电泳 用途与合成方法
电泳 ( Electrophoresis )，在电场力作用下，带电粒子在流体中移动的现象。应用这一现象分离、鉴定或制备氨基酸、蛋白质、核酸、无机离子、病毒颗粒以及活细胞的方法，称电泳技术。电泳技术广泛应用于生物化学工业、临床医学检验、分子生物学、农业育种和作物、畜禽代谢研究。
1807年俄国物理学家鲁斯(F.F.Reuss) 观察到电泳现象。1897年柯赫劳什(F.Kochlausch)推导出了电场中离子移动的理论公式。早期研究人员用阳离子电泳表示带电胶体粒子的移动。用离子电泳表示小分子在电场中的移动。1909年米切利斯(L. Michae-lis)第一次使用英文表示电泳（Electrophoresis）。1937年蒂塞利乌斯(A.Tiselius)建立了移动界面电泳，成功地将血清蛋白质分成5个主要成分，他获得了1948年诺贝尔化学奖。20世纪50年代以后，纸上电泳和聚丙烯酰胺凝胶电泳在生物学研究中普遍使用。电泳技术和免疫技术结合建立起来的免疫电泳大大推进了免疫学的发展。等电点聚焦技术使电泳分辨率大幅度提高。70年代建立了双向电泳技术，使分子生物学研究进入单个亚基的水平。80年代发明了交变脉冲电场梯度凝胶电泳技术，使真核细胞的染色体DNA分子更好地分离。
图：电泳仪
溶液中的粒子由于本身的电离或吸附液体中的某种离子，或粒子表面吸附的液体分子产生电离，从而成为带电粒子。不同物质由于带电性质不同，在电场中移动的方向和速度也不同，常用电泳迁移率(又称泳动度)，表示不同性状的带电粒子在同一电场中的泳动速度。电泳迁移率是指带电粒子在单位电场强度下的泳动速度。迁移率的大小由粒子的净电荷、大小和形状，以及粒子泳动时受到的液体阻力，粒子水化程度和解离趋势所决定。
粒子泳动速度除受本身性质影响外，还受其它外界因素影响。主要有：①电场强度越高，带电粒子泳动越快；②溶液pH值距粒子等电点pH值越远，粒子所带净电荷越多，泳动速度也越快；③溶液的离子强度越高，粒子泳动速度越慢，电泳产热多，电泳系统升温快； ④温度升高使迁移率和自由扩散增加，介质粘度降低，甚至使生物活性样品变性。此外，溶液的介电性质和化学性质、粘度和极性分子的多少，以及支持物的吸附作用和不均一性、离子交换能力、电渗现象、虹吸作用、蒸发作用等都会影响电泳过程。
按分离原理可分为区带电泳、移界电泳、等速电泳和等电点聚焦电泳4个类型。按有无支持物可分为无支持物的自由电泳，如显微电泳、移界电泳、等速电泳、自由流动幕电泳等; 有支持物电泳，如纸上电泳、醋酸纤维膜电泳、淀粉凝胶电泳、聚丙烯酰胺凝胶电泳、琼脂凝胶电泳、琼脂糖凝胶电泳、双向电泳；以及与免疫学技术结合的免疫电泳和近期发展起来的交变脉冲电泳等。
区带电泳(ZEP) 不同性质的粒子在含有均一缓冲液系统的支持物中，按不同的迁移率分离成独立的带状区间的电泳技术。常用不同的支持物减少扩散或兼备分子筛作用，进一步提高分离效果。这是应用最广的电泳技术。
移界电泳(MBEP) 胶体粒子依各自的泳动速度移动，在胶体溶液与溶剂间形成界面的电泳，又称为自由界面电泳或移(动)界(面)电泳。由于蒂塞利乌斯对电泳装置的改进，利用胶体溶液与缓冲液之间折光率的差别，解决了无色胶体界面观察的困难，使之成为高分子研究的有力工具。但由于移界电泳装置复杂、操作麻烦，样品只能部分分离，除了作胶体纯度鉴定和电泳速度测定外，并未普遍采用。
等速电泳(ITP) 具有同种电荷的多种离子，在电场中按迁移率大小顺序排列成带，并以相同速度泳动的电泳技术。在具有最大迁移率的快离子和最小迁移率的慢离子之间，各个不同迁移率的离子带受一定电压的制约，使各区带同步前进，抵销了扩散作用，浓缩了样品，获得较高的分辨率。
等电点聚焦电泳(IFEP) 利用不同等电点的载体两性电解质在电场中自动排列成pH梯度，被分离粒子各自移向并聚集在与其等电点相同的pH位置上的电泳方法。其特点是有很高的分辨率，能将等电点相差0.01 pH值的样品分开。80年代初发展的固相pH梯度技术，更进一步提高了等电点聚焦的分离效果。
