综述：天然产物分析中的毛细管电泳技术：进展与应用（2015–2025）

《Micron》：Capillary electrophoresis for natural product analysis: Advances and applications (2015–2025)

　　

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  本文综述了毛细管电泳在天然产物分析领域的最新进展。
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  文中探讨了提升灵敏度、优化检测性能以及改进分离效果的策略。
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  总结了毛细管电泳在复杂天然产物体系中的应用情况。
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  阐述了毛细管电泳在天然产物分析中面临的挑战及未来发展趋势。

引言

天然产物源自植物、动物和微生物，是结构多样的化合物的重要来源。这类物质的化学组成极为复杂，主要由生物碱、黄酮类、萜烯、多肽和多糖等次生代谢物构成[1]、[2]、[3]、[4]。许多天然产物在其来源生物体中参与生物防御、信号传递、适应调节以及其他生理或生态过程。由于具有抗炎、抗氧化和抗菌等多种生物活性，天然产物在药物研发、功能性食品开发以及可持续农业领域一直备受关注[5]。值得注意的是，全球范围内大量临床用药物直接或间接来源于天然产物，这进一步凸显了它们作为药品研发和可持续利用宝贵资源的意义[6]、[7]、[8]。

然而，天然产物结构的多样性与复杂性，再加上样品基质的复杂性，给分析技术带来了巨大挑战。包括薄层色谱法、高效液相色谱法、超高效液相色谱串联质谱法、气相色谱法及其质谱联用技术在内的色谱方法，在天然产物的分离、鉴定和定量分析中发挥着不可或缺的作用[9]。尤其是现代的超高效液相色谱串联质谱法和气相色谱质谱联用技术，能够为多种化合物提供出色的分离效果、较高的分析通量以及极低的检测限。不过，根据分析物的理化性质以及样品基质的复杂性，色谱方法可能仍需要大量的有机溶剂、繁琐的样品前处理流程，或是复杂的参数优化。因此，在某些特定的天然产物分析场景中，辅助性的分析策略依然十分重要。

在此背景下，毛细管电泳为天然产物研究提供了一种重要的辅助分析方法，在某些情况下甚至可替代传统色谱技术，尤其适用于那些适合通过电泳方式分离的分析物和样品基质。毛细管电泳基于带电物质在电场作用下的差异迁移原理，通常还会结合狭窄毛细管通道内的电渗流效应，从而实现高效快速的分离[10]。作为一种微尺度分离技术，在合适的分析条件下，毛细管电泳具有诸多实用优势，比如样品和试剂消耗少、分析时间短、分离效率高以及溶剂使用量低。这些特点使得毛细管电泳特别适用于分析数量有限或极为珍贵的生物样本，以及那些需要高分离选择性的离子型、高极性、手性或结构相似的天然产物成分[11]。

尽管有这些优势，毛细管电泳也存在一些亟待解决的局限性，这些因素在评估其在天然产物分析中的作用时必须予以考虑。由于基于毛细管的分析系统注样体积小且光程较短，浓度灵敏度较低始终是一个重大问题，这一限制在分析复杂天然产物提取物中的微量成分时尤为突出。此外，电渗流强度的变化、毛细管表面状态、缓冲液成分、温度以及基质效应都可能影响分析结果的重复性，进而影响迁移时间的稳定性与定量的可靠性。分子量较大或电荷特性不利的化合物可能会吸附在毛细管壁上，从而降低分离效果。另外，毛细管电泳与质谱的联用技术也面临诸多技术难题，比如界面稳定性、稳定的电喷雾电离效果、电极接触问题、鞘液稀释效应，以及背景电解质与质谱检测器之间的兼容性问题。与基于液相色谱和气相色谱的技术相比，毛细管电泳在常规分析实验室中的应用范围相对有限，部分原因在于方法转移难度较大、其稳健性相对较差，且缺乏统一的标准化操作流程。因此，毛细管电泳不应被视为可以完全取代色谱技术的通用分析方法，而应看作是一种在特定分析条件下具有独特优势的辅助微分离技术。

