第三章第三节电泳技术

第一节概述当前1页，总共66页。一、电泳技术的概念在直流电场中，带电粒子向与其电性相反的电极移动的现象称为电泳（electrophoresis）。利用各种带电粒子电泳速度不同，对物质进行分离，然后对物质进行定性和定量的分析方法称为电泳分析法，也叫电泳技术。当前2页，总共66页。二、电泳技术的分类电泳技术的分类方法有多种，可从分离目的、电场强度、电泳媒介、电泳装置、缓冲液pH等不同角度进行分类。当前3页，总共66页。（一）按照电场强度的不同，分为常压电泳和高压电泳常压电泳的电场强度一般在2~10V/cm（电压在500V以下）高压电泳的电场强度一般在20~220V/cm（电压在500V以上）当前4页，总共66页。（二）按照电泳媒介不同（有无支持物），分为自由电泳和区带电泳1．自由电泳自由电泳的媒介为溶液（不用支持物），带电粒子在溶液中自由移动，适用于生物细胞和生物大分子的电泳分离，如显微电泳、等电聚焦电泳、密度梯度电泳等。当前5页，总共66页。2．区带电泳媒介为支持介质，被分离的物质经电泳后在支持介质上形成区带称为区带电泳。区带电泳是目前应用最广泛的一种电泳技术，适用于蛋白质、核酸等标本的分离。区带电泳根据支持介质的不同又分为滤纸电泳、醋酸纤维素薄膜电泳、琼脂糖凝胶电泳、聚丙烯酰胺凝胶电泳等。当前6页，总共66页。（三）按照分离目的的不同，分为分析电泳和制备电泳。（四）按照支持物的装置形式（电泳装置）不同，分为水平电泳（支持物水平放置，最常用）和垂直电泳等。当前7页，总共66页。（五）按照缓冲液pH值是否均一分为连续pH电泳和不连续pH电泳。1．连续pH电泳支持介质各处的pH相同，如滤纸电泳、醋酸纤维素薄膜电泳等。2．不连续pH电泳支持介质各处的pH不同，聚丙烯酰胺凝胶电泳、等电聚焦电泳等。当前8页，总共66页。三、电泳技术的特点1．凡是带电物质均可应用某一电泳技术进行分离，并可进行定性或定量分析。2．分辨率高。3．可在常温下进行。4．样品用量少。5．操作省时简便。6．设备简单。当前9页，总共66页。第二节

电泳技术的基本原理当前10页，总共66页。一、电泳迁移率在溶液中，若能吸附带电质点或者带有可解离基团的物质在一定的pH条件下在直流电场中收到所带电荷相反的电极吸引而发生移动。根据Stoke定律，用Q表示颗粒带电量，v表示电泳速度（cm/s），E表示电场强度（V/cm），颗粒半径r，介质粘度系数η。v=EQ/(6π·r·η)当前11页，总共66页。迁移率（μ）：带电颗粒在单位电场强度下的电泳速度。μ=v/E=Q/(6π·r·η)各种带电物质在一定的条件下测得的迁移率是一物理常数。当前12页，总共66页。表2-1血清蛋白等电点与电泳迁移率血清蛋白等电点电泳迁移率cm2/(V·s)分子量白蛋白4.845.9×10-569000α1-球蛋白5.065.1×10-5200000α2-球蛋白5.064.1×10-5300000β-球蛋白5.122.8×10-590000～150000γ-球蛋白6.85～7.301.0×10-5156000～300000当前13页，总共66页。

