Grundlagen der elektrophoretischen Mobilität
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Grundlagen und Einflussfaktoren der elektrophoretischen Mobilität
Elektrophorese ist eine wichtige analytische Methode, die auf der Beweglichkeit von geladenen Molekülen in einem elektrischen Feld beruht. Die elektrophoretische Mobilität ist dabei ein Schlüsselkonzept, das eine zentrale Rolle in diesem Prozess spielt. Sie gibt an, wie schnell ein Molekül unter dem Einfluss eines elektrischen Feldes bewegt wird. Diese Geschwindigkeit hängt von mehreren Faktoren ab, die wir nun eingehend betrachten werden.
Definition der elektrophoretischen Mobilität
Die elektrophoretische Mobilität \(\mu\) beschreibt die Wanderungsgeschwindigkeit eines geladenen Partikels unter dem Einfluss eines elektrischen Feldes. Sie wird durch die Formel \(\mu = \frac{v}{E}\) definiert, wobei \(v\) die Wanderungsgeschwindigkeit und \(E\) die elektrische Feldstärke ist.
Faktoren, die die elektrophoretische Mobilität beeinflussen
Masse-zu-Ladungs-Verhältnis: Je größer die Ladung eines Teilchens im Vergleich zu seiner Masse ist, desto schneller wird es wandern. Dies liegt daran, dass die elektrostatische Kraft, die auf das Teilchen wirkt, direkt proportional zu seiner Ladung ist.
Ladungsdichte: Die Ladungsdichte, also das Verhältnis von Ladung zu hydrodynamischem Radius, beeinflusst ebenso die Mobilität. Teilchen mit höherer Ladungsdichte bewegen sich schneller, da eine höhere Ladung auf kleinerem Raum konzentriert ist.
Viskosität des Mediums: Höhere Viskosität des Mediums verlangsamt die Bewegung der Teilchen. Dies liegt daran, dass die Reibung, die die Teilchen überwinden müssen, mit der Viskosität zunimmt.
pH-Wert und isoelektrischer Punkt: Der pH-Wert kann die Ladung eines Moleküls stark beeinflussen, insbesondere in Beziehung zum isoelektrischen Punkt, dem pH-Wert, bei dem ein Molekül oder Protein keine Nettoladung besitzt. Bei einem pH-Wert, der sich vom isoelektrischen Punkt entfernt, erhöht sich die Ladung des Moleküls, was seine Mobilität beeinflusst.
Einfluss von Tensiden und Denaturierungsmitteln: Substanzen wie SDS (Natriumdodecylsulfat) binden an Proteine und verleihen ihnen eine negative Ladung, die unabhängig von der ursprünglichen Ladung des Proteins ist. Dies führt zu einer uniformen Ladungsdichte und ermöglicht die Trennung der Moleküle hauptsächlich aufgrund ihrer Masse.
Das IMPP fragt besonders gerne nach dem Einfluss des pH-Wertes auf die elektrophoretische Mobilität und den isoelektrischen Punkt eines Proteins.
Berechnung der elektrophoretischen Mobilität
Die elektrophoretische Mobilität eines Teilchens lässt sich mit der Formel \[\mu = \frac{z \cdot e}{6 \cdot \pi \cdot r \cdot \eta}\] berechnen, wobei:
- \(z\) die Zahl der Elementarladungen pro Teilchen,
- \(e\) die Elementarladung,
- \(r\) der Radius des Teilchens und
- \(\eta\) die Viskosität des Mediums ist.
Beispiele und praktische Anwendung
Ein interessantes Beispiel für die Auswirkung des pH-Werts auf die elektrophoretische Mobilität ist der Vergleich zwischen Dopamin und Levodopa. Bei einem sauren pH-Wert (z.B. pH 3) trägt Dopamin, aufgrund seiner geringeren Größe und damit höheren Ladungsdichte im Vergleich zu Levodopa, eine größere effektive Ladung und bewegt sich daher schneller. Bei einem alkalischen pH-Wert (z.B. pH 9) wird die Carboxylfunktion von Levodopa deprotoniert, was seine negative Ladung und somit seine elektrophoretische Mobilität erhöht, während Dopamin ungeladen bleibt und somit geringe bis keine elektrophoretische Mobilität zeigt.