近年来，毛细管电泳技术的发展越来越注重解决上述局限性，同时不断拓展其在天然产物分析中的应用范围。人们通过在线预浓缩、样品堆叠、扫描模式、动态或永久性毛细管涂层、优化背景电解质、改进注样流程、开发高灵敏度检测系统以及设计更先进的毛细管电泳-质谱联用接口等方法，致力于提升分析的灵敏度、重复性、选择性以及方法的稳健性[12]、[13]、[14]、[15]、[16]、[17]。根据分析物的特性和分离需求，人们还采用了多种不同的毛细管电泳模式，包括毛细管区带电泳、胶束电动色谱、微乳电动色谱、毛细管电色谱、毛细管凝胶电泳、毛细管等电聚焦以及毛细管等速电泳等[18]。

本综述系统地总结了过去十年间基于毛细管电泳技术的天然产物分析领域的最新进展。重点探讨了提升灵敏度、优化检测性能、提高分离选择性、改进毛细管电泳与质谱的联用效果，以及拓展其在植物提取物、微生物代谢物、食品来源的天然产物和生物样本等复杂天然产物基质中的分析应用。除了介绍毛细管电泳的优势与应用潜力外，本综述还对其当前的局限性进行了深入分析，包括浓度灵敏度问题、结果重复性不足、界面设计缺陷、商业化应用进展缓慢以及方法标准化缺失等方面。通过总结近年来的技术进展与尚未解决的问题，本综述旨在为未来在精准、高效且可持续的天然产物分析领域中发展毛细管电泳技术提供有益的参考。

章节要点

用于提升灵敏度的样品预浓缩技术

由于其极高的分离效率、较低的样品和试剂消耗、较短的分析时间以及相对环保的运行特性，毛细管电泳在天然产物分析领域越来越受到重视。不过，其实际应用仍然存在一定限制

衍生化与络合辅助增强策略

提升检测灵敏度是毛细管电泳领域的一个重要目标，尤其是对于那些缺乏色团或荧光团特性的分析物而言。在现有的各类方法中，化学衍生化和络合辅助信号增强是两种可用于提升毛细管电泳分析灵敏度的代表性策略。

衍生化是毛细管电泳中一种广泛应用的提升检测灵敏度的方法，尤其适用于某些特定类型的分析物

提升毛细管电泳分离性能的方法

在毛细管电泳中，分析物的分离性能不仅取决于其自身的电泳迁移能力，还与迁移过程所处的物理化学环境密切相关[89]。在天然产物分析中，由于目标化合物结构相似、样品基质成分复杂，加之分析物可能与毛细管内壁发生不良相互作用，往往难以实现高效分离。因此，近年来人们提出了多种改善毛细管电泳分离效果的策略

毛细管电泳在天然产物手性分离中的应用

在第四节所讨论的各种分离性能提升策略的基础上，毛细管电泳被越来越多地应用于天然产物及其植物源基质中手性物质和异构体的分析。与上一节侧重于通用分离性能提升方法不同，本节重点介绍毛细管电泳在区分对映体、立体异构体以及结构相似的异构体方面的典型应用。由于毛细管电泳具有极高的分离效率且操作条件较为温和

结论与未来展望

过去十年间，毛细管电泳已从一种高效的分离技术发展成为用于天然产物研究的多功能分析平台。界面设计的改进、新型功能材料的应用、微萃取技术的引入以及各种联用技术的开发，显著提升了分析的灵敏度、选择性和分析通量，使得人们能够分析越来越复杂的天然产物基质。尤其是离子液体的引入，进一步增强了毛细管电泳的分析性能

CRediT作者贡献说明

刘文平：论文撰写——初稿撰写。黄丽萍：论文撰写——初稿撰写。陈淑金：论文撰写——初稿撰写。陈苏军：论文撰写——初稿撰写。李进：论文撰写——初稿撰写。杜坤泽：论文撰写——初稿撰写。姚雅琪：论文撰写——初稿撰写。常彦旭：论文撰写——初稿撰写。

利益冲突声明

作者声明不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益关系或个人关联关系。

致谢

本研究得到了“现代中药新型生产力技术创新专项”（项目编号：24ZXZKSY00010）以及“福建省科技计划项目”（项目编号：2024R1009001）的支持。

刘文平|黄丽萍|陈淑金|陈苏军|李进|杜坤泽|姚雅琪|常彦旭