流动门控毛细管电泳中电动超增压的成像与模拟研究：机制解析与草甘膦残留检测应用

《ANALYTICAL AND BIOANALYTICAL CHEMISTRY》：Imaging and simulation study of electrokinetic supercharging in flow-gated capillary electrophoresis

本研究针对电动超增压(EKS)过程中离子行为机制不明确的问题，通过结合荧光成像、计算机模拟和电泳谱图分析，系统研究了流动门控毛细管电泳(CE)系统中FASI-EKS技术的两种操作模式（同步与顺序）。研究发现顺序EKS模式虽灵敏度略低但具有更好的重现性，成功应用于谷物样品中草甘膦(GlyP)及其代谢物AMPA的痕量检测，为复杂基质中农药残留分析提供了可靠方法。

　　

在分析化学领域，提高检测灵敏度始终是研究者们不懈追求的目标。对于毛细管电泳(CE)这种高效分离技术而言，其进样量少的固有特点限制了检测灵敏度，特别是在环境监测和食品安全检测等需要测定痕量成分的领域。电动超增压(EKS)作为一种高效的样品预浓缩技术，通过结合场放大样品进样(FASI)和瞬时等速电泳(tITP)，已证明可实现百万倍的浓度增强。然而，尽管已有广泛研究，人们对EKS过程中相关离子的详细行为仍了解不足。

发表在《ANALYTICAL AND BIOANALYTICAL CHEMISTRY》上的这项研究，旨在通过荧光成像、计算机模拟和电泳谱图比较分析的组合，阐明流动门控CE系统上EKS的基本机制。研究人员评估了两种不同的操作模式以突出程序差异：同步EKS和顺序EKS。在同步模式中，瞬时等速电泳(tITP)与场放大样品进样(FASI)同时进行。而在顺序模式中，先进行FASI以注入并预浓缩分析物以及样品中存在的先导电解质(LE)阴离子，然后预浓缩的LE区带在随后的tITP阶段充当LE。尽管顺序EKS通常比同步方法产生的信号增强较低，但它提供了改进的操作控制性和重现性。

研究采用了多项关键技术方法：利用实验室自建的流动门控CE系统进行分离与检测，通过荧光显微成像技术直观观察阴离子分析物在FASI-EKS过程中的迁移行为，并采用Simul 6计算机模拟程序对相关离子的动力学进行建模。此外，研究还通过荧光衍生化结合顺序EKS方法，对实际谷物样品（如玉米片、燕麦片）中的草甘膦(GlyP)及其主要降解产物氨基甲基膦酸(AMPA)残留进行了检测验证。

同步EKS

研究人员首先考察了同步EKS模式。在此模式下，背景电解质(BGE)中含有高迁移率阴离子（如CO₃^2-）作为LE，而样品中包含低迁移率阴离子（如HEPES^-）作为TE。荧光成像显示，在电压极性反转后，带负电的荧光染料阴离子被电泳注入并在缓冲液边界处通过FASI浓缩。然而，由于电渗流(EOF)的作用，浓缩的染料区带会向毛细管入口方向移动并不断展宽。模拟结果揭示了相关离子（如Na⁺、CO₃^2-、HEPES^-和乙酸根A^-）的浓度分布，显示阴离子在LE和TE边界处快速浓缩。研究还发现，样品pH值升高时，OH^-的侵入会削弱碳酸根离子作为LE的功能。

顺序EKS

在顺序EKS设置中，BGE含有低电泳迁移率的阴离子（如硼酸根），而样品溶液包含高迁移率的阴离子（如碳酸根）。荧光成像清晰展示了FASI步骤如何电泳注入并浓缩阴离子5-FAM，在电导率边界形成明亮的染料区带。计算机模拟结果表明，在FASI结束时，碳酸根和分析物阴离子同时在缓冲液边界处浓缩。随后在正常极性电压下进行tITP时，碳酸根阴离子开始作为LE，而硼酸根阴离子作为TE，使得分析物A^-被聚焦成一个尖锐的峰。

为了评估不同条件下的浓缩效率，研究人员使用包含Na₂CO₃、NaHCO₃、硼酸盐和HEPES的一系列BGE，以及含有不同阴离子的样品溶液进行了测试。电泳图谱表明，对于基于顺序EKS的有效FASI-tITP聚焦，样品中阴离子的电泳迁移率应大于分析物阴离子和BGE阴离子的迁移率。

使用顺序EKS检测谷物样品中的除草剂残留

鉴于其更高的稳健性，顺序EKS方法被用于测定谷物样品中的除草剂残留。研究人员优化了BGE条件，采用20 mM四硼酸盐pH 10.0作为分离缓冲液，1.0 mM碳酸盐pH 10.3作为样品缓冲液。方法验证显示出良好的线性、重现性和检出限。在优化条件下，与5.0 kV × 0.5 s的正常进样相比，GlyP、AMPA和GluF（作为内标）的检测灵敏度分别提高了947、591和718倍，日内或日间重现性低于4.0%。

该分析方法最终应用于测定五种商业谷物和一种燕麦片样品中的GlyP和AMPA残留。结果表明，玉米类谷物中含有少量GlyP和AMPA，表明即使在食品加工后仍有痕量残留。相比之下，小麦类谷物中未检测到这两种化合物。燕麦片中的残留水平略高于玉米类谷物，这可能与燕麦片通常仅经过轻度加工有关。

本研究通过模型分析物在不同LE/TE组合下的电泳谱图、荧光成像和计算机模拟，深入探究了FASI-EKS的工作原理。这些互补方法旨在提供对FASI-EKS过程的全方位理解，从而促进其实际应用。同步EKS在保持稳定边界时显示出显著的分析物预浓缩能力，但重现性存在挑战，因为跨批次运行始终将边界定位在同一位置很困难。相反，顺序EKS虽然提供的浓缩增强低于同步模式，但对实验条件提供了更好的控制，因此产生了更可重现的峰，提高了定量分析的准确度和精密度。基于这些优点，顺序EKS被成功应用于流动门控CE系统检测谷物样品中的GlyP和AMPA残留，结果验证了该方法在实际应用中的可行性，为复杂基质中痕量污染物分析提供了有力工具。