电位），它的存在引起电动现象。当施加电压时，如液体不动，则粒子运动就是电泳。将固体粒子（如多孔陶瓷）固定，液体就会流动，称为电渗。当不施加电压时，将固体粒子固定，强迫液体流动，则产生电位差，称为流动电位。液体固定时，使粒子在其中运动也产生电位差，称为沉降电位。
电泳速度 当粒子以恒速泳动时，推动力QE与阻力f 相等，f＝6πrηv。电泳速度v为:
式中Q为净电荷；E为电场强度；r为粒子半径；η为介质粘度。电泳迁移率 也称淌度，迁移率μ是在单位电场强度作用下，单位时间内移动的距离：
式中d是移动距离；t是时间。泳动速度v＝d/t，代入上式，得：有效迁移率 设某离子成分的离解度（即离解态对离解态与非离解态总和之比）为α。由于离解态与非离解态处于动态平衡中，所以每一个离子可以看成是在α时间内为离解的而在1－α时间内为非离解的，因为只有在离解态才能电泳，所以有效迁移率为μα。
离解度与缓冲液pH的关系 离解度与pH的关系服从赫塞尔巴赫－亨德森公式：
式中Ka为弱酸的外观离解常数；α为离解度。当pH＝pKa时，α接近0.5；pH大于pKa一个pH单位时，α接近0.9；大出两个pH单位时，α接近0.99，即99％离解。上式适用于阴离子。如果是阳离子，则式中的“+”号改为“－”号，pH与pKa的关系也倒过来，即pH小于pKa时离解度大。离子强度对电泳的影响 当缓冲溶液的离子强度低时，泳动速度高，生热少；离子强度高时，粒子周围相反符号的离子增多，使泳动速度变慢，且生热多，但区带较窄。
电泳生热问题 热对电泳有很大影响。温度升高，迁移率和自由扩散增加，介质粘度降低。温度升高1度，迁移率约增加2.4％。热不稳定的生物材料电泳时，要解决散热问题。
综上所述，电泳移动依赖于很多参数，例如粒子本身的性质，包括大小、形状、浓度、电荷、水化程度、离解度等，介质的条件如粘度、pH、离子强度和温度等，以及电场情况如电场强度、电流纯度、电泳时间等。在用支持物的电泳中影响因素更多，如支持物的吸附作用、不均一性、离子交换能力、电渗作用、虹吸作用、热和蒸发作用等，而凝胶的阻力作用更为突出，它的分子筛作用使分辨力大为提高。
分类 按分离原理的不同，可分四大类（图1）：
移界电泳 是蒂塞利乌斯最初建立的电泳。样品与载体电解质在电泳开始前有清晰的界面，电泳过程中，不同成分泳动速度不同而先后形成不同的界面，走在最前面的达到部分地分离，其他大部分重叠（图1a），相当色谱法中的前沿分析。这种方法早已不再使用。
区带电泳 在一定的支持物上，于均一的载体电解质中，将样品加在靠中部的位置。样品中带正或负电荷的离子分别向负或正极以不同速度移动，分离成区带（图1b）。相当色谱法中的洗脱。区带电泳种类很多，现在应用最广的要算各种形式的聚丙烯酰胺凝胶电泳（PAGE）例如用PAGE作疫霉分类研究时，可得出不同种疫霉的凝胶盘状电泳图谱（图2）。
由于PAGE的高分辨力可以区分链长只相差一个核苷酸的脱氧核糖核酸(DNA)片断，可用PAGE进行DNA序列分析。例如，在这方面应用PAGE可得出花椰菜花叶病毒新疆分离物(CaMV-XJ)基因组DNA序列图谱（图3）。
