Πώς λειτουργεί η τριχοειδική ηλεκτροφόρηση

Η τριχοειδής ηλεκτροφόρηση (CE) είναι μια αναλυτική μέθοδος διαχωρισμού που χρησιμοποιεί ένα ηλεκτρικό πεδίο για τον διαχωρισμό των συστατικών ενός μείγματος. Βασικά, είναι ηλεκτροφόρηση σε ένα τριχοειδές, ένα στενό σωλήνα. Ως εκ τούτου, τα συστατικά του μείγματος διαχωρίζονται με βάση την ηλεκτροφορητική κινητικότητά τους. Οι τρεις παράγοντες που καθορίζουν την ηλεκτροφορητική κινητικότητα ενός συγκεκριμένου μορίου είναι το φορτίο του μορίου, το ιξώδες του μέσου διαχωρισμού και η ακτίνα του μορίου. Μόνο τα ιόντα επηρεάζονται από το ηλεκτρικό πεδίο ενώ τα ουδέτερα είδη παραμένουν ανεπηρέαστα. Ο ρυθμός ενός μορίου που κινείται μέσω του τριχοειδούς εξαρτάται από την ισχύ του ηλεκτρικού πεδίου.

Βασικές περιοχές που καλύπτονται

1. Τι είναι η Τριχοειδής Ηλεκτροφόρηση
     – Ορισμός, Όργανα, Μέθοδοι
2. Πώς λειτουργεί η τριχοειδική ηλεκτροφόρηση
     – Θεωρία της τριχοειδούς ηλεκτροφόρησης

Βασικοί όροι:Τριχοειδής ηλεκτροφόρηση (CE), Τριχοειδείς Ηλεκτροφορητικές Μέθοδοι Διαχωρισμού, Τριχοειδής σωλήνας, Φόρτιση, Ηλεκτροφορητική κινητικότητα ηλεκτροωσμωτικής ροής

Τι είναι η Τριχοειδής Ηλεκτροφόρηση

Η τριχοειδική ηλεκτροφόρηση αναφέρεται σε μια αναλυτική μέθοδο διαχωρισμού με την οποία τα συστατικά ενός μείγματος διαχωρίζονται με βάση την ηλεκτροφορητική τους κινητικότητα. Στα πρώτα πειράματα, χρησιμοποιήθηκε ένας γυάλινος σωλήνας U γεμάτος με γέλες ή διαλύματα. Τα τριχοειδή αγγεία χρησιμοποιήθηκαν μετά τη δεκαετία του 1960.

Όργανα

Το τριχοειδές αποτελείται από τηγμένο πυρίτιο, με εσωτερική διάμετρο 20-100 μm. Ένα ηλεκτρικό πεδίο υψηλής τάσης παρέχεται στα άκρα του τριχοειδούς σωλήνα. Τα ηλεκτρόδια συνδέονται με τα άκρα του τριχοειδούς σωλήνα μέσω ενός διαλύματος ηλεκτρολύτη ή ενός υδατικού ρυθμιστικού διαλύματος. Το τριχοειδές γεμίζει με ένα αγώγιμο υγρό σε ένα ορισμένο pH. Εκτός από τους ανιχνευτές και άλλες συσκευές εξόδου, ορισμένα όργανα χρησιμοποιούνται για τον έλεγχο της θερμοκρασίας του συστήματος, εξασφαλίζοντας αναπαραγώγιμα αποτελέσματα. Το δείγμα εισάγεται στο τριχοειδές με ένεση. Τα όργανα του τριχοειδούς ηλεκτροφορητικού συστήματος παρουσιάζονται στο σχήμα 1.

Εικόνα 1:Τριχοειδής Ηλεκτροφόρηση – Όργανα

Μέθοδοι τριχοειδούς ηλεκτροφορητικού διαχωρισμού 

Μπορούν να αναγνωριστούν έξι τύποι μεθόδων τριχοειδούς ηλεκτροφορητικού διαχωρισμού.

1. Ηλεκτροφόρηση τριχοειδούς ζώνης (CZE) – Ως αγώγιμο υγρό χρησιμοποιείται ελεύθερο διάλυμα.
2. Ηλεκτροφόρηση τριχοειδούς γέλης (CGE) – Ως αγώγιμο υγρό χρησιμοποιείται ένα τζελ.
3. Μικκυλιακή ηλεκτροκινητική τριχοειδική χρωματογραφία (MEKC) – Τα συστατικά ενός μείγματος διαχωρίζονται με διαχωρισμό μεταξύ των μικκυλίων και του διαλύτη/αγώγιμου υγρού.
4. Ηλεκτροχρωματογραφία τριχοειδών (CEC) – Με εξαίρεση το αγώγιμο ρευστό χρησιμοποιείται μια συσσωρευμένη στήλη. Ένα κινητό υγρό περνά πάνω από τη στήλη μαζί με το μείγμα που πρόκειται να διαχωριστεί.
5. Τριχοειδή ισοηλεκτρική εστίαση (CIEF) – Χρησιμοποιείται κυρίως για τον διαχωρισμό αμφιτεριονικών συστατικών όπως πεπτίδια και πρωτεΐνες που περιέχουν θετικά και αρνητικά φορτία. Ένα αγώγιμο υγρό με βαθμίδωση pH χρησιμοποιείται για τον διαχωρισμό του διαλύματος πρωτεΐνης. Κάθε πρωτεΐνη μεταναστεύει στην περιοχή με το ισοηλεκτρικό της σημείο εντός της βαθμίδας του pH. Στο ισοηλεκτρικό σημείο, το καθαρό φορτίο των πρωτεϊνών γίνεται μηδέν.
6. Ισοταχοφόρηση τριχοειδών (CITP) – Είναι ένα ασυνεχές σύστημα. Κάθε στοιχείο μεταναστεύει σε διαδοχικές ζώνες και η ποσότητα του στοιχείου προκύπτει μετρώντας τη διάρκεια της μετανάστευσης.

