Elektroforeza

Elektroforeza (grč. ηλεκτρο - elektro = struja + φορέω – foreza = nositi) je kretanje električno nabijenih čestica u otopini pod uticajem prostorno jednoobraznog električnog polja. To se koristi kao analitički i preparativni metod koji je razvijen u (bio)hemiji, a usavršen primjenom u molekularnoj biologiji. ^[1]^[2]^[3]^[4]^[5]^[6]

Primjena

Smjer kretanja čestice zavisi o polarnosti njenog naboja, a brzina kretanja povećava se sa brojem naboja i jačinom električnoga polja, dok opada s porastom veličine čestice. Elektroforetska analiza bioloških makromolekula, kao što su nukleinske kiseline i bjelančevine, izvodi se na agaroznim i poliakrilamidnim gelovima različite poroznosti, koja se određuje prema veličini čestica. Nakon bojenja, imunske reakcije ili radioaktivnog obilježavanja, te fotografskog snimanja gela, dobija se slika ili grafički prikaz koji se zove elektroforetogram. U suvremenoj praksi, elektroforeza rutinski i nezamjenljivi metod analize serumskih i tkivnih bjelančevina, u određivanju čistoće pripravaka nukleinskih kiselina i u sekvencizanju nukleotida u nukleinskim kiselinama. Jedna od varijanti elektroforeze je izoelektričko fokusiranje.^[7]

Elektroforeza se izvodi u uvjetima koji omogućavaju prirodnu konformaciju makromolekula nakon potpune denaturacije. Kombinacijom tih metoda na istom gelu dobija se dvodimenzionalna elektroforeza, koja, samo na jednom elektroforetogramu, može otkriti više hiljada bjelančevina ili se mogu registrirati one koje nedostaju.

Teorijske osnove

Suspendirane čestice imaju površinski električni naboj, koji je pod snažnim uticajem površine adsorbirane vrste,^[8]na koju vanjsko električno polje usmjerrava elektrostatske Coulombove sile. Prema teoriji o dvoslojnosti, svi površinski naboji tečnosti su kontrolirani difuznim slojem iona, koji ima isto apsolutno punjenje, ali suprotnog predznaka u odnosu na površinski naboj. Električno polje također ispoljava sile na ione u difuznom sloju, koje imaju suprotni smjer od onog na površinski naboj. Ova potonja sila zapravo se ne primjenjuje na čestice, nego na ione u difuznom sloju, koji se nalaze na određenoj udaljenosti od površine čestica, a dio se prenosi sve do površine čestica, putem viskoznog stresa. Ovaj dio sile se također označava kao snaga elektroforetskog zaostajanja.

Kada se primjenjuje električno polje i kada se analiziraju naelektrisane čestice u stabilnom kretanje kroz difuzni sloj, ukupna rezultirajuća sila je nula:

F_{tot}=0=F_{el}+F_{f}+F_{ret}

S obzirom na otpor za kretanje čestica zbog viskoznosti disperzanta, u slučaju niskog Reynoldsovog broja i umjerene snage električnog polja E, brzina drifa dispergiranih čestica v je jednostavno proporcionalna primenjenom polju, što elektroforetsku mobilnost μ_e definira kao:

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

Najpoznatiju i naširoko korištenu teoriju elektroforeze razvio je Smoluchowski, 1903.^[9]

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

,

gdje je:

ε_r = dielektrična konstanta medija disperzije,
ε₀ = dielektrična konstanta slobodnog prostora
(C² N⁻¹ m⁻²), η = dinamična viskoznost disperzijskog medija (Pa s), i
ζ = zeta potencijal (odnosno elektrokinetički potencijal klizajuće površine u dvostrukom sloju).

Teorija Smoluchowskog je vrlo moćna, jer važi za dispergirane čestice bilo kojeg oblika, u bilo kojoj koncentraciji. Nažalost, ona ima ograničenja valjanosti, jer, naprimjer, činjenica je da ne uključuje Debeyevu dužinu κ^-1. Međutim, Debyeva dužina mora biti važna za elektroforezu, kao što se vidi na priloženoj slici. Povećanje debljine dvostrukog sloja (DL) dovodi do uklanjanja tačke zaostajanja snage dalje od površine čestice. Kada je DL deblji, mora biti.manja sila retardacije.

