Интернет-журнал "Домашняя лаборатория", 2008 №3

Наряду с этой простейшей формой капиллярного электрофореза, существует множество его вариантов, которые будут обсуждаться в последующих разделах при рассмотрении наиболее типичных областей их применения

Рис. 2. Пример разделения нейтральных, положительно и отрицательно заряженных проб в одном опыте. Условия разделения: L=30/37 см; внутренний диаметр — 75 мкм; буфер — 33 мМ борат, pH 9.5; Е=350 В/см; детектирование УФ/214 им. (1) триметилфениламмонийбромид, (2) гистамин, (3) 4-аминопиридин, (4) бензиновый спирт, (5) фенол, (6) сирингальдегид, (7) 2-(парагидроксифенил) — уксусная кислота, (8) бензойная кислота, (9) ванилиновая кислота, (10) парагидроксибензойная кислота.

3. Электрофоретическое перемещение

Увеличивающееся напряжение и возрастающая при этом напряженность поля Е приводят к постоянному повышению скорости перемещения U (скорости электрофореза) и, вследствие этого, к более высокой скорости анализа. Электорофоретическая подвижность ионов ? связана со скоростью электрофоретического перемещения U м напряженностью поля Е соотношением:

U = ?•E=L_eff/t

Здесь L_eff – эффективная длина капилляра (от входа до детектора), t — время перемещения.

Эта формула может быть преобразована с учетом равновесия сил, действующих на перемещающийся ион.

На отдельный ион действует сила К_в, ускоряющая его:

K_B = z•F•E/N_A

где F — константа Фарадея (96500 Кл/моль), z — эффективный заряд иона.

Эта сила приблизительно равна силе трения K_R, которая в соответствии с законом Стокса выражается уравнением:

K_R = 6•?•?•r•U

При этом ? — динамическая вязкость [Па-с], r — стоксовский радиус [см]. Скорость электрофоретического перемещения U тогда может выражаться как:

U = z•F•E/ 6•?•?•r•N_A

Если затем накладывается напряжение (обычно от 10 кВ до 30 кВ) то происходит разделение за счет различной скорости перемещения пробы в разделительном буфере. При этом ионы перемещаются в электрическом поле со скоростью, которая может быть выражена следующим уравнением:

? = L_eff/t•E = L_eff•L_ges/t•U

При расчетах важно различать общую длину капилляра (L_ges) и эффективную длину капилляра от места ввода пробы до детектора (L_eff). так как электрическое поле уменьшается на протяжении общей длины капилляра, а молекулы мигрируют лишь в пределах эффективной длины капилляра. Поэтому данные о длине капилляров характеризуются отношением длин в см L_eff/L_ges.

Электрофоретическое разделение возможно лишь тогда, когда ионы различаются по их подвижности. Эффективный заряд представляет собой заряд иона за вычетом части заряда окружающего противоположно заряженного двойного электрического слоя. При перемещении ион притягивает эту часть двойного электрического слоя и передвигается из-за этого более медленно. Это явление называется электрофоретическим эффектом, который наиболее сильно проявляется в тонких диффузных двойных слоях вокруг ионов. Этот характеристический двойной электрический слой может быть рассчитан по теории Дебая-Хюккеля. Он обратно пропорционален корню квадратному из концентрации электролита. Отсюда следует, что эффективный заряд иона и, соответственно, скорость перемещения при увеличении ионной силы уменьшаются.

Для крупных частиц с радиусом большим, чем размер двойного электрического слоя, подвижность частиц близкого состава не зависит от их размеров, что затрудняет разделение больших молекул при электрофорезе, поскольку скорость перемещения молекул ДНК и белков, денатурированных ДДСН, в чистом растворителе идентична. Разделение достигается лишь тогда, когда миграция обусловлена молекулярно-ситовым эффектом (например, в гелях).

4. Электроосмотический поток (ЭОП)

В то время как электрофорез обусловливает разделение частиц с различной подвижностью, электроосмос определяет течение буферного раствора в электрическом поле.

В большинстве случаев при капиллярном электрофорезе на электрофоретическое перемещение ионов накладывается ЭОП. Этот поток зависит от распределения зарядов вблизи поверхности капилляра. Почти все поверхности несут на себе определенный заряд. В случае кварцевых капилляров — это отрицательные заряды, обусловленные диссоциацией силанольных групп. Этот поверхностный заряд локализуется в жидкости напротив соответстующих противоионов с противоположным зарядом. В таком двойном электрическом слое, схематически изображенном на рис. 3, преобладают положительные ионы, которые распределены между неподвижными и подвижными слоями.

Рис. 3. Разделение зарядов па поверхности кварца и образование ?-потенциала.

Если параллельно поверхности капилляра приложено электрическое поле, то оно притягивает противоионы из подвижного слоя вдоль оси и засасывает жидкость в капилляр. Поэтому в случае кварцевых капилляров электроосмотический поток направлен к катоду. Образуется очень плоский профиль потока. Это приводит к значительно меньшему уширению пиков, чем при гидродинамическом течении, при котором образуются сильно зависящие от радиуса капилляра и скорости течения параболические профили потока — профили Хагена-Пуазейля (рис. 4).

Рис. 4. Профиль ЭОП, обусловленный давлением (а), и идеальный профиль (Ь).

В капиллярах, загруженных стеклянными шариками или частицами силикагеля, ЭОП не должен зависеть от диаметра частиц, и направление потока в загруженном капилляре должно быть таким же, как и в пустом. При этом нет необходимости в применении очень маленьких частиц (с диаметром около 1 мкм или даже меньше) или длинных колонок, как при хроматографических методах. Поэтому метод ЭХ вызывает все возрастающий интерес, так как он сочетает селективность ВЭЖХ с высокой разделительной способностью КЭ. Благодаря применению непористых частиц можно исключить влияние диффузии в поры на уширение полос или пиков.

Величина ЭОП может быть упрощенно описана с помощью так называемого уравнения Гельмгольца.

u = ?•E•?/4•?•?

Она пропорциональна диэлектрической проницаемости ?, напряженности приложенного поля Е и количеству зарядов на стенке капилляра или возникающему при этом ?– потенциалу и обратно пропорциональна вязкости электролита ?. В кварцевых капиллярах ЭОП уменьшается при увеличении концентрации электролита и добавлении органических компонентов и возрастает с увеличением степени диссоциации поверхностных силанольных групп, что означает увеличение ЭОП с возрастанием значений pH (рис. 5).