区带电泳可以将样品中的不同物质分离成不同的分辨率良好的峰，从而使科学家能够分析蛋白质和核酸等物质。改进这种电泳分离技术需要我们精确地模拟这些物质的输运和分离。今天，让我们来看一下如何使用 COMSOL Multiphysics®软件模拟区带电泳过程中物质的运动。
什么是区带电泳？
区带电泳是一个过程，在这个过程中包含不同物质的样品会通过一个存在电势梯度的电解质缓冲液系统。不同的物质具有不同的迁移率，因此它们最终会形成单独的高分辨率峰。
利用区带电泳技术，科学家可以研究核酸、生物聚合物和蛋白质等。因此，该技术具有多种潜在应用。例如，一种区带电泳（毛细管区带电泳）被用于法医科学领域。
毛细管区带电泳的简单示意图。原始图像由 Ccl005“ CZE” 提供自己的作品。通过Wikimedia Commons在CC BY-SA 3.0下获得许可。
在研究区带电泳时，准确模拟不同物质的输运和浓度非常重要。为此，我们可以使用COMSOL Multiphysics以及电泳输送接口来模拟这个过程。
使用 COMSOL Multiphysics®对区带电泳进行建模
建立的模型几何形状由一个 20 cm 的分离柱（在一维模拟中用一条线表示）组成，在分离柱的末端施加了 2500 A/m2的电流密度。域边界与充满区带电泳过程所需的缓冲电解液容器相接。
在模型中，我们考虑了四种不同物质的输运：乙酸和三（羟甲基）氨基甲烷作为缓冲溶液，苯胺和吡啶是我们试图分离的样品。对于每一种物质，我们都指定了迁移率、酸常数、初始条件和边界条件。此外，水的自电离作为平衡反应也包含在模型中。
为了更好地研究模型中酸和碱的迁移，我们使用了 COMSOL Multiphysics 5.3 版本中新增的电泳输送接口。这个接口用于模拟电泳模式，例如区带电泳、等电聚焦和移动边界电泳。该接口还可以帮助解决物质浓度、pH和电解液电势分布等问题——我们将在下一节中讨论其结果。
区带电泳将吡啶和苯胺分离为不同的峰。
评估仿真结果
我们使用瞬态求解器来研究5分钟内的区带电泳过程。在初始样品浓度（0 分钟）下，pH 和电解液电导率都呈现矩形分布。过了 4 分钟后，它们的分布方式变得更加复杂。
0 分钟和 4 分钟时的 pH 值分布（左）和电解液电导率（右）比较。
接下来，我们来检查一下缓冲电解液物质三羟甲基氨基甲烷和乙酸的浓度分布随时间怎么变化。下图中的结果表明，在 4 分钟后，在样品的初始位置，缓冲电解液中显示了浓度峰。
比较 0 和 4 分钟时三羟甲基氨基甲烷（左）和乙酸（右）的浓度分布。
对于其他两个物质：吡啶和苯胺，比较它们在 1 分钟和 3 分钟时的浓度。模拟图表明，随着时间的流逝，样品移至分离柱的右侧，并且三角峰之间的距离增加。
这些结果表明，在模拟中，区带电泳成功地将吡啶和苯胺的混合样品分离为两个分辨良好的浓度峰。
比较 1 分钟（左）和 3 分钟（右）时吡啶和乙酸的浓度分布。
当然，这个简单的示例只是使用电泳输送接口进行仿真的开始。下载下面的案例教程，尝试模拟该模型。
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