キャピラリー電気泳動の原理と分離モードを徹底解説

キャピラリー電気泳動の原理と仕組みを基礎から理解する

キャピラリー電気泳動の分析は、専門の研究者でなくても現場の判断材料になります。

キャピラリー電気泳動の原理：電気泳動と電気浸透流の2つの力

キャピラリー電気泳動（Capillary Electrophoresis、略称CE）は、内径20〜100μmという非常に細いフューズドシリカ製のキャピラリー管の中に電解質緩衝液を満たし、その両端に高電圧（最大±30kV）を印加することで、試料中の各成分を電気的な性質の差によって分離する分析手法です。

「電気泳動」とは、溶液中のイオンに電場（電位差）を与えたとき、各イオンがクーロン力によってそれぞれの電荷の符号と逆の電極側に向かって移動する現象を指します。陽イオン（プラスの電荷を持つ物質）は陰極側へ、陰イオン（マイナスの電荷を持つ物質）は陽極側へそれぞれ引き寄せられます。

泳動速度 Vep は、以下の3要素によって決まります。

要素	内容	速度への影響
電荷（q）	物質が帯びる電気の強さ	電荷が強いほど速い
分子半径（r）	物質のサイズ	半径が小さいほど速い
溶液の粘度（η）	緩衝液の粘り気	粘度が高いほど遅い

つまり、同じ電荷でも分子サイズが異なれば速度が変わる、ということですね。この速度差が分離の根拠になります。

ここで重要なのが、キャピラリー電気泳動ならではの「電気浸透流（Electroosmotic Flow、EOF）」です。フューズドシリカ製キャピラリーの内壁には「シラノール基（-SiOH）」が無数に存在しています。中性〜塩基性の条件下ではシラノール基がプロトン（H⁺）を解離して-SiO⁻となり、内壁に負電荷が生まれます。その結果、内壁近傍には正電荷を帯びた陽イオンが引き寄せられて「電気二重層」が形成されます。

この状態で電圧を印加すると、電気二重層の陽イオンが水分子を引き連れながら陰極側へ一斉に移動します。これが電気浸透流です。

電気浸透流が画期的なのは、その速さにあります。試料イオンの電気泳動速度より約1桁（10倍）速いことが多く、陰イオンのように本来は陽極側へ向かうはずの物質であっても、電気浸透流の力で陰極方向に引きずられてしまいます。結果として、1回の分析で「陽イオン→中性分子→陰イオン」の順に検出されます。

つまり電気泳動とEOFの2力が組み合わさることで、高い分離能が実現されます。

参考として、以下のリンクは日本分析化学会による公式入門資料です。キャピラリー電気泳動装置の基礎的な原理から実例まで体系的にまとめられています。

日本分析化学会「キャピラリー電気泳動装置」入門PDF（日本分析化学会 公式）

キャピラリー電気泳動の原理を支える装置構成：5つの主要パーツ

キャピラリー電気泳動装置がどのように機能しているか、装置構成から理解すると原理の把握がより深まります。装置の核となるパーツは全部で5つです。

まず最も重要な「①キャピラリー」は、内径が人の髪の毛（約60〜80μm）とほぼ同じか、それよりも細い程度の超細管です。フューズドシリカ（溶融シリカ）製が主流で、単体では非常に脆くて折れやすいため、外表面をポリイミド樹脂でコーティングした状態で市販されています。このコーティングのおかげで取り扱いが容易になっています。

「②泳動液（緩衝液）」は、電気泳動中にpHが変動しないよう緩衝能を持つ溶液が選ばれます。電気分解によってpHが変化すると分離パターンが乱れるため、緩衝液の選定は結果の再現性に直結します。分離目的に応じて、界面活性剤や有機溶媒が添加されることもあります。

「③リザーバー（バイアル）」は試料溶液と泳動液を入れる容器です。この小さな容器を通じて試料の導入と電圧印加が行われます。試料を導入する方法には「落差法（キャピラリーの一端を試料液面より高く持ち上げてサイフォン効果で導入）」「加圧法」「電気的導入法」などがあり、いずれも数nL（ナノリットル）という極微量を精密に導入します。数nLとはどれくらいの量か。大きなプールに例えると、東京ドームの水容量の約100億分の1程度というレベルです。

「④高圧電源と電極」では、数十cmの長さのキャピラリー全体に均一な電場を形成するため、30kV近い高圧電源が必要となります。電極材料には耐食性に優れた白金が用いられます。

「⑤検出器」としては、紫外・可視光吸収分析（UV-Vis）がもっとも一般的です。多くの試料が特定波長の光を吸収しない場合は、蛍光マーカーを泳動液に溶かして試料が通過した際だけシグナルが低下する「間接UV法」が利用されます。また近年は質量分析（MS）と組み合わせた「CE-MS」も普及しており、微量成分のより高精度な同定が可能になっています。

これら5つのパーツが連携することで、分析が実現します。

キャピラリー電気泳動の原理から派生する分離モード：CZE・MEKC・CGEの違い

キャピラリー電気泳動はひとつの原理を土台として、分析対象に応じた複数の「分離モード」が開発されています。これを理解すると、どんな試料にどのモードを選べばよいかが見えてきます。

CZE（キャピラリーゾーン電気泳動） は最もシンプルで標準的なモードです。支持体を一切使わず、緩衝液を満たしたキャピラリー内でイオンの電荷とサイズの差だけで分離します。無機イオン（Na⁺、Cl⁻、SO₄²⁻など）や有機イオン（有機酸、アミン類）の分析に適しています。建築・土木の現場では、排水や廃液中の無機イオン成分を把握する際にこのモードが活躍します。

