Электрофорез - Electrophoresis

1. Иллюстрация электрофореза.

2. Иллюстрация замедления электрофореза.

Электрофорез (от греческого «ηλεκτροφόρηση» - «переносить электроны») - это движение диспергированных частиц относительно жидкости под действием пространственно однородного электрического поля . Электрофорез положительно заряженных частиц ( катионов ) иногда называют катафорезом , а электрофорез отрицательно заряженных частиц (анионов) иногда называют анафорезом .

Электрокинетическое явление электрофореза наблюдалось впервые в 1807 году российских профессорами Петр Иванович Страхи и Фердинанд Фредерик Ройс в Московском университете , который заметил , что применение постоянного поля вызвало электрические глинистые частицы , диспергированный в воде мигрировать. В конечном итоге это вызвано наличием заряженной границы раздела между поверхностью частицы и окружающей жидкостью. Это основа аналитических методов, используемых в химии для разделения молекул по размеру, заряду или сродству связывания.

Электрофорез используется в лабораториях для разделения макромолекул по размеру. В этом методе применяется отрицательный заряд, поэтому белки движутся к положительному заряду. Электрофорез широко используется в анализе ДНК , РНК и белков .

История

Теория

Взвешенные частицы имеют электрический поверхностный заряд , на который сильно влияют поверхностные адсорбированные частицы , 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 заряду поверхности. Электрическое поле также оказывает силовое воздействие на ион в диффузионном слое , который имеет направление , противоположное тому , действующие на заряде поверхности . Эта последняя сила на самом деле применяется не к частице, а к ионам в диффузном слое, расположенном на некотором расстоянии от поверхности частицы, и часть ее передается полностью на поверхность частицы за счет вязкого напряжения . Эта часть силы также называется силой электрофоретической задержки, или сокращенно ERF. Когда приложено электрическое поле и анализируемая заряженная частица находится в устойчивом движении через диффузный слой, общая результирующая сила равна нулю:

Принимая во внимание сопротивление на движущихся частиц из - за вязкости диспергатора, в случае низкого числа Рейнольдса и умеренной напряженности электрического поля Е , то скорость дрейфа дисперсной частицы V просто пропорциональна приложенному полю, которое выходит из электрофоретической подвижности μ e определяется как:

Наиболее известная и широко используемая теория электрофореза была разработана в 1903 году Смолуховским :

,

где ε г является диэлектрическая проницаемость в дисперсионной среде , е 0 является диэлектрическая проницаемость свободного пространства (C² Н -1  м -2 ), η является динамическая вязкость дисперсионной среды (Па · с) и ζ является дзета - потенциал (т.е. , то электрокинетический потенциал от скольжения плоскости в двойном слое , блоки мВ или V).

Теория Смолуховского очень мощная, потому что она работает для дисперсных частиц любой формы при любой концентрации . У него есть ограничения по сроку действия. Например, она не включает длину Дебая κ −1 (единицы м). Однако длина Дебая должна быть важна для электрофореза, как непосредственно следует из рисунка 2, «Иллюстрация задержки электрофореза» . Увеличение толщины двойного слоя (ДС) приводит к удалению точки задержки силы дальше от поверхности частицы. Чем толще DL, тем меньше должна быть сила торможения.

Детальный теоретический анализ показал, что теория Смолуховского справедлива только для достаточно тонкой ДЛ, когда радиус частицы a намного больше длины Дебая:

.

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

Теория Смолуховского также не учитывает вклады поверхностной проводимости . В современной теории это выражается как условие малого числа Духина :

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

.

При этом условии «толстого двойного слоя» Хюккель предсказал следующее соотношение для электрофоретической подвижности:

.

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 предложенное Овербеком. и Бут. Современные строгие теории, применимые для любого дзета-потенциала и часто любого aκ, в основном восходят к теории Духина – Семенихина.

В пределе тонкого двойного слоя эти теории подтверждают численное решение проблемы, предложенное О'Брайеном и Уайтом.

Смотрите также

использованная литература

дальнейшее чтение

внешние ссылки