Detaljna teorijska analiza pokazala je da je teorija Smoluchowski važeća samo za dovoljno tanke DL, kada je radijus čestica a mnogo veći od Debeyeve dužine:

a\kappa \gg 1

.

Ovaj model "tankod dvostrukog sloja" nudi ogromne mogućnosti pojednostavljenja, ne samo za teoriju elektroforeze, već i za mnoge druge elektrokinetičke teorije. Ovaj model je važeći za većinu vodenih sistema, gdje je Debyeva dužina obično samo nekoliko nanometara. To ne vrijedi samo za nano-koloide u otopini sa ionskom jakosti blizu vode.

Teorija Smoluchowskog također zanemaruje doprinos površinske provodljivosti. U modernoj teoriji to se ispoljava kao uvjet malih Dukhinovog broja:

Du\ll 1

U nastojanju za proširenja opsega važenja elektroforetske teorije, uzet je u obzir suprotni asimptotski slučaj, kada je Debyeva dužina veća od radijusa čestice:

a\kappa <\!\,1

.

U ovim okolnostima, "debeli dvostruki sloj", Hückel^[10] predviđa slijedeće veze za elektroforetsku mobilnost:

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

.

Ovaj model je upotrebljiv za neke nanočestice i nepolarne tečnosti, gdje je Debyeva dužina mnogo veća nego u uobičajenim slučajevima.

Postoji nekoliko analitičkih teorija koje uključuju površinsku provodljivost i eliminiraju ograničenja malog Dukhinog broja, a pioniri su bili Overbeek^[11] i Booth.^[12] Moderne, rigorozne teorije vrijede za bilo koji zeta potencijal i često bilo koji aκ proizlaze uglavnom iz Dukhin-Semenikhinove teorije.^[13]

U ograničenju tankog dvostrukog sloja, ove teorije potvrđuju numeričko rješenje problema O'Briena i Whitea.^[14]

Također pogledajte

Reference

^ Lyklema, J. (1995). Fundamentals of Interface and Colloid Science. vol. 2. str. 3.208. |volume= sadrži dodatni tekst (pomoć)
^ Hunter, R.J. (1989). Foundations of Colloid Science. Oxfrd University Press.
^ Dukhin, S.S.; B.V. Derjaguin (1974). Electrokinetic Phenomena. J. Willey and Sons.
^ Russel, W.B.; D.A. Saville; W.R. Schowalter (1989). Colloidal Dispersions. Cambridge University Press.
^ Kruyt, H.R. (1952). Colloid Science. Volume 1, Irreversible systems. Elsevier. |volume= sadrži dodatni tekst (pomoć)
^ Dukhin, A.S.; P.J. Goetz (2002). Ultrasound for characterizing colloids. Elsevier.
^ Voet D., Voet J. G. (1990). Biochemistry, 3rd Ed. Wiley. ISBN 978-0-471-19350-0.
^ Hanaor, D.A.H.; Michelazzi, M.; Leonelli, C.; Sorrell, C.C. (2012). "The effects of carboxylic acids on the aqueous dispersion and electrophoretic deposition of ZrO₂". Journal of the European Ceramic Society. 32 (1): 235–244. doi:10.1016/j.jeurceramsoc.2011.08.015.
^ von Smoluchowski, M. (1903). "Contribution à la théorie de l'endosmose électrique et de quelques phénomènes corrélatifs". Bull. Int. Acad. Sci. Cracovie. 184.
^ Hückel, E. (1924). "Die kataphorese der kugel". Physik. Z. 25: 204.
^ Overbeek, J.Th.G (1943). "Theory of electrophoresis — The relaxation effect". Koll. Bith.: 287.
^ Booth, F. (1948). "Theory of Electrokinetic Effects". Nature. 161 (4081): 83–6. Bibcode:1948Natur.161...83B. doi:10.1038/161083a0. PMID 18898334.
^ R. E. Offord: Electrophoretic mobilities of peptides on paper and their use in the determination of amide groups. In: Nature. Band 211, Nummer 5049, August 1966, S. 591–593, PMID 5968723.
^ O'Brien, R.W.; L.R. White (1978). "Electrophoretic mobility of a spherical colloidal particle". J. Chem. Soc. Faraday Trans. 2 (74): 1607. doi:10.1039/F29787401607.

