Электрофорез

Чтобы узнать о процессе введения лекарств, см. Ионофорез .

Чтобы узнать о других значениях, см. Электрофорез (значения) .

1. Иллюстрация электрофореза.

2. Иллюстрация замедления электрофореза.

Электрофорез — движение заряженных дисперсных частиц или растворенных заряженных молекул относительно жидкости под действием пространственно однородного электрического поля . Как правило, это цвиттер-ионы .

Электрофорез используется в лабораториях для разделения макромолекул в зависимости от их заряда. В этом методе обычно применяется отрицательный заряд, называемый катодом , поэтому молекулы белка движутся к положительному заряду, называемому анодом . Поэтому электрофорез положительно заряженных частиц или молекул ( катионов ) иногда называют катафорезом , а электрофорез отрицательно заряженных частиц или молекул (анионов) иногда называют анафорезом .

Электрофорез является основой аналитических методов, используемых в биохимии для разделения частиц, молекул или ионов по размеру , заряду или сродству связывания либо свободно , либо через поддерживающую среду с использованием однонаправленного потока электрического заряда. Он широко используется в ДНК , РНК и белков . анализе

Биохимик Арне Тиселиус получил Нобелевскую премию по химии в 1948 году «за исследования в области электрофореза и адсорбционного анализа, особенно за открытия, касающиеся сложной природы сывороточных белков ».

Жидкостно-капельный электрофорез значительно отличается от классического электрофореза частиц из-за таких характеристик капель, как подвижный поверхностный заряд и нежесткость границы раздела. Кроме того, система жидкость-жидкость, в которой существует взаимодействие между гидродинамическими и электрокинетическими силами в обеих фазах, усложняет электрофоретическое движение.

История

Этот раздел представляет собой отрывок из «Истории электрофореза» . [ редактировать ]

История электрофореза для молекулярного разделения и химического анализа началась с работы Арне Тиселиуса в 1931 году, а новые процессы разделения и методы анализа химического состава, основанные на электрофорезе, продолжают разрабатываться в 21 веке. Тиселиус при поддержке Фонда Рокфеллера разработал « аппарат Тизелиуса » для электрофореза с подвижной границей , который был описан в 1937 году в известной статье « Новый аппарат для электрофоретического анализа коллоидных смесей ». не появились эффективные методы зонного электрофореза Этот метод распространялся медленно, пока в 1940-х и 1950-х годах использовалась фильтровальная бумага или гели , в которых в качестве вспомогательной среды . К 1960-м годам более совершенные методы гель-электрофореза сделали возможным разделение биологических молекул на основе мельчайших физических и химических различий, что способствовало развитию молекулярной биологии . Гель-электрофорез и связанные с ним методы стали основой для широкого спектра биохимических методов , таких как дактилоскопия белков , Саузерн-блоттинг , другие процедуры блоттинга, секвенирование ДНК и многие другие.

Теория

Взвешенные частицы имеют электрический поверхностный заряд , на который сильно влияют вещества, адсорбированные на поверхности. на которое внешнее электрическое поле действует электростатическая кулоновская сила . Согласно теории двойного слоя , все поверхностные заряды в жидкостях экранируются диффузным слоем ионов, имеющим тот же абсолютный заряд, но противоположный знак по отношению к поверхностному заряду. Электрическое поле также оказывает на ионы в диффузном слое силу, имеющую направление, противоположное тому, которое действует на поверхностный заряд . Эта последняя сила фактически приложена не к частице, а к ионам в диффузном слое, расположенном на некотором расстоянии от поверхности частицы, и часть ее передается на всем пути к поверхности частицы посредством вязкого напряжения . Эту часть силы также называют силой электрофоретического замедления, или сокращенно ERF.Когда приложено электрическое поле и анализируемая заряженная частица находится в устойчивом движении через диффузный слой, общая результирующая сила равна нулю:

$F_{\text{tot}}=0=F_{\text{el}}+F_{\mathrm {f} }+F_{\text{ret}}$

Учитывая сопротивление движущихся частиц, обусловленное вязкостью диспергатора, в случае малого числа Рейнольдса и умеренной напряженности электрического поля E скорость дрейфа дисперсной частицы v просто пропорциональна приложенному полю, что оставляет электрофоретическую подвижность μ _e определяется как:

$\mu _{e}={v \over E}.$

Самая известная и широко используемая теория электрофореза была разработана в 1903 году Марианом Смолуховским :

$\mu _{e}={\frac {\varepsilon _{r}\varepsilon _{0}\zeta }{\eta }}$,

где ε _r – диэлектрическая проницаемость дисперсионной среды , ε ₀ – диэлектрическая проницаемость свободного пространства (C ² Н ⁻¹ м ⁻² ), η – динамическая вязкость дисперсионной среды (Па·с), ζ – дзета-потенциал (т. е. электрокинетический потенциал плоскости скольжения в двойном слое , единицы мВ или В).