蛋白质用十二烷基硫酸钠(SDS)处理后再进行电泳，可按其分子量大小而分开，称SDS-PAGE，分辨力也极高，并可代替超离心法来测定蛋白质的分子量。等电聚焦 分离图形(图1c)与区带电泳相象，但分离原理大不相同。在正、负极小室分别加酸和碱，中间放载体两性电解质，它是一种人工合成的、具有不同等电点的复杂的混合物，并在电场中以等电点由低到高的顺序从正极到负极自动形成pH梯度，而被分离物质则各自聚集在其等电点的位置上。区带不扩散，越走越窄，因此分辨力极高。聚焦的原理是当两性电解质处在低于其本身等电点的环境中则带正电荷，向负极移动，移动到了高过其等电点的位置后，则又带负电而向正极移动，最后必然聚焦在其等电点位置上不再移动，因此，不仅能分离很复杂的混合物，还能同时测出各成分的等电点；最初是在直立柱中进行，加蔗糖造成密度梯度以保持分离的区带不再混合，现在多用聚丙烯酰胺凝胶（PAGIF）进行，也可以用琼脂糖凝胶。凝胶形状多采用薄层，也有用细柱的，近年来向超薄层和小型化发展。因超薄层散热效果好，小型化距离短（3厘米），可提高场强（高达800伏/厘米），缩短时间（10分钟），提高分辨力。例如用超薄层（厚50微米，长20厘米）凝胶分离某真菌酶制剂，可分出120多条带，如把空白算上可达200条带（图4）。
等速电泳 在两个电极室中分别含有与被分离离子符号相同的先行离子（迁移率最大）和终止离子（迁移率最小），样品在中间，全电泳系统中均有相同的对立离子。电泳达到平衡后，各离子区带按迁移率大小顺序先后排列，并保持一定的浓度比例等速前进（图1d），相当色谱法中的置换。
等速电泳的原理是基于科尔劳施公式，该公式说明相邻区带中两离子的浓度保持一定比值：
式中c妷、c娛为电泳平衡后两相邻区带中阴离子的浓度；μ妷、μ娛分别代表该两离子的迁移率；μ+代表对立离子的迁移率。由于在一定条件下迁移率是常数，两个浓度之比也是常数。如果开始时不符合此比值，则它会自动调整到此比值，也就是起始浓度高的会逐渐稀释而区带变宽，反之区带变窄。这个公式在实际电泳中导致以下五个主要后果:①各种离子依迁移率大小顺序先后排列，排列位置是其定性参数；②区带宽度是其定量参数；③加入间隔离子使相邻区带分开，可以提高分辨力，能达到分离、纯化制备的目的；④各离子区带的浓度和比电导率按先后顺序依次递减，而场强、温度和pH则依次递增，均呈台阶状(图5)。用下表可以说明上述现象。
用c妷，c娛代表两种离子或其浓度，已知μ1＞μ2，故c妷离子速度大，走在前面，因为c娛离子速度小，可以设想若c娛暂时跟不上去，则形成一个离子稀薄区，电阻加大。但通过两区带的电流是恒定的，根据欧姆定律，I＝E/R。R加大，E也加大，故E2＞E1。E2的加大使区带2中的c娛速度加大(等于E2μ2)，立即赶上区带1中的c妷离子，c妷的迁移率虽大，但因E1小，其速度等于E1μ1。平衡时E1μ1＝E2μ2，即等速前进。若c妷扩散入区带2中，则因E2大，速度加大，而又回到区带1中。若c娛扩展到区带1中，则因E1小而速度减小又回到区带2中，所以两种离子始终能保持清晰的界面，并等速前进。
等速电泳可在毛细管中或凝胶中进行，分析蛋白质时可用载体两性电解质作间隔离子。检测方法可用紫外吸收、测温度或温差值(图6)。分析人血清时，30～40分钟可直接得出结果，用来作临床检验是很有利的（图7）。
展望 电泳技术正向高分辨力和微量化发展。新发展的双向电泳(2DE)就是把不同电泳方法结合起来，例如把按等电点分离的PAGIF和按分子量分离的SDS－PAGE结合进行 2DE分析，分辨力可大大提高，因为难得有两种蛋白质等电点和分子量均相同。人纤维母细胞的蛋白质用2DE可分离出2500～3000种成分。如果用前述的超薄层PAGIF进行2DE分析，则其潜力可分离数万个蛋白质。最近又发展了银染色技术，其灵敏度与放射自显影相当，还可以配合计算机分析图谱，效率更高。双向电泳可以获得蛋白质的全信息，不仅在生物基础学科（如细胞生物学、遗传学、胚胎发育和系统发育等）的研究中起重要作用，在临床诊断中也可用以查出由于某一蛋白质改变而引起的疾病，在遗传病和癌变诊断中有可能发挥重要作用。