Elektroosmotischer Fluss (EOF) und seine Bedeutung für die elektrophoretische Trennung
Der elektroosmotische Fluss (EOF) ist ein entscheidendes Phänomen in der Kapillarelektrophorese, das einen signifikanten Einfluss auf die Trennung von Substanzen hat. Um die Besonderheiten des EOF zu verstehen und daraus Nutzen für die elektrophoretischen Trennmethoden zu ziehen, müssen wir uns zunächst mit den Grundlagen beschäftigen.
Was ist der elektroosmotische Fluss?
Der EOF bezeichnet die Bewegung einer Flüssigkeit durch eine enge Kapillare oder einen Kanal, wenn ein elektrisches Feld angelegt wird. Dieses Phänomen ist besonders relevant in Glaskapillaren, wie sie in der Kapillarelektrophorese genutzt werden.
Wie entsteht der EOF?
An der Innenoberfläche der Glaskapillaren befinden sich Silanolgruppen, die bei bestimmten pH-Werten deprotoniert werden, was die Oberfläche negativ lädt. Diese negative Ladung zieht Kationen aus der Lösung an, die sich nahe der Kapillarwand ansammeln und eine positive Ladungsschicht bilden. Wird nun ein elektrisches Feld angelegt, bewegen sich diese Kationen zur Kathode und ziehen dabei die Flüssigkeit mit sich. Diese Flüssigkeitsbewegung bezeichnen wir als den elektroosmotischen Fluss.
Einflussfaktoren auf den EOF
Der EOF wird durch mehrere Faktoren beeinflusst:
Chemische Zusammensetzung der Kapillaroberfläche: Die Art und Menge der deprotonierbaren Gruppen auf der Kapillarwand bestimmen das Ausmaß der negativen Aufladung und damit die Stärke des EOF.
Zusätze im Medium: Die Anlagerung kationischer Polymere oder Tenside an die Kapillarwand kann entweder die Oberflächenladung maskieren oder verändern, was zu einer Modifikation des EOF führt.
Physikalische Eigenschaften des Mediums: Die Viskosität des Puffers beeinflusst ebenfalls den EOF. Entgegen einer intuitiven Annahme sinkt der EOF mit zunehmender Viskosität, da die Bewegung der Flüssigkeitssäule gehemmt wird.
Bedeutung des EOF bei der elektrophoretischen Trennung
Transport ungeladener Moleküle: Ungeladene Substanzen oder solche mit sehr geringer elektrophoretischer Mobilität können durch den EOF bewegt werden. Dies ermöglicht auch die Trennung ungeladener Substanzen und ist besonders vorteilhaft bei der Analyse komplexer Proben.
Trennmechanismus: Der EOF kann das Verhalten von Anionen und Kationen in der Kapillare beeinflussen. Kationen, die schneller als der EOF migrieren, und Anionen, die langsamer als der EOF migrieren, können anhand ihrer effektiven Mobilitäten getrennt werden.
Wahl des EOF-Markers: Für eine genaue Bestimmung des EOF ist es wichtig, einen geeigneten Marker zu wählen, der über einen weiten pH-Bereich ungeladen bleibt, um Bestimmungsfehler zu minimieren.
Umkehrung des EOF: Unter bestimmten Bedingungen kann durch Modifikation der Kapillaroberfläche oder durch Wahl bestimmter Elektrolytzusammensetzungen die Richtung des EOF umgekehrt werden, was die Trennungsstrategie maßgeblich beeinflussen kann.
Die Optimierung des elektroosmotischen Flusses bietet eine zusätzliche Steuerungsebene in der elektrophoretischen Trennung. Es ermöglicht die effektive Trennung und Analyse auch von ungeladenen Molekülen oder solchen, die sich in ihrer Ladung nicht signifikant unterscheiden.
Praktische Beispiele
Ein typisches Beispiel ist die Bewegung ungeladener Substanzen wie Zucker oder Alkohole in einer Kapillare. Durch den EOF können diese Substanzen entlang der Kapillare transportiert und am Detektor erfasst werden, obwohl sie unter normalen Umständen nicht durch ein elektrisches Feld bewegt würden.
Zusammenfassung
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Footnotes
Credits Überblick über die Einflussfaktoren auf die elektrophoretische Mobilität. Grafik: Eigene Arbeit.↩︎