Теория Смолуховского очень эффективна, поскольку она работает для дисперсных частиц любой формы и любой концентрации . Он имеет ограничения по своей действительности. Например, он не включает дебаевскую длину κ ⁻¹ (единиц м). Однако длина Дебая должна быть важна для электрофореза, как следует непосредственно из рисунка 2: «Иллюстрация замедления электрофореза» .Увеличение толщины двойного слоя (ДС) приводит к удалению точки силы торможения дальше от поверхности частицы. Чем толще ДЛ, тем меньше должна быть сила торможения.

Детальный теоретический анализ показал, что теория Смолуховского справедлива только для достаточно тонких ДС, когда радиус частицы a много больше дебаевской длины:

$a\kappa \gg 1$.

Эта модель «тонкого двойного слоя» предлагает огромные упрощения не только для теории электрофореза, но и для многих других электрокинетических теорий. Эта модель справедлива для большинства водных систем, где дебаевская длина обычно составляет всего несколько нанометров . Он разрушается только для наноколлоидов в растворе с ионной силой, близкой к воде.

Теория Смолуховского также не учитывает вклад поверхностной проводимости . В современной теории это выражается как условие малости числа Духина :

$Du\ll 1$

Стремясь расширить область применимости электрофоретических теорий, был рассмотрен противоположный асимптотический случай, когда дебаевская длина больше радиуса частицы:

$a\kappa <\!\,1$.

При этом условии «толстого двойного слоя» Эрих Хюккель предсказал следующее соотношение для электрофоретической подвижности:

$\mu _{e}={\frac {2\varepsilon _{r}\varepsilon _{0}\zeta }{3\eta }}$.

Эта модель может быть полезна для некоторых наночастиц и неполярных жидкостей, где дебаевская длина намного больше, чем в обычных случаях.

Существует несколько аналитических теорий, которые учитывают поверхностную проводимость и устраняют ограничение небольшого числа Духина, впервые предложенные Теодором Овербиком. и Ф. Бут. Современные строгие теории, справедливые для любого дзета-потенциала и часто любого aκ , в основном основаны на теории Духина-Семенихина.

В пределе тонкого двойного слоя эти теории подтверждают численное решение проблемы, предложенное Ричардом О'Брайеном и Ли Р. Уайтом.

Для моделирования более сложных сценариев эти упрощения становятся неточными, и электрическое поле необходимо моделировать пространственно, отслеживая его величину и направление. Уравнение Пуассона можно использовать для моделирования этого пространственно меняющегося электрического поля. Его влияние на поток жидкости можно смоделировать с помощью закона Стокса : тогда как транспорт различных ионов можно смоделировать с помощью уравнения Нернста – Планка . Этот комбинированный подход называется уравнениями Пуассона-Нернста-Планка-Стокса. Этот подход был подтвержден электрофорезом частиц.

См. также

• Аффинный электрофорез
• Электрофоретическое осаждение
• Электронная бумага
• Капиллярный электрофорез
• Диэлектрофорез
• Свободнопоточный электрофорез
• Электроблоттинг
• Гель-электрофорез
• Гель-электрофорез нуклеиновых кислот
• Гель-электрофорез белков
• История электрофореза
• История гель-электрофореза
• Иммуноэлектрофорез
• Изоэлектрическая фокусировка
• Изотахофорез
• Нелинейный фриктиофорез
• Гель-электрофорез в импульсном поле
• Стоксов поток

Дальнейшее чтение

• Воэт и Воэт (1990). Биохимия . Джон Уайли и сыновья.
• Ян, GC; Д.В. Холл; С.Г. Зам (1986). «Сравнение жизненных циклов двух амблиоспор (Microspora: Amblyosporidae ) у комаров Culex salinarius и Culex tarsalis Coquillett». Дж. Флоридская ассоциация по борьбе с комарами . 57 : 24–27.
• Хаттак, Миннесота; Р. К. Мэтьюз (1993). «Генетическое родство видов Bordetella , определенное с помощью макрорестрикционных гидролизатов, разрешенных с помощью гель-электрофореза в импульсном поле» . Межд. Дж. Сист. Бактериол . 43 (4): 659–64. дои : 10.1099/00207713-43-4-659 . ПМИД   8240949 .
• Барз, ДПЯ; П. Эрхард (2005). «Модель и проверка электрокинетического потока и транспорта в устройстве для микроэлектрофореза». Лабораторный чип . 5 (9): 949–958. дои : 10.1039/b503696h . ПМИД   16100579 .
• Шим, Дж.; П. Дутта; CF Ivory (2007). «Моделирование и моделирование ИЭФ в двумерной микрогеометрии». Электрофорез . 28 (4): 527–586. дои : 10.1002/elps.200600402 . ПМИД   17253629 . S2CID   23274096 .

Внешние ссылки

• Список относительных подвижностей