Электрофорез

Движение заряженных частиц в электрическом поле

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 . ^[1]

Электрофорез используется в лабораториях для разделения макромолекул на основе их зарядов. Обычно в этой технике применяется отрицательный заряд, называемый катодом , поэтому молекулы белка движутся к положительному заряду, называемому анодом . ^[2] Поэтому электрофорез положительно заряженных частиц или молекул ( катионов ) иногда называют катафорезом , а электрофорез отрицательно заряженных частиц или молекул (анионов) иногда называют анафорезом . ^{[3] [4] [5 ] [6] [7] [8] [9]}

Электрофорез является основой аналитических методов, используемых в биохимии для разделения частиц, молекул или ионов по размеру , заряду или связывающей аффинности либо свободно , либо через поддерживающую среду с использованием однонаправленного потока электрического заряда. ^[10] Он широко используется в анализе ДНК , РНК и белков . ^[11]

Электрофорез капель жидкости существенно отличается от классического электрофореза частиц из-за характеристик капель, таких как подвижный поверхностный заряд и нежесткость интерфейса. Кроме того, система жидкость-жидкость, где существует взаимодействие между гидродинамическими и электрокинетическими силами в обеих фазах, добавляет сложности электрофоретическому движению. ^[12]

История

История электрофореза для молекулярного разделения и химического анализа началась с работы Арне Тиселиуса в 1931 году, в то время как новые процессы разделения и методы анализа химических видов, основанные на электрофорезе, продолжают разрабатываться в 21 веке. ^[13] Тиселиус при поддержке Фонда Рокфеллера разработал «аппарат Тиселиуса» для электрофореза с подвижной границей , который был описан в 1937 году в известной статье «Новый аппарат для электрофоретического анализа коллоидных смесей». ^[14] Метод распространялся медленно до появления эффективных методов зонного электрофореза в 1940-х и 1950-х годах, которые использовали фильтровальную бумагу или гели в качестве поддерживающих сред. К 1960-м годам все более сложные методы гель-электрофореза позволили разделять биологические молекулы на основе мельчайших физических и химических различий, что способствовало развитию молекулярной биологии . Гель-электрофорез и родственные ему методы стали основой для широкого спектра биохимических методов, таких как белковая дактилоскопия , Саузерн-блоттинг , другие процедуры блоттинга, секвенирование ДНК и многое другое. ^[15]

Теория

Взвешенные частицы имеют электрический поверхностный заряд , на который сильно влияют адсорбированные на поверхности виды, ^[16] на которые внешнее электрическое поле оказывает электростатическую кулоновскую силу . Согласно теории двойного слоя , все поверхностные заряды в жидкостях экранируются диффузным слоем ионов, который имеет тот же абсолютный заряд, но противоположный знак по отношению к поверхностному заряду. Электрическое поле также оказывает силу на ионы в диффузном слое, которая имеет направление, противоположное направлению, действующему 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 через вязкое напряжение . Эта часть силы также называется силой электрофоретического замедления, или сокращенно ERF. Когда приложено электрическое поле и заряженная частица, подлежащая анализу, находится в устойчивом движении через диффузный слой, общая результирующая сила равна нулю:

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

Принимая во внимание сопротивление движущихся частиц, обусловленное вязкостью диспергатора, в случае низкого числа Рейнольдса и умеренной напряженности электрического поля E скорость дрейфа диспергированной частицы v просто пропорциональна приложенному полю, что оставляет электрофоретическую подвижность μ _e, определяемую как: ^[17]

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

Наиболее известная и широко используемая теория электрофореза была разработана в 1903 году Марианом Смолуховским : ^[18]

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

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

Теория Смолуховского очень мощна, поскольку она работает для дисперсных частиц любой формы при любой концентрации . Она имеет ограничения на свою применимость. Например, она не включает длину Дебая κ ⁻¹ (единицы 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 замедления дальше от поверхности частицы. Чем толще ДС, тем меньше должна быть сила замедления.

Подробный теоретический анализ показал, что теория Смолуховского справедлива только для достаточно тонких ДС, когда радиус частицы a намного больше длины Дебая:

${\displaystyle a\kappa \gg 1}$.

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

Теория Смолуховского также пренебрегает вкладом поверхностной проводимости . Это выражается в современной теории как условие малости числа Духина :

${\displaystyle Du\ll 1}$

В попытке расширить область применимости электрофоретических теорий был рассмотрен противоположный асимптотический случай, когда длина Дебая больше радиуса частицы:

${\displaystyle a\kappa <\!\,1}$.