双向电泳 在第一次电泳结果的垂直方向进行第二次电泳的技术。第一向电泳可以是普通区带电泳或等电点聚焦电泳。第二向电泳可以采用与第一次电泳有所区别的电泳条件，使用较多的是十二烷基硫酸钠(SDS)系统的不连续pH聚丙烯酰胺凝胶电泳。该方法的第一向结果为等电点聚焦条带，在每一条带中含等电点相同的多种粒子。第二向电泳使在同一条等电聚焦带中的粒子按分子量大小，在二维平面上分布为若干个单独的蛋白质或亚基点图谱。双向电泳是分子生物学研究基因表达的重要工具。由于其图谱复杂，可以采用行列扫描技术解读。
交变脉冲电场梯度凝胶电泳 交替采用两个垂直方向的不均匀电场，使DNA分子在凝胶中不断改变泳动方向，并依DNA分子粘弹性迟滞时间，将不同大小的大分子分开的电泳技术。此方法适用于分离分子量大于107道尔顿的DNA分子，如真核细胞的染色体DNA分子。
免疫电泳 将试样先在琼脂凝胶板上电泳，初步分开抗原的组分。然后在点样孔一侧或两侧开槽，加入抗血清，进行双向扩散。电泳迁移率相近，经电泳不能分开的抗原物质，按扩散系数不同与相应抗体形成不同的沉淀带，从而进一步提高了抗原组分的分离效果。一般可根据沉淀弧的位置、形状、对称性、浓度和宽度等进行初步鉴定。
对流免疫电泳 将抗原置于负极，抗体置于正极，在碱性琼脂凝胶上的电泳。抗原抗体相向泳动形成沉淀带。此电泳方法比双向免疫扩散法敏感，并且缩短了沉淀带出现的时间。对流免疫电泳与酶标记技术结合，则称为酶标对流电泳。
火箭免疫电泳 将辐射免疫扩散与电泳结合的实验技术。将一定量的已知抗血清和融化的琼脂浇成含抗体的琼脂凝胶板。在负极端滴加待测抗原和已知抗原，进行电泳。由于抗体分子大，相对移动较慢，抗原起步量大大超过起始点抗体量。电泳时在电场力作用下，抗原向正极迁移，抗原与抗体结合。未结合抗原继续向前延伸，其量逐步减少，抗原-抗体结合沉淀带越来越窄，直至抗原消耗尽。在凝胶板上形成锥形沉淀峰，形似火箭。在抗体浓度一定时，峰高与抗原浓度成正比。此法主要用于测定抗原的量。
抗原抗体交叉电泳 又称免疫双向电泳。先将抗原在凝胶中电泳，然后切去一侧凝胶，换上含相应抗血清的琼脂，旋转90°，再次电泳。经第一次电泳分散的抗原，在含抗体的凝胶中再一次电泳，形成高低不等的沉淀峰。峰的位置由抗原迁移率而定，沉淀峰的高度与抗原的浓度成正比。 由电源、电泳槽和控温湿的附属设备组成。电源为具有稳压或稳流性能的大功率整流装置。电压可达5 000 V，电流可达400 mA。电泳槽形式多样，有管式、卧式、垂直式等。在电泳槽两端为缓冲液贮槽，内有铂丝电极与电源相连。
电泳技术设备简单，操作方便，有很高的分辨率和较好的重现性。电泳的结果可利用染料染色、紫外吸收、放射自显影、酶的生物活性、激光扫描等方法显示或测定。 电泳技术在生物学各个理论和应用分支中得到广泛应用，在临床医学上，电泳技术最先显示白蛋白及多种球蛋白的粒子里含数种组分，并应用于肝硬化、黄疸、骨髓癌等的诊断；农业上经常使用同功酶技术，将作物种子或动植物组织中的蛋白质电泳，然后采用酶显色技术进行酶谱分析，比较品种差异和代谢特征。育种过程中核酸的纯化、分析经常用到琼脂糖凝胶电泳；分子生物学研究离不开电泳技术。生物大分子纯化及其分子量测定，基因表达产物的研究，质粒、基因重组子检测等都需要电泳技术。英国的桑格 (F.Sanger)和美国的吉尔伯特(W.Gilbert)应用电泳技术建立DNA快速序列分析方法和美国的伯格 (P.Berg)分享1980年诺贝尔化学奖。近年来，在美国哥伦比亚航天飞机的试验舱中用电泳技术分离、纯化生物活性物质，首次在失重条件下进行了电泳技术的研究。 [1] 中国农业百科全书总编辑委员会生物学卷编辑委员会,中国农业百科全书编辑部 编.中国农业百科.电泳.
