Die Kapillarelektrophorese (CE) ist eine analytische Trennmethode, die ein elektrisches Feld verwendet, um die Komponenten einer Mischung zu trennen. Im Grunde handelt es sich um Elektrophorese in einer Kapillare, einem engen Röhrchen. Daher werden die Komponenten der Mischung basierend auf 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 unbeeinflusst bleiben. Die Geschwindigkeit eines Moleküls, das sich durch die Kapillare bewegt, hängt von der Stärke des elektrischen Feldes ab.

Abgedeckte Schlüsselbereiche

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

Schlüsselbegriffe: Kapillarelektrophorese (CE), kapillarelektrophoretische Trennmethoden, Kapillarröhrchen, Ladung, elektroosmotische Flusselektrophoresemobilität

Was ist Kapillarelektrophorese?

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

Instrumentierung

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

Abbildung 1: Kapillarelektrophorese – Instrumentierung

Methoden der kapillarelektrophoretischen 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 Bestandteile einer Mischung werden durch Aufteilung zwischen Micellen und dem Lösungsmittel/leitfähigen Fluid getrennt.
4. Kapillarelektrochromatographie (CEC) – Eine gepackte Säule wird in Ausnahme von der leitfähigen Flüssigkeit verwendet. Eine bewegliche Flüssigkeit wird zusammen mit dem zu trennenden Gemisch über die Säule geleitet.
5. Kapillare isoelektrische Fokussierung (CIEF) – Wird hauptsächlich verwendet, um zwitterionische Komponenten wie Peptide und Proteine ​​zu trennen, die sowohl positive als auch negative Ladungen enthalten. Zur Abtrennung der Proteinlösung wird eine leitfähige Flüssigkeit mit einem pH-Gradienten verwendet. Jedes Protein wandert zu dem Bereich mit seinem isoelektrischen Punkt innerhalb des pH-Gradienten. Am isoelektrischen Punkt wird die Nettoladung von Proteinen Null.
6. Kapillare Isotachophorese (CITP) – Es ist ein diskontinuierliches System. Jede Komponente wandert in aufeinanderfolgenden Zonen, und die Menge der Komponente wird durch Messen der Migrationslänge erhalten.

Wie funktioniert die Kapillarelektrophorese

Im Allgemeinen beginnen sich die geladenen Spezies 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 sich Anionen (negativ geladene Moleküle) zur Anode (positive Elektrode) bewegen.
2. Viskosität – Die Viskosität des Mediums ist der Bewegung von Molekülen 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 gleicher Größe einer Elektrophorese unterzogen werden, bewegt sich das Molekül mit der größeren Ladung schneller. Die Migrationsgeschwindigkeit der geladenen Spezies wird mit zunehmender Stärke des elektrischen Feldes erhöht. Der Mechanismus der Kapillarelektrophorese ist in Abbildung 2 dargestellt.

Abbildung 2: Kapillarelektrophorese

Elektroosmotischer Fluss (EOF)

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

Abbildung 3: Elektroosmotischer Fluss

Der kleine Durchmesser der Kapillarwand trägt zur Maximierung der Wirkung von EOF bei und hilft ihm, eine entscheidende Rolle bei der Bewegung geladener Spezies bei der Kapillarelektrophorese zu spielen.

Abschluss

Die Kapillarelektrophorese ist ein analytisches Trennverfahren, bei dem die geladenen Spezies basierend auf ihrer elektrophoretischen Mobilität getrennt werden. Als Faktoren für die Trennung dienen im Allgemeinen die Größe und die Ladung der Moleküle.

Referenz:

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

Bild mit freundlicher Genehmigung:

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