Электрофорез

Движение заряженных частиц в электрическом поле

1. Иллюстрация электрофореза.

2. Иллюстрация замедления электрофореза.

В химии электрофорез — движение заряженных дисперсных частиц или растворенных заряженных молекул относительно жидкости под действием пространственно однородного электрического поля . Как правило, это цвиттер-ионы . Электрофорез положительно заряженных частиц или молекул ( катионов ) иногда называют катафорезом , а электрофорез отрицательно заряженных частиц или молекул (анионов) иногда называют анафорезом . ^{[1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8]}

Электрофорез является основой аналитических методов , используемых в биохимии для разделения частиц, молекул или ионов по размеру , заряду или сродству связывания . ^[9]

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 ». ^[10]

В принципе, электрофорез используется в лабораториях для разделения макромолекул по заряду. ^[11] Этот метод обычно применяет отрицательный заряд, поэтому белки движутся в сторону положительного заряда . Он широко используется в анализе ДНК , РНК и белков . ^[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 химического состава, основанные на электрофорезе, продолжают разрабатываться в 21 веке. ^[13] 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». ^[14] Метод медленно распространялся до появления эффективных методов зонного электрофореза в 1940-х и 1950-х годах, в которых в качестве вспомогательной среды использовалась фильтровальная бумага или гели . К 1960-м годам все более сложные 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. ^[15]

Теория

Взвешенные частицы имеют электрический поверхностный заряд , на который сильно влияют поверхностно-адсорбированные частицы ^[16] , на которые внешнее электрическое поле оказывает электростатическую кулоновскую силу . 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:

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

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: ^[17]

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

Самая 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 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 (единицы м). Однако длина Дебая должна быть важна для электрофореза, как следует 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 ДЛ, когда радиус частицы a много больше дебаевской длины:

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

Эта модель «тонкого двойного слоя» предлагает огромные упрощения не только для теории электрофореза, но и для многих других электрокинетических теорий. Эта модель 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 :

${\displaystyle Du\ll 1}$

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

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

При этом условии «толстого двойного слоя» Эрих Хюкель ^[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 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 ^[20] и Ф. Бутом. ^[21] Современные строгие теории, справедливые для любого дзета-потенциала и часто любого aκ , в основном основаны на теории Духина-Семенихина. ^[22]

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

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 ^[24] , а перенос различных ионов можно смоделировать с помощью уравнения Нернста-Планка . Этот комбинированный подход называется уравнениями Пуассона-Нерна-Планка-Стокса. ^[25] Этот подход был подтвержден электрофорезом частиц. ^[25]

Смотрите 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

Рекомендации

1. Ликлема, Дж. (1995). Основы интерфейсов и коллоидной науки . Том. 2. п. 3.208.
2. Хантер, Р.Дж. (1989). Основы коллоидной науки . Издательство Оксфордского университета.
3. Духин, С.С.; Дерягин, Б.В. (1974). Электрокинетические явления . Дж. Уайли и сыновья.
4. Рассел, ВБ; Сэвилл, Д.А.; Шовальтер, WR (1989). Коллоидные дисперсии . Издательство Кембриджского университета. ISBN 9780521341882.
5. Круйт, HR (1952). Коллоидная наука . Том. 1. Необратимые системы. Эльзевир.
6. Духин, А.С.; Гетц, Пи Джей (2017). Характеристика жидкостей, нано- и микрочастиц и пористых тел с помощью ультразвука. Эльзевир. ISBN 978-0-444-63908-0.
7. Андерсон, JL (январь 1989 г.). «Перенос коллоида межфазными силами». Ежегодный обзор механики жидкости . 21 (1): 61–99. Бибкод : 1989АнРФМ..21...61А. doi : 10.1146/annurev.fl.21.010189.000425. ISSN  0066-4189.
8. Михов, Б. (2022). Основы электрофореза: основная теория и практика. Де Грюйтер, ISBN 9783110761627. doi : 10.1515/9783110761641. ISBN 9783110761641.
9. Малхотра, П. (2023). Аналитическая химия: основные методы и методы . Спрингер, ISBN 9783031267567. с. 346.
10. «Нобелевская премия по химии 1948 года». NobelPrize.org . Проверено 3 ноября 2023 г.
11. Кастенхольц Б. (2006). «Сравнение электрохимического поведения высокомолекулярных белков кадмия в Arabidopsis thaliana и овощных растениях при использовании препаративного нативного непрерывного электрофореза в полиакриламидном геле (PNC-PAGE)». Электроанализ . 18 (1): 103–6. дои : 10.1002/elan.200403344.
12. Гарфин Д.Е. (1995). «Глава 2 – Электрофоретические методы». Введение в биофизические методы исследования белков и нуклеиновых кислот : 53–109. дои : 10.1016/B978-012286230-4/50003-1.
13. Малхотра, П. (2023). Аналитическая химия: основные методы и методы . Спрингер, ISBN 9783031267567. с. 346.
14. Тиселиус, Арне (1937). «Новый аппарат для электрофоретического анализа коллоидных смесей». Труды Фарадеевского общества . 33 : 524–531. дои : 10.1039/TF9373300524.
15. Михов, Б. (1995). Электрофорез: теория и практика . Де Грюйтер, ISBN 9783110149944. с. 405.
16. Ханаор, ДАХ; Микелацци, М.; Леонелли, К.; Соррелл, 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 диспергаторов». 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 эндосмоза и других коррелирующих явлений». Бык. Межд. акад. наук. Краковье . 184 .
19. Хюкель, Э. (1924). «Катафорез дер кугель». Физ. З.​ 25 : 204.
20. Овербек, JThG (1943). «Теория электрофореза — Эффект релаксации». Колл. Бит. : 287.
21. Бут, Ф. (1948). «Теория электрокинетических эффектов». Природа . 161 (4081): 83–86. Бибкод : 1948Natur.161...83B. дои : 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.Жур. СССР, том 32, стр. 366, 1970.
23. О'Брайен, RW; Л. Р. Уайт (1978). «Электрофоретическая подвижность сферической коллоидной частицы». Дж. Хим. Соц. Фарадей Транс . 2 (74): 1607. дои : 10.1039/F29787401607.
24. Пакстон, Уолтер Ф.; Сен, Аюсман; Маллук, Томас Э. (4 ноября 2005 г.). «Подвижность каталитических наночастиц посредством самогенерируемых сил». Химия - Европейский журнал . Уайли. 11 (22): 6462–6470. doi : 10.1002/chem.200500167. ISSN  0947-6539. ПМИД  16052651.
25. Моран, Джеффри Л.; Познер, Джонатан Д. (13 июня 2011 г.). «Электрокинетическое передвижение вследствие автоэлектрофореза, индуцированного реакцией заряда». Журнал механики жидкости . Издательство Кембриджского университета (CUP). 680 : 31–66. Бибкод : 2011JFM...680...31M. дои : 10.1017/jfm.2011.132. ISSN  0022-1120. S2CID  100357810.

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. PMID  17253629. S2CID  23274096.

Внешние ссылки

• Список относительных подвижностей