MEKC（ミセル動電クロマトグラフィー） は1984年に日本の寺部一弥らが開発したモードです。緩衝液にSDS（ドデシル硫酸ナトリウム）などのイオン性界面活性剤を臨界ミセル濃度（CMC）以上に加えると、界面活性剤分子が球状のミセルを自発的に形成します。ミセルの内側は疎水性、外側は陰イオン性という構造になり、疎水性の中性分子がミセルに取り込まれて分離が可能になります。中性分子はCZEでは原理的に分離できないため、MEKCは大きな革新でした。

CGE（キャピラリーゲル電気泳動） はキャピラリー内にポリアクリルアミドゲルやポリマー溶液を充填し、分子の大きさだけによる「ふるい分け」を行うモードです。DNAシーケンシング（塩基配列決定）やタンパク質のサイズ分析に使われています。ヒトゲノム解読プロジェクトでもこのモードが活用されました。

cIEF（キャピラリー等電点電気泳動） はキャピラリー内にpH勾配を作り出し、タンパク質をその等電点（電荷がゼロになるpH）に相当する位置に集めて分離するモードです。医薬品（特にバイオ医薬品）の品質管理に重要な位置を占めています。

この4つのモードを適切に使い分けることが基本です。

大塚電子「キャピラリー電気泳動における分離方式」MEKCの仕組みをわかりやすく解説

キャピラリー電気泳動の原理がHPLCより優れる理由：栓流と分離能の関係

「HPLCがあれば十分では？」と思う方も多いでしょう。しかし実際の分離能で比較すると、キャピラリー電気泳動が有利な場面が明確に存在します。

HPLCは管内に圧力をかけて液体を流す「圧力流（層流）」を用います。圧力流では管の中心ほど流れが速く、壁付近ほど遅い「放物線型（パラボラ型）」の流速分布が生まれます。この速度のばらつきが、ピーク幅の広がり（バンド広がり）を引き起こし、似た性質を持つ物質の分離が難しくなる原因になります。

一方、キャピラリー電気泳動の電気浸透流は「栓流（プラグフロー）」と呼ばれます。管の中心も壁付近もほぼ同じ速度で流れるため、流速分布がほぼ均一です。液体のかたまりが一枚の板のように動くイメージです。これによってバンド広がりが抑えられ、鋭いピークが得られます。

分離能の指標である「理論段数」で比較すると、キャピラリー電気泳動はHPLCの数倍〜十数倍に達することもあります。さらに経済的な側面でも差があります。HPLCでは高価なカラムや大量の有機溶媒が必要ですが、キャピラリー電気泳動では消費する緩衝液が数十mL程度で済み、ランニングコストを大幅に抑えられます。

また分析時間においても、イオンクロマトグラフィー（IC）との比較で約1/3に短縮できるという実績があります。月に100件の分析を行う現場であれば、年間で数百時間単位の工数削減につながる可能性があります。これは使えそうです。

ただし弱点もあります。疎水性の高い試料（油分を多く含む試料など）はキャピラリー内に溶け込みにくく分析精度が低下しやすい点、分析後に成分を取り出す「分取」作業がHPLCより困難な点には注意が必要です。

大阪産業技術研究所「イオンクロマトグラフィーとキャピラリー電気泳動の比較」2つの手法の使い分けを詳細比較

キャピラリー電気泳動の原理を活かした現場応用：建築・環境分野での実例

キャピラリー電気泳動は、建築・土木の現場でも実際に活用されている分析手法です。この手法が特に力を発揮するのは「夾雑物（余計な成分）が多い複雑な試料」の分析です。

代表的な応用例として、めっき液の成分分析があります。金属表面処理や防食処理に使われるめっき液は、複数の無機イオン・有機酸・金属イオンが混在している複雑な液体です。従来の方法では成分ごとに別々の手順が必要でしたが、キャピラリー電気泳動を使えば塩化物イオン・硫酸イオン・スルファミン酸・ニッケルイオンなどを1回の注入で一斉に分析できます。建設現場の外装処理や設備工事で使用する表面処理液の品質確認に応用が広がっています。

排水・廃液の無機イオン分析も重要な用途です。工事現場や工場からの排水には、法的基準値が設けられた無機イオン（硝酸イオン・塩化物イオン・リン酸イオンなど）が含まれる場合があります。前処理がほぼ「希釈のみ」で済むキャピラリー電気泳動なら、現場から採取した試料を素早く分析して法的基準への適合確認ができます。

さらに注目すべき用途はコンクリート劣化診断への応用です。塩化物イオンの浸透はコンクリート内部の鉄筋腐食を招く主要因です。コンクリート中の塩化物イオン濃度をキャピラリー電気泳動で測定することで、建物の耐久性評価や補修判断の精度が高まります。

日本製鉄グループの日鉄テクノロジー株式会社もキャピラリー電気泳動法（CE法）を採用しており、有機酸・糖類・アルキルアミン類・リン酸の形態別分析など幅広い用途に対応しています。定量下限は約10mg/Lで、微量成分の検出にも対応できます。

以下のリンクは、キャピラリー電気泳動を使った環境水の無機イオン分析の実例をまとめた技術資料です。

大塚電子「キャピラリー電気泳動による環境水試料の無機イオン分析」実際の分析手順と結果データを解説