Wie funktioniert die Kapillarelektrophorese?

Die Kapillarelektrophorese (CE) ist eine analytische Trennmethode, bei der die Komponenten eines Gemisches mit einem elektrischen Feld getrennt werden. Grundsätzlich handelt es sich um Elektrophorese in einer Kapillare, einem engen Rohr. Daher werden die Komponenten der Mischung aufgrund ihrer elektrophoretischen Mobilität getrennt. Die drei Faktoren, die die elektrophoretische Mobilität eines bestimmten Moleküls bestimmen, sind die Ladung des Moleküls, die Viskosität des Trennmediums und der Radius des Moleküls. Nur die Ionen werden durch das elektrische Feld beeinflusst, während die neutralen Spezies nicht beeinflusst werden. Die Geschwindigkeit eines Moleküls, das sich durch die Kapillare bewegt, hängt von der Stärke des elektrischen Feldes ab.

Wichtige Bereiche

1. Was ist Kapillarelektrophorese?
     - Definition, Instrumentierung, Methoden
2. Wie funktioniert die Kapillarelektrophorese?
     - Theorie der Kapillarelektrophorese

Schlüsselbegriffe: Kapillarelektrophorese (CE), kapillare elektrophoretische Trennmethoden, Kapillarrohr, Ladung, elektroosmotischer Fluss Elektrophoretische Mobilität

Was ist Kapillarelektrophorese?

Unter Kapillarelektrophorese versteht man ein analytisches Trennungsverfahren, bei dem die Komponenten eines Gemisches aufgrund ihrer elektrophoretischen Mobilität getrennt werden. In frühen Experimenten wurde ein mit Gelen oder Lösungen gefülltes U-Glasrohr verwendet. Kapillaren wurden nach den 1960er Jahren verwendet.

Instrumentierung

Die Kapillare besteht aus Quarzglas mit einem Innendurchmesser von 20-100 µm. Ein elektrisches Hochspannungsfeld wird an die Enden des Kapillarrohrs angelegt. Die Elektroden sind durch eine Elektrolytlösung oder einen wässrigen Puffer mit den Enden des Kapillarrohrs verbunden. Die Kapillare ist bei einem bestimmten pH-Wert mit einer leitfähigen Flüssigkeit gefüllt. Zusätzlich zu Detektoren und anderen Ausgabegeräten werden einige Instrumente zur Temperaturkontrolle des Systems verwendet, um reproduzierbare Ergebnisse sicherzustellen. Die Probe wird durch Injektion in die Kapillare eingeführt. Die Instrumentierung des Kapillarelektrophoresesystems ist in gezeigt Abbildung 1.

Abbildung 1: Kapillarelektrophorese - Instrumentierung

Methoden der kapillaren elektrophoretischen Trennung 

Es können sechs Arten von kapillarelektrophoretischen Trennverfahren identifiziert werden.

1. Kapillarzonenelektrophorese (CZE) - Als leitfähige Flüssigkeit wird eine freie Lösung verwendet.
2. Kapillargelelektrophorese (CGE) - Als leitfähige Flüssigkeit wird ein Gel verwendet.
3. Mizellare elektrokinetische Kapillarchromatographie (MEKC) - Die Komponenten einer Mischung werden durch Auftrennung zwischen Mizellen und dem Lösungsmittel / leitfähigen Fluid getrennt.
4. Kapillarelektrochromatographie (CEC) - Eine gepackte Säule wird in Ausnahme der leitfähigen Flüssigkeit verwendet. Eine mobile Flüssigkeit wird zusammen mit der zu trennenden Mischung über die Säule geleitet.
5. Kapillare isoelektrische Fokussierung (CIEF) - Hauptsächlich zur Trennung zwitterionischer Komponenten wie Peptide und Proteine, die sowohl positive als auch negative Ladungen enthalten. Eine leitfähige Flüssigkeit mit einem pH-Gradienten wird zur Trennung der Proteinlösung verwendet. Jedes Protein wandert in den Bereich mit seinem isoelektrischen Punkt innerhalb des pH-Gradienten. Am isoelektrischen Punkt wird die Nettoladung von Proteinen zu Null.
6. Kapillarisotachophorese (CITP) - Es ist ein diskontinuierliches System. Jede Komponente wandert in aufeinanderfolgenden Zonen, und die Menge der Komponente wird durch Messen der Länge der Migration ermittelt.