当前14页，总共66页。二、影响电泳迁移率的因素（一）样品被分离物质的带电荷量和电泳速度成正比。带电荷量越多，电泳速度越快。若带电量相同，分子量大的电泳速度慢。分子大小与电泳速度成反比。当前15页，总共66页。（二）电场强度电场强度也称电势梯度，是指单位长度（每1cm）的电压降（电位降）。常压电泳的电场强度一般为2～10V/cm，高压电泳的电场强度一般为20～200V/cm。常压电泳多用于分离蛋白质等大分子物质，高压电泳则用来分离氨基酸、小肽、核苷等小分子物质。电泳速度与支持介质两端的电压成正比。当前16页，总共66页。例如：以滤纸作支持物，其两端浸入电极缓冲液中，电极缓冲液与滤纸交界面的纸长20cm，测得的电压降为200V，那么，电场强度为200V/20cm=10V/cm。当前17页，总共66页。（三）电泳缓冲液电泳缓冲液起着决定粒子电荷性质和电荷量的作用，同时起导电作用，电泳时对缓冲液的化学组成、pH值和离子强度都有一定的要求。当前18页，总共66页。1．缓冲液的化学组成（缓冲溶质）缓冲体系的组成常选用弱酸/弱酸盐、酸式盐/次级盐。对缓冲液的要求是化学性质稳定、电导率低、缓冲容量大、粒子移动性好。按此要求，缓冲液的pH值确定后，第一，选择缓冲液时要尽量选择pKa接近缓冲液pH的弱酸成分，此时缓冲容量最大。第二，优先选用离子价数为1价的电解质，目的是保持离子的活度。第三，优先选择正、负离子移动速度相近的电解质，使电泳时离子分布均匀，保证电泳区带的整齐。当前19页，总共66页。常用的缓冲液有巴比妥/巴比妥钠、柠檬酸/柠檬酸钠、NaH2PO4/Na2HPO4、Tris/HCL等。巴比妥/巴比妥钠是血清蛋白电泳常用的电泳缓冲液。当前20页，总共66页。2．pH值溶液的pH值决定了带电颗粒解离的程度，也决定了物质所带净电荷的多少。如缓冲溶液的pH值大于待分离的蛋白质的等电点pI，则蛋白质带负电荷，在电场中向正极移动。当分离某一蛋白质混合物时，应选择一种能扩大各种蛋白质所带电荷量差异的pH值，以利于各种蛋白质的分离，当然不能过酸过碱，以免引起蛋白质变性。缓冲液的pH值一般设在4.5～9.0为宜。当前21页，总共66页。3．离子强度除了要求缓冲液具有合适的化学组成和pH值以外，还要求具有一定的导电能力。缓冲液的导电能力可用离子强度表示。在稀溶液中离子强度可用下式计算：I=ΣCiZi2/2I：离子强度，Ci：离子的浓度，Zi：离子的价数，Σ代表累加。当前22页，总共66页。例：求0.015MNa2SO4溶液的离子强度：I=（0.015×2×12+0.015×22）/2=0.045（mol/L）缓冲液的离子强度影响缓冲容量、产热效应和电泳速度。离子强度大，缓冲容量大，pH值稳定；但离子强度大，电泳速度慢；同时离子强度大，电流强度大，产热多，蒸发快。速度慢，会导致时间过长，标本扩散。速度快，导致区带不整齐，分辨率低。综合考虑，离子强度最好选在0.02～0.2mol/L之间。当前23页，总共66页。（四）支持介质支持介质对电泳的影响主要表现为电渗作用和吸附作用。1．电渗作用液体在电场中对于一个固体支持物的相对移动，称为电渗作用。在电泳时应尽量避免使用具有高电渗作用的支持物。2．吸附作用支持介质的表面对被分离的物质具有一定的吸附作用，使被分离样品滞留而降低电泳速度，造成样品拖尾，使电泳的分辨率降低。电泳时，要选择吸附作用小的支持介质。当前24页，总共66页。（五）温度电泳过程中由于通电产生焦耳热，热对电泳有很大影响。温度每升高1℃，迁移率约增加2.4%。为降低热效应对电泳的影响，可控制电压或电流，或安装冷却散热装置。（六）分子的性质和形状（七）蒸发当前25页，总共66页。第三节电泳仪电泳仪是进行电泳分析的仪器主要由电源和电泳槽两部分组成当前26页，总共66页。一、电源电源是产生电泳电场的装置，常为可调式直流电源。一般都用交流电源经过整流、滤波后获得，主要部分是一个整流器，可用晶体管、电子管或可控硅整流。多数装有稳压装置，用电压表和电流表指示输出电压及电流的大小。当前27页，总共66页。二、电泳槽电泳槽是用来盛装缓冲液和进行电泳的场所，多用透明塑料膜压或用有机玻璃胶合而成。电泳槽外形有水平式、垂直式和圆盘式等多种，其中水平式电泳槽一般由电极、缓冲液槽、电泳介质支架和一个透明的绝缘盖等几部分组成。电极分别装在两个缓冲液槽内。电极应具有良好的导电性、抗腐蚀性和抗电解作用，常用铂丝或镍铬合金丝等材料。当前28页，总共66页。支持介质放在两个支架上，其两端与电泳液接通而形成盐桥。通电后，电流只能在支持介质体上通过，电泳物质在其上泳动。绝缘盖起防止缓冲液蒸发以及防触电的保护作用。有些电泳槽有冷却装置以保证电泳介质的温度不至过高。电泳操作一般有支持介质的制备或饱和，加样，电泳分离样品、染色及洗脱比色或光密度扫描定量等步骤。当前29页，总共66页。第四节

