色谱  2015, Vol. 33 Issue (1): 4-9   PDF (1210 KB)    
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王晓倩
赵新颖
屈锋
胡猷浩
龚芮
魏强
2014年毛细管电泳技术年度回顾
王晓倩1, 赵新颖2, 屈锋1 , 胡猷浩1, 龚芮1, 魏强1    
1. 北京理工大学生命学院, 北京 100081;
2. 北京市理化分析测试中心, 有机材料检测技术与质量评价北京市重点实验室, 北京 100089
摘要:本文为2014年毛细管电泳(CE)技术的年度回顾.介绍了2014年涉及CE技术的国际会议5个,国内会议2个,总结了各会议的研究报道情况;归纳了在ISI Web of Science中检索到的2014年度发表的与CE技术相关的论文,并对以上论文在生物医药研究、检测器使用以及重要分析化学杂志发表的情况进行了分类说明.最后,回顾和比较了2012-2014年的CE进展.
关键词毛细管电泳     2014年     年度回顾    
Annual review of capillary electrophoresis technology in 2014
WANG Xiaoqian1, ZHAO Xinying2, QU Feng1 , HU Youhao1, GONG Rui1, WEI Qiang1    
1. School of Life Science, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081, China;
2. Beijing Centre for Physical and Chemical Analysis, Beijing Key Laboratory of Organic Materials Testing Technology & Quality Evaluation, Beijing 100089, China
Abstract: This paper reviews the capillary electrophoresis (CE) in 2014. Five international and two national conferences are included and the important reports are introduced briefly. The literatures from ISI Web of Science published in 2014 (Jan. 1st to Dec. 15th) are classified and introduced based on the biology and medicine applications, the use of detectors as well as the important analytical chemical journals. In the end, CE developments in 2012-2014 are reviewed and compared.
Key words: capillary electrophoresis (CE)     2014     annual review    
1 国内外会议聚焦

2014年国际、国内举办的学术会议中与毛细管电泳(capillary electrophoresis,CE)相关的主要会议有7个(见表1),本文将逐一进行介绍。

表1 2014年度国内外会议
1.1 ITP & LACE 2014

The 21st International Symposium on Electro-and Liquid Phase-Separation Techniques & 20th Latin-American Symposium on Biomedical,Biopharmaceutical,and Industrial Applications of Capillary Electrophoresis (ITP & LACE 2014)于2014年10月4日-10月8日在巴西的纳塔尔举行,会议由International Separation Science Society (CASSS)和Sao Paulo大学主办。与往年不同,今年ITP与LACE会议联合举办,两会都是与CE最相关的重要学术会议。会议设基础研究、蛋白质及肽、代谢组学、生命及组学分析、手性分析、微流体及微芯片、仪器、应用及青年论坛分会。会议共有64个报告,30个报告与CE相关。CE及联用技术的报告16个,包括毛细管电泳和质谱联用方法(capillary electrophoresis-mass spectrometry,CE-MS)、二维离子色谱-CE、CE-光子晶体、电容耦合非接触电导、发光二极管诱导荧光检测器、毛细管区带电泳(capillary zone electrophoresis,CZE)双选择系统的双分析软件的开发。其中,值得关注的是CE-MS在生物分析领域中的应用有11个相关报告。包括:完整蛋白质和蛋白质复合物的表征、单克 隆抗体及抗体-药物结合物的表征、肽谱分析、蛋白质和多肽在体内和体外脱氨基作用的研究、脂多糖结构鉴定、代谢组学以及亲和毛细管电泳和质谱联用(affinity capillary electrophoresis-mass spectrometry,ACE-MS)用于同源蛋白质的筛选,表明CE-MS技术在复杂生物分子样品分析中仍具有极大的应用潜力。此外,CE应用的报告有8个,除手性分离、生物分子相互作用、Fe-肽复合物形成、临床检测的应用外,还包括真菌、加工食品的反式脂肪酸、碳酸半酯和植物活性成分表征的新应用。另外,还有6个报告涉及CE方法学:等速电泳用于肽表征、亲水和非水CE分析对映体的亲和作用的比较、CE内标法高通量测定药物的解离常数(pKa)、背景电解液中反离子对电进样的影响、连续进样研究进展等。