[2] 中国农业百科全书总编辑委员会土壤卷编辑委员会,中国农业百科全书编辑部 编.中国农中国农业百科.
图：电泳仪
溶液中的粒子由于本身的电离或吸附液体中的某种离子，或粒子表面吸附的液体分子产生电离，从而成为带电粒子。不同物质由于带电性质不同，在电场中移动的方向和速度也不同，常用电泳迁移率(又称泳动度)，表示不同性状的带电粒子在同一电场中的泳动速度。电泳迁移率是指带电粒子在单位电场强度下的泳动速度。迁移率的大小由粒子的净电荷、大小和形状，以及粒子泳动时受到的液体阻力，粒子水化程度和解离趋势所决定。
粒子泳动速度除受本身性质影响外，还受其它外界因素影响。主要有：①电场强度越高，带电粒子泳动越快；②溶液pH值距粒子等电点pH值越远，粒子所带净电荷越多，泳动速度也越快；③溶液的离子强度越高，粒子泳动速度越慢，电泳产热多，电泳系统升温快； ④温度升高使迁移率和自由扩散增加，介质粘度降低，甚至使生物活性样品变性。此外，溶液的介电性质和化学性质、粘度和极性分子的多少，以及支持物的吸附作用和不均一性、离子交换能力、电渗现象、虹吸作用、蒸发作用等都会影响电泳过程。
按分离原理可分为区带电泳、移界电泳、等速电泳和等电点聚焦电泳4个类型。按有无支持物可分为无支持物的自由电泳，如显微电泳、移界电泳、等速电泳、自由流动幕电泳等; 有支持物电泳，如纸上电泳、醋酸纤维膜电泳、淀粉凝胶电泳、聚丙烯酰胺凝胶电泳、琼脂凝胶电泳、琼脂糖凝胶电泳、双向电泳；以及与免疫学技术结合的免疫电泳和近期发展起来的交变脉冲电泳等。区带电泳(ZEP) 不同性质的粒子在含有均一缓冲液系统的支持物中，按不同的迁移率分离成独立的带状区间的电泳技术。常用不同的支持物减少扩散或兼备分子筛作用，进一步提高分离效果。这是应用最广的电泳技术。
移界电泳(MBEP) 胶体粒子依各自的泳动速度移动，在胶体溶液与溶剂间形成界面的电泳，又称为自由界面电泳或移(动)界(面)电泳。由于蒂塞利乌斯对电泳装置的改进，利用胶体溶液与缓冲液之间折光率的差别，解决了无色胶体界面观察的困难，使之成为高分子研究的有力工具。但由于移界电泳装置复杂、操作麻烦，样品只能部分分离，除了作胶体纯度鉴定和电泳速度测定外，并未普遍采用。
等速电泳(ITP) 具有同种电荷的多种离子，在电场中按迁移率大小顺序排列成带，并以相同速度泳动的电泳技术。在具有最大迁移率的快离子和最小迁移率的慢离子之间，各个不同迁移率的离子带受一定电压的制约，使各区带同步前进，抵销了扩散作用，浓缩了样品，获得较高的分辨率。
等电点聚焦电泳(IFEP) 利用不同等电点的载体两性电解质在电场中自动排列成pH梯度，被分离粒子各自移向并聚集在与其等电点相同的pH位置上的电泳方法。其特点是有很高的分辨率，能将等电点相差0.01 pH值的样品分开。80年代初发展的固相pH梯度技术，更进一步提高了等电点聚焦的分离效果。
双向电泳 在第一次电泳结果的垂直方向进行第二次电泳的技术。第一向电泳可以是普通区带电泳或等电点聚焦电泳。第二向电泳可以采用与第一次电泳有所区别的电泳条件，使用较多的是十二烷基硫酸钠(SDS)系统的不连续pH聚丙烯酰胺凝胶电泳。该方法的第一向结果为等电点聚焦条带，在每一条带中含等电点相同的多种粒子。第二向电泳使在同一条等电聚焦带中的粒子按分子量大小，在二维平面上分布为若干个单独的蛋白质或亚基点图谱。双向电泳是分子生物学研究基因表达的重要工具。由于其图谱复杂，可以采用行列扫描技术解读。