几种常用电泳技术当前30页，总共66页。一、醋酸纤维素薄膜电泳醋酸纤维素薄膜电泳（celluloseacetateelectrophoresis,CAE）是以醋酸纤维素薄膜作为支持物的一种区带电泳技术。醋酸纤维素薄膜是将纤维素的羟基乙酰化形成纤维素醋酸酯，然后将其溶于有机溶剂后涂抹成均匀的薄膜，干燥后就成为醋酸纤维素薄膜。该膜具有均一的泡沫状结构，厚度约为120μm，通透性好，对分子移动阻力少，是一种良好的电泳支持物。当前31页，总共66页。（一）优点1．吸附作用和电渗作用都很小2．分离速度快3．分离区带清晰，分辨率高4．样品用量少5．操作简便6．易定量、可长期保存当前32页，总共66页。（二）缺点1．薄膜吸水性差2．分辨率比聚丙烯酰胺凝胶电泳低3．不适于制备当前33页，总共66页。【实验名称】醋酸纤维素薄膜电泳分离血浆蛋白质【实验原理】

血浆中各种蛋白质的等电点不同，一般都低于pH7.4。它们在pH8.6的缓冲液中均解离带负电荷，在电场中向正极移动。由于血浆中各种蛋白质分子大小、形状及所带的电荷量不同，因而在醋酸纤维素薄膜上电泳的速度也不同。因此可以将它们分离为清蛋白（Albumin)、α1-球蛋白、α2-球蛋白、β-球蛋白、γ-球蛋白，纤维蛋白原６条区带。（三）操作步骤当前34页，总共66页。（三）操作步骤处理膜→点样→电泳→染色→漂洗→透明→测定吸光度

当前35页，总共66页。操作步骤1、薄膜准备①将醋酸纤维素薄膜切成2×8cm的小条。②在薄膜粗面一端1.5cm处用铅笔轻轻画一横线。③在薄膜角上用铅笔作一标记。④将醋酸纤维素薄膜浸泡于缓冲液中20min。

当前36页，总共66页。操作步骤醋酸纤维素薄膜规格及点样位置8cm2cm点样线点样区1.5cm(粗面）当前37页，总共66页。操作步骤2、电泳仪准备在电泳槽内加入缓冲液，使两个电极槽内的液面等高。先剪裁尺寸合适的滤纸条，取双层滤纸条附着在电泳槽的支架上，使它的一端与支架的前沿对齐，而另一端浸入电极槽的缓冲液内。用缓冲液将滤纸全部润湿并驱除气泡，使滤纸紧贴在支架上，即为滤纸桥。它是联系醋酸纤维薄膜和两极缓冲液之间的“桥梁”。当前38页，总共66页。操作步骤3、点样（电泳的关键步骤）用镊子把膜条从缓冲液中取出，夹在两层滤纸中间，吸去多余的液体，然后平铺在玻璃板上（粗面朝上），将点样器先在培养皿的血浆中沾一下，再在膜条点样线处轻轻地水平落下并随即提起，这样即在膜条上点上了细条状的血浆样品。点样线尽量点得细窄而均匀。宁少勿多。当前39页，总共66页。操作步骤4、上槽待血浆吸入膜后，以薄膜粗面向下、点样端置阴极端，两端紧贴在滤纸盐桥上，膜应轻轻拉平，加盖，平衡约5min，使薄膜渗透的缓冲液达到平衡。

