Руководство по капиллярному электрофорезу. Руководство по капиллярному электрофорезу Москва 1996 год 1
 Скачать 1.48 Mb.
|
|
за счет разницы в подвижности, и который в настоящее время представляет собой наиболее распространенный метод, выделяют также капиллярный гель электрофорез (КГЭ) с капилляром, заполненным гелем. При этом на электрофоретическую миграцию молекул оказывает влияние матрица геля, и поэтому достигается селективное разделение молекул по размерам. Незаряженные молекулы можно разделять с помощью мицеллярной электрокинетической хроматографии (МЭКХ). В данном случае к буферу добавляется детергент, и нейтральные молекулы распределяются между буфером и мицеллами в соответствии с их гидрофобностью. Разделение основано на подвижности мицелл, заряженных в большинстве случаев отрицательно. Поскольку в основе разделения лежит процесс распределения, можно с полным основанием говорить о хроматографическом методе. При изоэлектрической фокусировке (ИЭФ) происходит разделение в градиенте рН, формируемом добавлением амфолита к 6уферу в электрическом поле. Небольшое распространение получила пока электрохроматография (ЭХ), при которой применяется стационарная среда ВЭЖХ, а течение эдюента и перенос пробы происходит только за счет электроосмотического потока. В качестве самой старой капиллярной техники следует упомянуть изотахофорез (ИТФ), который в настоящее время вновь приобрел значение для концентрирования проб в КЭ. Схематическое изображение аппаратуры КЭ представлено на рис. 1. Тонкий кварцевый капилляр (25-100 мкм) длиной от 20 до 100 см соединяет два буферных сосуда, между которыми приложено напряжение около 30 кВ. Сравнительно небольшое количество пробы (несколько нл) вводится на анодном конце капилляра. Это достигается подъемом или опусканием соответствующих буферных сосудов, созданием давления в сосуде для пробы, созданием вакуума в катодном буферном резервуаре или просто за счет электрофоретической миграции пробы в капилляр. Достоинства и недостатки разных способов ввода пробы подробно обсуждаются в разделе "Аппаратура". 8 Рис. 1. Схема аппаратуры КЭ. Разделение пробы достигается приложением напряжения к буферным сосудам. Возникающее в капилляре электрическое поле вызывает миграцию зоны пробы. На электрофоретическое перемещение всегда накладывается более или менее интенсивный электроосмотический поток (ЭОП), который способствует пассивному транспорту зоны пробы, а не ее разделению. Этот ЭОП сильно зависит от значений рН буфера и от свойств поверхности капилляра. Он может быть настолько большим, что будут двигаться не только нейтральные молекулы, но даже отрицательно заряженные ионы могут перемещаться к детектору, несмотря на их электрофоретическую миграцию. После того, как в большинстве буферов на поверхности кварцевых капилляров из-за диссоциации силанольных групп образуются отрицательные заряды, вблизи стенки индуцируются положительные заряды и электроосмотический поток направлен к катоду. Это обусловливает необходимость расположения детектора вблизи катодного пространства. ЭОП помогает переносить зоны проб к детектору настолько, что при достаточно больших значениях ЭОП к катоду могут переноситься даже анионы. Пример разделения катионных, анионных и нейтральных веществ посредством капиллярного зонного электрофореза (КЗЭ) приведен на рис. 2. При этих условиях все незаряженные молекулы перемещаются с одинаковой скоростью, равной скорости электроосмотического потока, и не могут быть разделены, в то время как разделение заряженных ионов возможно благодаря их различной электрофоретической подвижности. 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, рН 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) пара- гидроксибензойная кислота. 9 3. Эпектрофоретическое 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 µ связана со скоростью электрофоретического перемещения U м напряженностью поля Е соотношением: U= µ . 