При этом условии «толстого двойного слоя» Эрих Хюккель ^[19] предсказал следующее соотношение для электрофоретической подвижности:

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

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

Существует несколько аналитических теорий, которые включают поверхностную проводимость и устраняют ограничение малого числа Духина, впервые предложенных Теодором Овербиком ^[20] и Ф. Бутом. ^[21] Современные строгие теории, справедливые для любого дзета-потенциала и часто для любого aκ, в основном исходят из теории Духина–Семенихина. ^[22]

В пределе тонкого двойного слоя эти теории подтверждают численное решение задачи, предоставленное Ричардом У. О'Брайеном и Ли Р. Уайтом. ^[23]

Для моделирования более сложных сценариев эти упрощения становятся неточными, и электрическое поле должно моделироваться пространственно, отслеживая его величину и направление. Уравнение Пуассона может быть использовано для моделирования этого пространственно-изменяющегося электрического поля. Его влияние на поток жидкости может быть смоделировано с помощью закона Стокса , ^[24] в то время как транспорт различных ионов может быть смоделирован с помощью уравнения Нернста-Планка . Этот комбинированный подход называется уравнениями Пуассона-Нернста-Планка-Стокса. Он был проверен для электрофореза частиц. ^[25]

Смотрите также

• Аффинный электрофорез
• Электрофоретическое осаждение
• Электронная бумага
• Капиллярный электрофорез
• Диэлектрофорез
• Электрофорез свободного потока
• Электроблоттинг
• Электрофорез в геле
• Гель-электрофорез нуклеиновых кислот
• Гель-электрофорез белков
• История электрофореза
• История гель-электрофореза
• Иммуноэлектрофорез
• Изоэлектрическая фокусировка
• Изотахофорез
• Нелинейный фрикционный форез
• Электрофорез в гель-импульсном поле
• Стокса поток