切勿使点样处与电泳槽接触当前40页，总共66页。操作步骤5、电泳检查电泳装置是否正确，开启电源，调节电压、电流，然后通电40~60min。

电压：110~130V（10V/cm膜长）薄膜的有效长度是两电极缓冲液面之间滤纸盐桥和薄膜的长度之和。

电流：0.4~0.6mA/cm膜宽有数条膜便求数条膜宽的总和。

当前41页，总共66页。操作步骤6、染色和漂洗电泳完毕后，关闭电源，将膜取出，直接浸于染色液中5min。取出膜，尽量沥净染色液，移入漂洗液中浸洗脱色（一般更换2~3次），至背景颜色脱净为止。取出膜，用滤纸吸干即可。当前42页，总共66页。操作步骤血浆蛋白醋酸纤维素薄膜电泳图谱－＋电泳方向Aα1βγα2纤维蛋白原当前43页，总共66页。操作步骤7、透明薄膜完全干燥后，浸入透明液中20min后，取出平贴在玻璃板上（不要留有气泡），完全干燥后即成透明的薄膜图谱，要作扫描或照相用。可长期保存。当前44页，总共66页。操作步骤8、定量（略）①洗脱比色法②光密度计扫描法当前45页，总共66页。血清蛋白电泳光密度扫描当前46页，总共66页。（五）应用醋酸纤维素薄膜电泳已广泛用于各种生物分子的分离分析中，如血红蛋白、血清蛋白、脂蛋白、糖蛋白、甲胎蛋白、同工酶及类固醇等的分离和测定。当前47页，总共66页。正常人血清蛋白醋酸纤维素薄膜电泳示意图