交变脉冲电场梯度凝胶电泳 交替采用两个垂直方向的不均匀电场，使DNA分子在凝胶中不断改变泳动方向，并依DNA分子粘弹性迟滞时间，将不同大小的大分子分开的电泳技术。此方法适用于分离分子量大于107道尔顿的DNA分子，如真核细胞的染色体DNA分子。
免疫电泳 将试样先在琼脂凝胶板上电泳，初步分开抗原的组分。然后在点样孔一侧或两侧开槽，加入抗血清，进行双向扩散。电泳迁移率相近，经电泳不能分开的抗原物质，按扩散系数不同与相应抗体形成不同的沉淀带，从而进一步提高了抗原组分的分离效果。一般可根据沉淀弧的位置、形状、对称性、浓度和宽度等进行初步鉴定。
对流免疫电泳 将抗原置于负极，抗体置于正极，在碱性琼脂凝胶上的电泳。抗原抗体相向泳动形成沉淀带。此电泳方法比双向免疫扩散法敏感，并且缩短了沉淀带出现的时间。对流免疫电泳与酶标记技术结合，则称为酶标对流电泳。
火箭免疫电泳 将辐射免疫扩散与电泳结合的实验技术。将一定量的已知抗血清和融化的琼脂浇成含抗体的琼脂凝胶板。在负极端滴加待测抗原和已知抗原，进行电泳。由于抗体分子大，相对移动较慢，抗原起步量大大超过起始点抗体量。电泳时在电场力作用下，抗原向正极迁移，抗原与抗体结合。未结合抗原继续向前延伸，其量逐步减少，抗原-抗体结合沉淀带越来越窄，直至抗原消耗尽。在凝胶板上形成锥形沉淀峰，形似火箭。在抗体浓度一定时，峰高与抗原浓度成正比。此法主要用于测定抗原的量。
抗原抗体交叉电泳 又称免疫双向电泳。先将抗原在凝胶中电泳，然后切去一侧凝胶，换上含相应抗血清的琼脂，旋转90°，再次电泳。经第一次电泳分散的抗原，在含抗体的凝胶中再一次电泳，形成高低不等的沉淀峰。峰的位置由抗原迁移率而定，沉淀峰的高度与抗原的浓度成正比。 由电源、电泳槽和控温湿的附属设备组成。电源为具有稳压或稳流性能的大功率整流装置。电压可达5 000 V，电流可达400 mA。电泳槽形式多样，有管式、卧式、垂直式等。在电泳槽两端为缓冲液贮槽，内有铂丝电极与电源相连。
电泳技术设备简单，操作方便，有很高的分辨率和较好的重现性。电泳的结果可利用染料染色、紫外吸收、放射自显影、酶的生物活性、激光扫描等方法显示或测定。 电泳技术在生物学各个理论和应用分支中得到广泛应用，在临床医学上，电泳技术最先显示白蛋白及多种球蛋白的粒子里含数种组分，并应用于肝硬化、黄疸、骨髓癌等的诊断；农业上经常使用同功酶技术，将作物种子或动植物组织中的蛋白质电泳，然后采用酶显色技术进行酶谱分析，比较品种差异和代谢特征。育种过程中核酸的纯化、分析经常用到琼脂糖凝胶电泳；分子生物学研究离不开电泳技术。生物大分子纯化及其分子量测定，基因表达产物的研究，质粒、基因重组子检测等都需要电泳技术。英国的桑格 (F.Sanger)和美国的吉尔伯特(W.Gilbert)应用电泳技术建立DNA快速序列分析方法和美国的伯格 (P.Berg)分享1980年诺贝尔化学奖。近年来，在美国哥伦比亚航天飞机的试验舱中用电泳技术分离、纯化生物活性物质，首次在失重条件下进行了电泳技术的研究。 [1] 中国农业百科全书总编辑委员会生物学卷编辑委员会,中国农业百科全书编辑部 编.中国农业百科.电泳.
[2] 中国农业百科全书总编辑委员会土壤卷编辑委员会,中国农业百科全书编辑部 编.中国农中国农业百科.