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 B , ускоряющая его: A B N E F z K ⋅ ⋅ = где F- константа Фарадея (96500 Кл/моль), z - эффективный заряд иона. Эта сила приблизительно равна силе трения К R , которая в соответствии с законом Стокса выражается уравнением: K R = 6 • π • η • r • U При этом η -динамическая вязкость [Па-с], r -cтоксовский радиус [см]. Скорость электрофоретического перемещения U тогда может выражаться как : A N r E F z U ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ = η π 6 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: U t L L E t L ges eff eff ⋅ ⋅ = ⋅ = µ 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). 10 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 ξ -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). 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. Рис. 4. Профиль ЭОП, обусловленный давлением (a), и идеальный профиль (b). Величина ЭОП может быть упрощенно описана с помощью так называемого уравнения Гельмгольца. η π ξ ε ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ = 4 E u Она пропорциональна диэлектрической проницаемости ε , напряженности приложенного поля Е и количеству зарядов на стенке капилляра или возникающему при этом ξ -потенциалу и обратно пропорциональна вязкости электролита η . 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 рН (рис. 5). Если же при добавлении катионных поверхностно- активных веществ (ПАВ) к разделительному буферу на поверхности капилляра адсорбируется положительный заряд (см. рис. 6), то ЭОП меняет направление и переносит разделительный буфер в направлении анода. Зависимость ЭОП в кварцевых капиллярах от значений рН и соответствующая воспроизводимость подвижности представлены на рис. 5. ЭОП проявляет при циклическом обмене буферов типичный эффект гистерезиса. Наибольшие отклонения наблюдаются в средней области рН при значениях, близких к значению рК кремневой кислоты. Благодаря увеличению времени кондиционирования в зависимости от изменений значений рН буфера удается несколько уменьшить это отклонение, и яв- ления гистирезиса уменьшаются. Для воспроизводимости работ с незагруженными капиллярами необходимо при обмене буферов стандартизовать время заполнения и кондиционирования с тем, чтобы можно было устранить явление гистерезиса ЭОП. подвижность [ x10 -4 см 2 /В*с] Рис. 5. Зависимость электроосмотического потока от рН. Условия: внутренний диаметр капилляра 75 мкм, L=40/47 см, буфер: фосфат 10 мМ, нейтральный маркер: бензиловый спирт; Е=425В/см. Как уже упоминалось, ЭОП уменьшается по мере возрастания ионной силы. При этом зависимость ЭОП от логарифма концентрации буфера носит линейный характер (рис. 7). ЭОП присутствует во всех электрофоретических методах разделения, так как никогда не удается полностью исключить возникновение поверхностных зарядов. Он может привести, с одной стороны, к концентрационному перемещению электрофоретических зон, однако, с другой стороны, играет существенную и иногда решающую роль при переносе зон через капилляр. Из-за постоянно существующего ЭОП при капиллярном электрофорезе детектор во всех случаях располагается в непосредственной близости от катода. Анионы сами переносятся к катоду, соответственно скорость их электрофоретического перемещения ниже, чем скорость ЭОП. Таким образом, ЭОП позволяет проводить разделение катионных и анионных соединений в одном анализе (сравни с рис. 2). При других методах капиллярного электрофореза (например, при мицеллярной электрохроматографии) ЭОП используется исключительно для переноса проб (частично незаряженных) к детектору. 12 Рис. 6. Адсорбция катионных ПАВ на стенке капилляра. Стенка капилляра Благодаря химической модификации поверхности капилляров, ЭОП может контролироваться, исключаться или даже обращаться. Определение значения ЭОП служит единственной возможностью определить изменения на поверхности капилляров, например, благодаря необратимой адсорбции компонентов пробы. Все другие методы характеристики поверхности капилляров исключаются при очень небольших поверхностях (1 см 2 ). Поверхностно-модифицированные капилляры не проявляют явле- ний гистерезиса при смене буферов и из-за незначительной адсорбции очень хорошо подходят для анализа белков (см. ниже). За счет добавления длинноцепочечных катионных детергентов, таких как, например, цетилметиламмониевые соли, которые адсорбируются на силанольмых группах поверхности, можно осуществить даже обращение ЭОП. При этом образуется двойной слой