Ссылки

1. Мичов, Б. (2022). Основы электрофореза: Основная теория и практика. De Gruyter, ISBN 9783110761627. doi :10.1515/9783110761641. ISBN 9783110761641.
2. Кастенхольц, Б. (2006). «Сравнение электрохимического поведения высокомолекулярных кадмиевых белков в Arabidopsis thaliana и овощных растениях с использованием препаративного непрерывного электрофореза в полиакриламидном геле (PNC-PAGE)». Электроанализ . 18 (1): 103–6. doi :10.1002/elan.200403344.
3. Lyklema, J. (1995). Основы науки о границах раздела и коллоидах . Т. 2. С. 3.208.
4. Хантер, Р. Дж. (1989). Основы коллоидной науки . Oxford University Press.
5. Духин, СС; Дерягин, Б. В. (1974). Электрокинетические явления . J. Wiley and Sons.
6. Рассел, У. Б.; Сэвилл, Д. А.; Шоуолтер, У. Р. (1989). Коллоидные дисперсии . Cambridge University Press. ISBN 9780521341882.
7. Kruyt, HR (1952). Коллоидная наука . Том 1, Необратимые системы. Elsevier.
8. Духин, А.С.; Гетц, П.Дж. (2017). Характеристика жидкостей, нано- и микрочастиц и пористых тел с использованием ультразвука. Elsevier. ISBN 978-0-444-63908-0.
9. Андерсон, Дж. Л. (январь 1989 г.). «Перенос коллоидных жидкостей силами на границе раздела». Annual Review of Fluid Mechanics . 21 (1): 61–99. Bibcode : 1989AnRFM..21...61A. doi : 10.1146/annurev.fl.21.010189.000425. ISSN  0066-4189.
10. Малхотра, П. (2023). Аналитическая химия: основные приемы и методы . Springer, ISBN 9783031267567. стр. 346.
11. Гарфин, Д. Э. (1995). «Глава 2 – Электрофоретические методы». Введение в биофизические методы исследования белков и нуклеиновых кислот : 53–109. doi :10.1016/B978-012286230-4/50003-1.
12. Рашиди, Мансурех (2021). «Механистические исследования капельного электрофореза: обзор». Электрофорез . 42 (7–8): 869–880. doi :10.1002/elps.202000358. PMID  33665851.
13. Малхотра, П. (2023). Аналитическая химия: основные приемы и методы . Springer, ISBN 9783031267567. стр. 346.
14. Тиселиус, Арне (1937). «Новый аппарат для электрофоретического анализа коллоидных смесей». Труды Фарадейского общества . 33 : 524–531. doi :10.1039/TF9373300524.
15. Михов, Б. (1995). Электрофорез: теория и практика . Де Грюйтер, ISBN 9783110149944. с. 405.
16. Hanaor, DAH; Michelazzi, M.; Leonelli, C.; Sorrell, CC (2012). «Влияние карбоновых кислот на водную дисперсию и электрофоретическое осаждение ZrO ₂ ». Журнал Европейского керамического общества . 32 (1): 235–244. arXiv : 1303.2754 . doi : 10.1016/j.jeurceramsoc.2011.08.015. S2CID  98812224.
17. Ханаор, Дориан; Микелацци, Марко; Веронези, Паоло; Леонелли, Кристина; Романьоли, Марчелло; Соррелл, Чарльз (2011). «Анодное водное электрофоретическое осаждение диоксида титана с использованием карбоновых кислот в качестве диспергирующих агентов». Журнал Европейского керамического общества . 31 (6): 1041–1047. arXiv : 1303.2742 . doi : 10.1016/j.jeurceramsoc.2010.12.017. S2CID  98781292.
18. фон Смолуховский, М. (1903). «Вклад в теорию эндомоза и других коррелирующих явлений». Бык. Межд. акад. наук. Краковье . 184 .
19. Хюкель, Э. (1924). «Катафорез дер кугель». Физ. З.​ 25 : 204.
20. Overbeek, J.Th.G (1943). «Теория электрофореза — Эффект релаксации». Колл. Bith. : 287.
21. Бут, Ф. (1948). «Теория электрокинетических эффектов». Nature . 161 (4081): 83–86. Bibcode :1948Natur.161...83B. doi : 10.1038/161083a0 . PMID  18898334. S2CID  4115758.
22. Духин, С.С. и Семенихин Н.В. «Теория поляризации двойного слоя и ее влияние на электрофорез», Колл.Журналов СССР, т. 32, стр. 366, 1970.
23. О'Брайен, РВ; Л. Р. Уайт (1978). «Электрофоретическая подвижность сферической коллоидной частицы». J. Chem. Soc. Faraday Trans . 2 (74): 1607. doi :10.1039/F29787401607.
24. Paxton, Walter F.; Sen, Ayusman; Mallouk, Thomas E. (2005-11-04). «Подвижность каталитических наночастиц посредством самогенерируемых сил». Chemistry - A European Journal . 11 (22). Wiley: 6462–6470. doi :10.1002/chem.200500167. ISSN  0947-6539. PMID  16052651.
25. Моран, Джеффри Л.; Познер, Джонатан Д. (2011-06-13). «Электрокинетическое перемещение из-за вызванного реакцией автоэлектрофореза заряда». Журнал механики жидкости . 680. Издательство Кембриджского университета (CUP): 31–66. Bibcode : 2011JFM...680...31M. doi : 10.1017/jfm.2011.132. ISSN  0022-1120. S2CID  100357810.

Дальнейшее чтение

• Barz, DPJ; P. Ehrhard (2005). «Модель и проверка электрокинетического потока и транспорта в устройстве для микроэлектрофореза». Lab Chip . 5 (9): 949–958. doi :10.1039/b503696h. PMID  16100579.
• Jahn, GC; DW Hall; SG Zam (1986). «Сравнение жизненных циклов двух амблиоспор (Microspora: Amblyosporidae ) у комаров Culex salinarius и Culex tarsalis Coquillett». J. Florida Anti-Mosquito Assoc . 57 : 24–27.
• Хаттак, MN; RC Мэтьюз (1993). «Генетическое родство видов Bordetella, определенное с помощью макрорестрикционных расщеплений, разрешенных с помощью гель-электрофореза в импульсном поле». Int. J. Syst. Bacteriol . 43 (4): 659–64. doi : 10.1099/00207713-43-4-659 . PMID  8240949.
• Shim, J.; P. Dutta; CF Ivory (2007). «Моделирование и имитация IEF в двумерных микрогеометриях». Электрофорез . 28 (4): 527–586. doi :10.1002/elps.200600402. PMID  17253629. S2CID  23274096.
• Воэт и Воэт (1990). Биохимия . Джон Уайли и сыновья.^{[ необходима полная цитата ]}

Внешние ссылки

• Список относительных подвижностей