与CE相关的36篇墙报中,18篇为生命分析应用,其中CE及CE-MS用于药物(8篇)、食品(5篇)、蛋白质(3篇)、疾病相关生物标记物(2篇)的分析。此外,Csilla Páger等讨论了两性电解质对毛细管等电聚焦和质谱联用(capillary isoelectric focusing-mass spectrometry,CIEF-MS)的影响。CE还用于室内甲醛和乙醛、商用洗衣剂、色素、甘油等中性物质、脂肪醇、单碳酸水解动力学的分析。应用毛细管胶束电动色谱(micellar electrokinetic chromatography,MEKC)的墙报有5篇,包括:17种糖皮质激素的分离、饮料中生物碱及合成吡嗪酸酯的测定、芳香胺结构与保留的关系、样品与胶束相互作用的热力学参数的测定。墙报还涉及局部填充ACE及分散液液微萃取-CE法用于手性分离、CE与化学计量学联用、CE双选择分离系统、商用CE采用不同内径的集成毛细管用于样品的快速检测与分离。

1.2 CE Pharm 2014

The 16th Symposium on the Practical Applications for the Analysis of Proteins,Nucleotides and Small Molecules (CE Pharm 2014)于2014年10月12日-10月16日在美国华盛顿州的西雅图举行,会议由CASSS主办。会议主题仍是利用CE技术解决蛋白质、核酸和小分子类药物的研发、质量控制、产品评价中的问题。与会者大多为来自生物技术、医药工业、学术界、监管机构和分析仪器公司的科技人员。会议重点交流了CE在蛋白质、小分子、糖、代谢物及其他分子有关产品研发中的应用,包括高通量筛选、工艺研发、产品表征、配方研究、稳定性测试方面的应用进展,讨论了CE技术的优势和局限性,为CE技术的使用者以及各公司之间相关人员的交流提供了平台和机会。此次会议有23个报告,围绕“产品和过程相关杂质分析、新技术、管理、小分子、质量控制分析、新兴治疗”等内容展开。其中,CE用于产品和过程中相关杂质分析的报告就有6个,这说明CE技术在产品质量控制过程中有重要的应用。39篇墙报主要分为产品和过程相关杂质分析、小分子、新技术、新兴治疗、新突破、难题解决或比较部分。毛细管等电聚焦成像和基于十二烷基磺酸钠的CE(SDS-CE)分析抗体药物、融合蛋白和酶等蛋白质的方法在会议报道的方法中仍占较高比例,这与2013年的报道结果一致。此外,CE-MS的应用有9篇,另有2篇墙报介绍了毛细管凝胶电泳法(capillary gel electrophoresis,CGE)用于病毒分析(见表2)。

表2 CE Pharm 2014会议论文题目分类
1.3 HPLC 2014

The 41st International Symposium on High Performance Liquid Phase Separations and Related Techniques (HPLC 2014)于2014年5月11日-5月15日在美国路易斯安那州的新奥尔良举行,由CASSS主办。会议开设有蛋白质的毛细管电泳分析和肽的毛细管电泳分析分会。与CE有关的10个报告中CE-MS有5个:小型化毛细管电泳-电喷雾电离质谱(CE-ESI-MS)、纳升级电喷雾尖端、CE-ESI-MS的稀释限制等仪器研制内容;CE-MS用于蛋白质-蛋白质亲和作用表征、低相对分子质量的肝素结构分析;毛细管等速电泳用于脱氧核糖核酸(DNA)单分子成像、CE结合逆流电动加压技术检测水中砷类化合物、CE与离子色谱法对比分析无机阴/阳离子、溶液相组成和物理化学特性对HPLC和CE分离的影响、环聚果糖衍生物用于HPLC和CE的手性分离等。

与CE相关的墙报18篇。生物分析的目标以蛋白质、氨基酸和糖为主,包括CE-MS用于代谢组学氨基酸定量、单克隆抗体表征(2篇),聚乙烯吡咯烷酮(polyvinylpyrrolidone,PVP)填充CE分析人血清氨基酸、CE及LC-CE二维法表征低聚糖。手性分析的墙报4篇,分别应用了CE-MS、配体交换等速电泳、离子液体作手性筛分剂,CE在带电螺旋分子手性分离中的应用。会议还涉及质量源于设计(2篇)和MEKC法定量分析药物(2篇)。墙报中关于CE的新应用包括无铜催化的点击环加成反应分析、有机物指纹图谱构建、区带穿越衍生法(zone passing technique of in-capillary derivatization)对镧系元素的痕量分析。值得注意的是,柱头场扩大样品堆积CE法可用于气体燃料中痕量无机气体污染物的扩散浓度分析,开辟了CE在气体污染物检测方面的应用。