当前48页，总共66页。二、琼脂糖凝胶电泳琼脂糖凝胶电泳（agarosegelelectrophoresis,AGE）是以琼脂糖凝胶作为支持物的一种区带电泳技术。琼脂糖凝胶电泳的吸附作用和电渗作用均较小，分辨率和重现性较好，电泳图谱清晰，电泳速度快，区带易染色、洗脱和定量，常用于生物大分子如：血浆脂蛋白、免疫球蛋白、同工酶和DNA酶切片段的分离。当前49页，总共66页。三、聚丙烯酰胺凝胶电泳聚丙烯酰胺凝胶电泳（polyacrylamidegelelectrophoresis,PAGE）是以聚丙烯酰胺凝胶作为支持物的一种区带电泳技术。这种凝胶电泳的主要特点是凝胶具有电泳和分子筛的双重作用，大大提高了分辨能力。聚丙烯酰胺凝胶电泳能精细分离各种蛋白质，还可测定蛋白质和核酸的分子量，进行核酸的序列分析等，特别在基因变异或同工酶的研究中应用广泛。当前50页，总共66页。当前51页，总共66页。（一）聚丙烯酰胺凝胶电泳的优点1．具有分子筛作用，分离效果好。2．设备简单，样品用量少（1～100微克），不易扩散，分辨率高。3．不带电荷，几乎没有电渗作用。4．可通过控制凝胶浓度来调节凝胶的孔径，以适合不同分子量样品的分离。5．化学稳定性好，由于分子结构中富含酰胺基，聚丙烯酰胺凝胶是一种稳定的亲水胶体。6．机械强度好，有弹性，无色透明，易观察，可用检测仪直接测定。当前52页，总共66页。不足之处是聚丙烯酰胺凝胶单体对神经系统及皮肤有毒性作用，但聚合后就没有毒性了。当前53页，总共66页。（二）聚丙烯酰胺凝胶的聚合聚丙烯酰胺是由单体丙烯酰胺和交联剂甲叉双丙烯酰胺通过化学聚合或光聚合反应而形成的大分子。聚合时，丙烯酰胺（CH2＝CH－CO－NH2）的双键打开，通过加成反应形成含有酰胺基侧链的脂肪族长链，相邻的两条链通过甲叉双丙烯酰胺以亚甲基桥方式交联起来，形成具有三维结构的多聚物。当前54页，总共66页。当前55页，总共66页。过硫酸铵－四甲基乙二胺（TEMED）为化学催化系统。当在丙烯酰胺和甲叉双丙烯酰胺的溶液中加入这种催化系统后，过硫酸铵作为引发剂提供自由基，通过自由基传递，形成丙烯酰胺自由基从而引发聚合反应。四甲基乙二胺作为加速剂，可加快引发剂释放自由基的速度，具体反应为过硫酸铵在溶液中形成过硫酸自由基（SO4•–），该自由基可激活加速剂，加速剂作为电子载体提供一个未配对电子将丙烯酰胺单体转化为丙烯酰胺自由基，经反应多聚物聚合成网状结构的凝胶。聚合的速度与温度成正比，如温度过低，或体系中有氧分子及不纯物质都会延缓凝胶的聚合。为了防止溶液气泡中含有氧分子而妨碍聚合，在聚合前最好先将溶液分别抽气除氧，再混合配制。当前56页，总共66页。核黄素－TEMED为光催化系统，在光照下部分核黄素被还原成无色核黄素，在有痕量氧存在的条件下，无色核黄素再被氧化为带有自由基的核黄素，从而引发聚合反应，在此系统中，核黄素是引发剂，四甲基乙二胺是加速剂。当前57页，总共66页。（三）聚丙烯酰胺凝胶孔径和机械强度的调节聚丙烯酰胺凝胶的孔径、机械强度、弹性和透明度都与凝胶总浓度（T）和交联度（C）有关。T表示每100ml凝胶溶液中含有单体和交联剂的总克数（g/dl）。C则表示凝胶溶液中交联剂占单体和交联剂总克数的百分比。当前58页，总共66页。凝胶的孔径主要由T决定，也与C有关。T值越大，凝胶孔径越小。当T值固定不变，C值在5%时，凝胶孔径最小，大于或小于5%时凝胶的孔径都会增大。在电泳中凝胶的孔径是一个重要因素，往往会对分离效果起决定作用。常用于分离血浆蛋白的聚丙烯酰胺凝胶是标准凝胶，T为7.5g/dl，孔径大约为5nm，适用于分子量104～106的蛋白质的分离。在科研工作中，一般是先进行预实验，以选出最适的凝胶浓度。当前59页，总共66页。凝胶的机械强度、弹性和透明度主要取决于T及单体与交联剂的比值。通常T值越大，机械强度越强，其中单体与交联剂的比值尤为重要。实验表明，T<2.5g/dl，不能成胶；T<5g/dl，凝胶成胶胨状；T>15g/dl，凝胶的硬度、脆性增加，易于折断。单体与交联剂的比值小于10，交联度过大，凝胶坚硬易碎，颜色乳白不透明；单体与交联剂的比值大于100，凝胶又过软，难以成形。一般T为5～10g/dl，单体与交联剂的比值为20～40，可制得弹性较好，软硬适中，无色透明的凝胶。当前60页，总共66页。（四）不连续聚丙烯酰胺凝胶电泳不连续聚丙烯酰胺凝胶圆盘电泳一般在内径为0.7厘米，长10厘米的小玻璃管内，把三种性质不完全一样的聚丙烯酰胺凝胶重叠起来：样品胶在最上层，浓缩胶在中层，分离胶在最下层。其中样品胶和浓缩胶的缓冲液、pH值和孔径大小完全一样，区别是样品胶中有样品，而浓缩胶中没有样品。分离胶的孔径一般比前两种小，pH值