Πώς λειτουργεί η τριχοειδική ηλεκτροφόρηση

Γενικά, τα φορτισμένα είδη αρχίζουν να κινούνται σε ηλεκτρικά πεδία. Το φορτίο, το ιξώδες και η μοριακή ακτίνα είναι οι τρεις παράγοντες που καθορίζουν την ηλεκτροφορητική κινητικότητα ενός μορίου σε ένα ηλεκτρικό πεδίο.

1. Φόρτιση – Τα κατιόντα (θετικά φορτισμένα μόρια) κινούνται προς την κάθοδο (αρνητικό ηλεκτρόδιο) ενώ τα ανιόντα (αρνητικά φορτισμένα μόρια) κινούνται προς την άνοδο (θετικό ηλεκτρόδιο).
2. Ιξώδες – Το ιξώδες του μέσου είναι αντίθετο από την κίνηση των μορίων και είναι σταθερό για ένα συγκεκριμένο μέσο διαχωρισμού.
3. Ακτίνα ιόντων/μορίου – Η ηλεκτροφορητική κινητικότητα μειώνεται με την αύξηση της ακτίνας του μορίου.

Επομένως, εάν δύο μόρια με το ίδιο μέγεθος υποβληθούν σε ηλεκτροφόρηση, το μόριο με το μεγαλύτερο φορτίο θα κινηθεί πιο γρήγορα. Ο ρυθμός μετανάστευσης των φορτισμένων ειδών αυξάνεται με την αυξανόμενη ισχύ του ηλεκτρικού πεδίου. Ο μηχανισμός της τριχοειδούς ηλεκτροφόρησης φαίνεται στην εικόνα 2.

Εικόνα 2:Τριχοειδής ηλεκτροφόρηση

Ηλεκτροωσμωτική ροή (EOF)

Η ηλεκτροωσμωτική ροή δημιουργεί την κινητή φάση της τριχοειδούς ηλεκτροφόρησης. Στις περισσότερες περιπτώσεις, το τριχοειδές υλικό είναι πυρίτιο. Το πυρίτιο υδρολύεται, αποδίδοντας αρνητικά φορτισμένα ιόντα SiO όταν τα διαλύματα με pH μεγαλύτερο από 3 διέρχονται μέσω του τριχοειδούς σωλήνα. Στη συνέχεια, το τριχοειδές τοίχωμα φέρει αρνητικά φορτισμένο στρώμα. Τα κατιόντα του διαλύματος έλκονται από αυτά τα αρνητικά φορτία, σχηματίζοντας ένα διπλό στρώμα κατιόντων στα αρνητικά φορτία. Το εσωτερικό στρώμα κατιόντων είναι σταθερό ενώ το εξωτερικό στρώμα κατιόντων κινείται προς την κάθοδο ως μαζική ροή φορτισμένων μορίων. Η μαζική ροή κατιόντων συμβαίνει κοντά στο τριχοειδές τοίχωμα κατά την τριχοειδική ηλεκτροφόρηση. Η ηλεκτροωσμωτική ροή κοντά στο τριχοειδές τοίχωμα φαίνεται στο σχήμα 3 .

Εικόνα 3:Ηλεκτροωσμωτική ροή

Η μικρή διάμετρος του τριχοειδούς τοιχώματος συμβάλλει στη μεγιστοποίηση της επίδρασης του EOF, βοηθώντας τον να διαδραματίσει ζωτικό ρόλο στην κίνηση των φορτισμένων ειδών στην τριχοειδική ηλεκτροφόρηση.

Συμπέρασμα

Η τριχοειδής ηλεκτροφόρηση είναι μια αναλυτική μέθοδος διαχωρισμού στην οποία τα φορτισμένα είδη διαχωρίζονται με βάση την ηλεκτροφορητική τους κινητικότητα. Γενικά, το μέγεθος και το φορτίο των μορίων χρησιμεύουν ως παράγοντες για τον διαχωρισμό.

Αναφορά:

1. «Ηλεκτροφόρηση τριχοειδών». Chemistry LibreTexts , Libretexts, 28 Νοεμβρίου 2017, Διαθέσιμο εδώ.

Εικόνα Ευγενική προσφορά:

1. «Capillaryelectrophoresis» By Apblum –  (CC BY-SA 3.0) μέσω Commons Wikimedia
2. «Capilary electrophoresis» από τον Andreas Dahlin (CC BY 2.0) μέσω Flickr
3. «Capillaryblum» By Ap αγγλική wikipedia (CC BY-SA 3.0) μέσω Commons Wikimedia