1.4 MSB 2014

The 30th International Symposium on MicroScale Bioseparations (MSB 2014)于2014年4月27日-5月1日在匈牙利Pécs举行,由Pécs大学主办。该会议提供了生物分子微尺度研究的理论和实践的开放平台。会议共有报告60个,与CE有关的报告23个。Agnès Hagège课题组报告了CE-电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)筛选铀的靶蛋白。CE-MS联用技术包括电喷针、微型喷雾接口数值模拟,分析对象有蛋白质、唾液酸糖肽、HIV gp120免疫原的糖基化、烷基碳酸盐。CE分析应用还包括激酶信号通路、蛋氨酸还原酶立体结构,在线固相萃取-CE分析神经肽。基于MEKC技术的报告有3个,讨论了类等速电泳与pH介导的动力进样堆积MEKC的比较、多聚阳离子的分配系数和表面活性剂的选择。另有基于ACE的报告,分别为免疫亲和CE监测炎症生物标记物、亲和色谱与CIEF偶联、ACE-MS用于蛋白质的同型筛选。还有带电聚合物涂层对毛细管表面性能及电渗流影响的研究。

会议墙报77篇,与CE相关的25篇。包括CE用于氨基酸手性分析(5篇)、食品分析(2篇)、糖分析(2篇),以及N-甲基-D-天冬氨酸(N-methyl-D-aspartic acid,NMDA)受体调控、溶菌酶修饰的铜纳米颗粒表征、适配体和靶标结合参数、牛血清白蛋白(BSA)和水杨酸结合的热力学常数的测定等。CE-MS用于分析表征糖蛋白水解液、组蛋白、代谢氨基酸、微粒与药物在线孵育、抗凝血酶制剂、蝶啶等。另有等速电泳法移动界面理论和蛋白质多维分离、等速电泳模式CE-ESI-MS以及MEKC法用于反兴奋剂分析和囊胞纤维症患者体内维生素的测定等。

1.5 APCE 2014

The 14th Asia Pacific International Symposium on Microscale Separations and Analysis (APCE 2014)于2014年5月11日-5月15日在日本京都举行,会议由日本分析化学协会、日本化学学会、日本药学会、色谱科学协会和化学及微纳系统协会主办。会议与CE相关的报告有8个。华中科技大学刘笔锋教授报告了CE法基于活性探针的单细胞化学蛋白质组学的研究、Joselito P. Quirino教授报告了无接口二维中心切割CE法对中性和带电分析物的堆积和分离、Nobuhiko Iki教授报告了ACE法研究金属酶系统的热力学和动力学。17个墙报集中展现了聚合物和凝胶介质在CE中的应用:聚合物及调谐结构凝胶溶液中双链DNA的电泳淌度、聚合物网格对短双链DNA迁移的影响、毛细管环氧乙烷电泳分离牙周病原体DNA、毛细管聚合物电泳分离核糖核酸(RNA)、聚合物增强的毛细管瞬时等速电泳用微生物细胞的DNA适配体筛选、CGE及聚乙二醇(PEG)水凝胶用于分子筛选、藻酸盐水凝胶的定量配体固定化用于在线亲和浓缩。还有添加聚合物的石墨烯-MEKC及添加离子型表面活性剂的非水CE用于合成线型聚合物的分离等。其他墙报涉及了CE在多个领域的应用,包括:CE-ESI-MS检测核酸损伤、CE研究主客体化学-从分子识别到平面正方形Pt(Ⅱ)- β -环糊精双自由基复合物顺反同分异构体的分离、顶部管内微萃取/CE用于有机污染物的分析、CZE用于药物光解下酸解离常数的测定、运动员尿液中与运动疲劳相关的10种关键生物胺指示剂的分离和测定、区带穿越模式反应器(zone-passing mode capillary electrophoretic reactor)、毛细管电泳反应器用于酸动力学及有机物水解作用分析、瞬时等速电泳在线毛细管浓缩技术快速分离和分馏高放射性液体样品中的 β 射线放射性同位素。而有关CE及LC中分子印迹毛细管整体柱的选择性分离的报道则在墙报中颇具新意。