Wie funktioniert die Kapillarelektrophorese?

Im Allgemeinen beginnen sich die geladenen Arten in elektrischen Feldern zu bewegen. Ladung, Viskosität und Molekülradius sind die drei Faktoren, die die elektrophoretische Mobilität eines Moleküls in einem elektrischen Feld bestimmen.

1. Ladung - Kationen (positiv geladene Moleküle) bewegen sich zur Kathode (negative Elektrode), während Anionen (negativ geladene Moleküle) zur Anode (positive Elektrode) wandern..
2. Viskosität - Die Viskosität des Mediums ist der Bewegung der Moleküle entgegengesetzt und für ein bestimmtes Trennmedium konstant.
3. Radius von Ionen / Molekül - Die elektrophoretische Mobilität nimmt mit zunehmendem Radius des Moleküls ab.

Wenn also zwei Moleküle mit der gleichen Größe einer Elektrophorese unterzogen werden, wird sich das Molekül mit der größeren Ladung schneller bewegen. Die Wanderungsgeschwindigkeit der geladenen Spezies nimmt mit zunehmender Stärke des elektrischen Feldes zu. Der Mechanismus der Kapillarelektrophorese ist in gezeigt Figur 2.

Abbildung 2: Kapillarelektrophorese

Elektroosmotischer Fluss (EOF)

Der elektroosmotische Fluss erzeugt die mobile Phase der Kapillarelektrophorese. In den meisten Fällen ist das Kapillarmaterial Siliziumdioxid. Siliziumdioxid wird hydrolysiert und ergibt negativ geladenes SiO^- Ionen, wenn die Lösungen mit einem pH-Wert von mehr als 3 durch das Kapillarrohr geleitet werden. Dann trägt die Kapillarwand eine negativ geladene Schicht. Kationen der Lösung werden von diesen negativen Ladungen angezogen und bilden eine doppelte Kationenschicht auf den negativen Ladungen. Die innere Kationenschicht ist stabil, während sich die äußere Kationenschicht als Volumenstrom geladener Moleküle zur Kathode bewegt. Der Volumenstrom der Kationen tritt während der Kapillarelektrophorese in der Nähe der Kapillarwand auf. Der elektroosmotische Fluss in der Nähe der Kapillarwand ist in gezeigt Figur 3.

Abbildung 3: Elektroosmotischer Fluss

Der kleine Durchmesser der Kapillarwand trägt dazu bei, die Wirkung von EOF zu maximieren, wodurch er eine entscheidende Rolle bei der Bewegung geladener Spezies bei der Kapillarelektrophorese spielt. 

Fazit

Die Kapillarelektrophorese ist eine analytische Trennungsmethode, bei der die geladenen Spezies aufgrund ihrer elektrophoretischen Mobilität getrennt werden. Im Allgemeinen dienen die Größe und die Ladung der Moleküle als Faktoren für die Trennung.

Referenz:

1. "Kapillarelektrophorese". Chemie LibreTexts, Libretexts, 28. November 2017, verfügbar hier.

Bildhöflichkeit:

1. "Kapillarelektrophorese" von Apblum - (CC BY-SA 3.0) über Commons Wikimedia
2. "Kapillarelektrophorese" von Andreas Dahlin (CC BY 2.0) über Flickr
3. „Kapillarwand“ Von Apblum - englische Wikipedia (CC BY-SA 3.0) über Commons Wikimedia