Dopunska literatura

Voet and Voet (1990). Biochemistry. John Wiley & Sons.
Jahn, G.C.; D.W. Hall; S.G. Zam (1986). "A comparison of the life cycles of two Amblyospora (Microspora: Amblyosporidae) in the mosquitoes Culex salinarius and Culex tarsalis Coquillett". J. Florida Anti-Mosquito Assoc. 57: 24–27.
Khattak, M.N.; R.C. Matthews (1993). "Genetic relatedness of Bordetella species as determined by macrorestriction digests resolved by pulsed-field gel electrophoresis". Int. J. Syst. Bacteriol. 43 (4): 659–64. doi:10.1099/00207713-43-4-659. PMID 8240949.
Barz, D.P.J.; P. Ehrhard (2005). "Model and verification of electrokinetic flow and transport in a micro-electrophoresis device". Lab Chip. 5 (9): 949–958. doi:10.1039/b503696h. PMID 16100579.
Shim, J.; P. Dutta; C.F. Ivory (2007). "Modeling and simulation of IEF in 2-D microgeometries". Electrophoresis. 28: 527–586.

Vanjski linkovi

Commons logo

Commons ima datoteke na temu: Elektroforeza

List of relative mobilities

[1] Lyklema, J. (1995). Fundamentals of Interface and Colloid Science. vol. 2. str. 3.208. |volume= sadrži dodatni tekst (pomoć)

[2] Hunter, R.J. (1989). Foundations of Colloid Science. Oxfrd University Press.

[3] Dukhin, S.S.; B.V. Derjaguin (1974). Electrokinetic Phenomena. J. Willey and Sons.

[4] Russel, W.B.; D.A. Saville; W.R. Schowalter (1989). Colloidal Dispersions. Cambridge University Press.

[5] Kruyt, H.R. (1952). Colloid Science. Volume 1, Irreversible systems. Elsevier. |volume= sadrži dodatni tekst (pomoć)

[6] Dukhin, A.S.; P.J. Goetz (2002). Ultrasound for characterizing colloids. Elsevier.

[Volet-Volet-7] Voet D., Voet J. G. (1990). Biochemistry, 3rd Ed. Wiley. ISBN 978-0-471-19350-0.

[8] Hanaor, D.A.H.; Michelazzi, M.; Leonelli, C.; Sorrell, C.C. (2012). "The effects of carboxylic acids on the aqueous dispersion and electrophoretic deposition of ZrO₂". Journal of the European Ceramic Society. 32 (1): 235–244. doi:10.1016/j.jeurceramsoc.2011.08.015.

[9] von Smoluchowski, M. (1903). "Contribution à la théorie de l'endosmose électrique et de quelques phénomènes corrélatifs". Bull. Int. Acad. Sci. Cracovie. 184.

[10] Hückel, E. (1924). "Die kataphorese der kugel". Physik. Z. 25: 204.

[11] Overbeek, J.Th.G (1943). "Theory of electrophoresis — The relaxation effect". Koll. Bith.: 287.

[12] Booth, F. (1948). "Theory of Electrokinetic Effects". Nature. 161 (4081): 83–6. Bibcode:1948Natur.161...83B. doi:10.1038/161083a0. PMID 18898334.

[13] R. E. Offord: Electrophoretic mobilities of peptides on paper and their use in the determination of amide groups. In: Nature. Band 211, Nummer 5049, August 1966, S. 591–593, PMID 5968723.

[14] O'Brien, R.W.; L.R. White (1978). "Electrophoretic mobility of a spherical colloidal particle". J. Chem. Soc. Faraday Trans. 2 (74): 1607. doi:10.1039/F29787401607.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]