1.6 国内会议

第九届全国微全分析系统学术会议/第三届全国微纳尺度生物分离分析学术会议暨2014国际微流控芯片与微纳尺度生物分离分析学术会议于2014年10月31日-11月2日在武汉举行,会议由国家自然科学基金委员会和中国分析化学会主办,华中科技大学承办。与CE相关的报告有7个:北京大学刘虎威教授的“毛细管电泳在线耦合质谱分析”,张新祥教授的“CE-MS纳喷雾接口的应用”,大连化学物理研究所许国旺研究员的“毛细管电泳-质谱联用技术在代谢组学研究中的应用”,兰州大学陈兴国教授的“毛细管电泳用于示踪神经递质含量测定”,上海交通大学曹成喜教授的“在生物医药中移动反应边界电泳理论、技术和应用”,北京师范大学秦卫东教授的“用聚酰胺连接磁性纳米颗粒作为假固定相的氨基酸毛细管电泳分离”和北京理工大学屈锋教授的“基于毛细管电泳技术的核酸适配体筛选基础”。会议另有4篇CE的墙报:毛细管中核酸的等温扩增、毛细管电泳-安培检测与场放大进样-移动取代边界联用技术在线富集检测生物胺的研究与应用、毛细管电泳-非接触电导检测法分离检测微量金属离子的研究、基于微流控芯片和毛线管电泳的在线动态磁性固相萃取技术检测牛奶中土霉素含量。

第十届全国生物医药色谱及相关技术学术交流会于2014年4月19日-22日在山东威海举行,由中国化学会色谱专业委员会、北京色谱学会主办,山东大学环境科学与工程学院承办。会议设CE相关的邀请报告5个,分别为“毛细管电泳-单分子成像分析揭示等速电泳分离机理”“金属元素标记结合毛细管液相色谱-质谱用于蛋白质N-末端肽的鉴定及相对定量新方法研究”“基于仿生聚多巴胺功能化修饰的固相微萃取及毛细管电色谱”“毛细管电泳技术在核酸适配体研究中的应用”“毛细管电泳结合高效液相色谱/质谱用于天然产物活性成分的筛选”。另有9个口头报告分别涉及毛细管修饰(2个)、CE与化学发光技术联用(2个)、CE表征与筛选(4个)、CE-MS联用技术(1个)。7个墙报内容涵盖了ACE、CZE、毛细管电泳-固定化酶反应器、固相萃取与毛细管联用、CE-MS等方法和应用。

2 期刊论文聚焦

截止到2014年12月15日,以“capillary electrophoresis”为关键词在“ISI Web of Science”数据库中进行主题检索(排除“chip capillary electrophoresis,microchip,capillary monolithic,capillary microcolumn”),共有文献379篇。在此基础上,分别以研究对象、检测器、期刊名称为关键词进行主题检索,结果见表3。

表3 数据库ISI Web of Science查询结果

以研究对象为关键词进行主题检索,蛋白质类以81篇位居第一,药物类紧随其后,对映体拆分、氨基酸、多肽、酶、抗体、糖蛋白、核酸和多糖依次排列。此外,CE在细胞分析、相互作用研究以及与固相萃取技术联用上也有较为广泛的应用(见表3)。

基于检测器为关键词进行检索,CE-MS联用技术的论文以162篇排在第一位,相比2013年的121篇有明显增加,说明CE-MS联用技术的快速发展。紫外可见(ultraviolet visible,UV)检测51篇,排在第二,激光诱导荧光(laser induced fluorescence,LIF)检测以31篇位居第三。此外,电化学和非接触电导检测器(contactless conductivity detection,CCD)共29篇,CCD增加较快,由2013年的15篇增至26篇(见表3)。