детергента, обращенный положительным зарядом в направлении электролита. При использовании капилляров с такими покрытиями удается осуществлять разделение быстро перемещающихся неорганических ионов. Таблица 1 дает представление о возможностях влияния на ЭОП. Рис 7. Концентрационная зависимость ЭОП. Условия: кружок - боратный буфер, квадрат - фосфатный буфер (в каждом случае рН 8.0). А: ЭОП в зависимости от ln концентрации буфера; В: ЭОП в зависимости от In ионной силы буфера. Двойной электрический слой катионных ПАВ 13 Таблица 1. Возможности влияния на ЭОП. Изменения в системе разделения Воздействие на ЭОП Примечание рН буфера ЭОП возрастает при уменьшении рН Может также влиять на заряд пробы Концентрация буфера ЭОП возрастает при уменьшении концентрации буфера Высокая концентрация обусловливает сильное течение, малая концентрация легко приводит к перегрузке Температура Изменяется вязкость ( 2 - 3%на1°С) Может также влиять на селективность Органические растворители Изменение ЭОП и вязкости Комплексное изменение буфера разделительной cистемы, в большинстве случаев с изменением селективности ПАВ как добавки к буферам или нейтральные гидрофобные полимеры Адсорбция на стенке ка- пилляра. Характерное изменение ЭОП Анионные ПАВ могут увеличить ЭОП, катионные ПАВ уменьшают или обращают ЭОП Динамические покрытия При образовании мицелл сильное изменение се- лективности Проблемы со стабильностью Ковалентные покрытия Влияют на ЭОП, уменьшают адсорбцию на стенках Проблемы со стабильностью Радиальное электрическое поле Изменение ЭОП Ограниченное распро- странение Изменение концентрации буфера представляется наиболее эффективной и простой возможностью влиять на ЭОП разделительной системы. Чтобы оценить действие концентрации буфера на разделение, было проведено разделение тест-смеси, содержащей ионы с различными отрицательными зарядами в боратном буфере с концентрацией от 5 мМ до 100 мМ как при постоянном токе, так и при постоянном напряжении. Результаты испытаний представлены на рис. 8 и 9. Благодаря этим измерениям было четко показано, что ЭОП увеличивается по мере уменьшения концентрации буфера и поэтому подходит для анализа сильно отрицательно заряженных, мигрирующих против ЭОП проб. При постоянном напряжении (10 кВ) и концентрации буфера 5 мМ бензолтрикарбоновая кислота еще может быть обнаружена, однако при том же самом времени анализа и концентрации буфера 50 мМ можно детектировать только бензойную кислоту При этом ток повышается с 10 до 130 мА. Аналогичное поведение можно наблюдать для веществ, подвергаемых разделению при постоянном токе (100 мА). Работая с буфером 10 мМ при 26 кВ, в течение 8 минут можно обнаружить все четыре тестовых вещества, в то время как в буфере 50 мМ удается детектировать только нейтральный маркер (бензиловый спирт). В этом буфере при 14 максимальной силе тока 100 мА можно достигнуть напряжения лишь в 5.5 кВ. Если пост- роить зависимость времени анализа от концентрации буфера, то можно отчетливо видеть параллельный ход кривых бензойной кислоты и бензилового спирта. Наивысшая скорость перемещения достигается при самой низкой концентрации буфера. Если рассчитать электрофоретическую подвижность бензойной кислоты, то она при различных концентрациях буфера остается постоянной, поэтому бензойная кислота может служить веществом-индикатором при качественном анализе. Для уменьшения времени анализа или для анализа многозарядных анионов необходимо работать с буферами низкой концентрации и при щелочных значениях рН. Этот эффект представлен на рис. 10. Рис. 8. Разделение тестовой смеси анионов при постоянном напряжении. Условия: прибор - Beckmaa Р/АСЕ 2000; капилляр -75 мкм, поле: 227 В/см; буфер - борат, рН 9.5; ввод пробы - давлением, 2 с.; детектирование - 214 им; проба - бензоловый спирт (1), бензойная кислота (2), фталевая кислота (3), 1,3,5- бензолтрикарбоновая кислота (4). Рис.9. Разделение тестовой смеси анионов при постоянном токе. Условия: прибор - Beckman Р/АСЕ 2000; капилляр - 75 мкм; поле - варьируется; буфер - борат, рН 9.5; ввод пробы - дав- лением, 2 с.; детектирование - 214 нм; проба - бензоловый спирт (1), бензойная кислота (2), фталевая кислота (3), 1,3,5- бензолтрикарбоновая кислота (4). |