Analytical Chemistry作为分析化学学科最有影响的杂志,2014年有11篇CE文章发表,与2013年基本持平。3篇为CE-MS联用技术的应用:CE-MS联用检测革兰氏阴性细菌中的碳青霉烯酶、ACE结合基质辅助激光解吸电离质谱诊断牛奶蛋白过敏、CE-电感耦合等离子体质谱联用及实时砷/硒化合物分析。4篇涉及CE方法在生物学研究中的应用:CE方法检测人尿液中的碘化物含量、CE方法用于同步测定单个线粒体膜电位和电泳淌度、基于ACE设计一种以热力学为基础的DNA双嵌段共聚物用于单核苷酸多态性的定量检测、ACE联合激光诱导荧光揭示结合的化学计量数和识别特异性对MBD2b蛋白与甲基化DNA相互作用的影响。
另外4篇为CE基础研究及各种表征分析的应用:中心切割二维毛细管电泳同时聚集和分离中性及阳离子分析物、CGE联合适配体酶法裂解同时检测多种小分子分析物、基于ACE数据获取动力学速率常数的数学解法、一种用于CE的液滴微流控注射器的发展。

Electrophoresis作为CE最专业的期刊,本年度发表CE研究的论文71篇,仍排名第一。其他重要的分析化学期刊Journal of Chromatography A 54篇、Journal of Separation Science 18篇、Analytica Chimica Acta 15篇、Journal of Pharmaceutical and Biomedical Analysis 8篇。我国《色谱》杂志发表6篇(见表3)。

3 2014年总结

根据2014年CE技术在国内外会议以及期刊论文发表情况,可以概括总结如下几点:1) CE与各种联用技术研究快速发展。特别是CE-MS的快速发展,促使相关发表文章日渐增多;CE-MS技术应用于生命、环境、食品、医药等多个领域表现出很大的优势。2)常规CE技术及各种新方法在生物学、组学、医学、药学等的应用空间不断扩大。3) CE Pharm 2014会议的连续召开说明了CE在生物技术和生物制药行业中巨大的发展和应用空间。4) 2014年发表在Electrophoresis上的CE论文仍占主导,其次为Journal of Chromatography A。另外,在Analytical Chemistry上发表了11篇CE论文,CE的创新研究和未来应用依然值得期待。

4 CE技术3年回顾

本课题组一直从事CE的相关研究,并对国内外会议及研究成果进行了3年跟踪。2012-2014年间,国际、国内举办的学术会议中与CE相关的会议平均每年7~8个。其中,国际会议有3~4个,ITP和CE Pharm会议都由CASSS主办,每年定期举行,是CE研究及应用最集中的年会。会议中关于CE及其相关技术的口头报告和墙报数保持稳定(见图1),参会人员基本为固定的研究群体。

图1 2012-2014年毛细管电泳相关会议情况

2012-2014年间,以“capillary electrophoresis”为关键词在“ISI Web of Science”数据库中进行主题检索(排除“chip capillary electrophoresis,microchip,capillary monolithic,capillary microcolumn”),搜索到的文献基本保持在350~400篇/年(不包含固相萃取技术,3年的检索时间段分别为2012.1.1-2012.12.1、2013.1.1-2013.12.7和2014.1.1-2014.12.15)。其中,蛋白质、多肽、核酸、抗体、糖、糖蛋白等天然大分子还是CE的主要分离对象;在手性拆分、相互作用以及固相萃取技术联用等方面也有广泛的应用。MS取代了UV和 LIF检测器在新方法研发方面有了更多的应用,CCD的应用逐渐增加。Analytical Chemistry、Journal of Chromatography A、Electrophoresis和Analytica Chimica Acta等国际主要科技期刊对CE的报道数量基本稳定(见图2)。

图2 2012-2014年毛细管电泳相关文章情况

纵观3年的报道,随着分离分析检测新技术和新方法的发展,CE已在全新的生物大分子药物(蛋白质、酶、单克隆抗体药物、核酸药物)的分析检测、质量和过程监测等领域打开了应用空间。然而,从专门交流CE应用的CE Pharm会议内容可以看出,与发表的CE研究文章相比,CE技术的应用还比较局限,已经开展的应用主要还是在其具有传统优势的蛋白质产品和过程相关杂质分析、质量控制和新兴治疗药物研究和检测等方面,其他领域的实际应用还有待于高效、快速、灵敏的新方法的建立。

以上对会议和论文发表情况的总结难免有遗漏和不妥不周之处,请广大学界同仁及应用从业人员批评指正。

致谢 感谢CMP Scientific公司James Xia博士提供2014年部分会议资料。