Електрофореза

Електрофорезата претставува движење на наелектризирани дисперзирани честички или растворени наелектризирани молекули во однос на флуид под влијание на просторно униформно електрично поле. Како по правило, овие цвитерјонски честички и молекули имаат или позитивен или негативен нето полнеж, кој често се карактеризира со зета потенцијал.
Електрофорезата се користи во лабораториите за одвојување на макромолекулите врз основа на нивните полнежи. Техниката обично применува негативен полнеж наречен катода, така што анјонските протеински молекули се движат кон позитивен полнеж наречен анода. Поради тоа, електрофорезата на позитивно наелектризирани честички или молекули (катјони) понекогаш се нарекува катафореза, додека електрофорезата на негативно наелектризирани честички или молекули (анјони) понекогаш се нарекува анафореза.
Електрофорезата претставува основа за аналитичките техники што се користат во биохемијата и молекуларната биологија за одделување на честички, молекули или јони по молекулска маса, полнеж, облик или афинитет за врзување, слободно или преку медиумска подлога користејќи еднонасочен проток на електричен полнеж. Се користи широко во анализата на ДНК, РНК и протеини.
Течната „електрофореза на капки“ е значително различна од класичната „електрофореза на честички“ поради карактеристиките на капките, како што се подвижниот површински полнеж и неригидноста на интерфејсот. Исто така, системот течност-течност, каде што постои интеракција помеѓу хидродинамичките и електрокинетичките сили во обете фази, додава на сложеноста на електрофоретското движење.
1 Теорија
Суспендираните честички имаат површински електричен полнеж, и се под силно влијание на површински адсорбираните видови, врз кои надворешното електрично поле наметнува електростатска Кулонов закон. Според теоријата за двоен слој, сите површински полнежи во флуидите се заштитени од дифузен слој на јони, кој има ист апсолутен полнеж, но спротивен знак во однос на површинскиот полнеж. Електричното поле, исто така, наметнува сила врз јоните во дифузниот слој, која има насока спротивна од онаа што дејствува на површинскиот полнеж. Оваа втора сила всушност не се применува на честичката, туку на јоните во дифузниот слој лоцирани на одредено растојание од површината на честичката, а дел од неа се пренесува до површината на честичката преку вискозен стрес. Овој дел од силата се нарекува и електрофоретска сила на ретардација, или скратено ERF. Во случаи кога се применува електричното поле и наелектризираната честичка што треба да се анализира е во постојано движење низ дифузниот слој, вкупната добиена сила е нула:
:<math> F_{\text{tot = 0 = F_{\text{el + F_{\mathrm{f + F_{\text{ret</math>
Земајќи го предвид отпорот на подвижните честички поради вискозитетот на дисперзaнтот, во случај кога има низок Рејнолдсов број и умерена јачина на електричното поле ''E'', брзината на наносот на дисперзирана честичка ''v'' е пропорционална на применетото поле, со што се добива електрофоретската подвижност μ <sub>e</sub> која се дефинира како::<math>\mu_e = {v \over E}.</math>
Најпознатата и најшироко користената теорија за електрофореза била развиена во 1903 година од Маријан Смолуховски::<math>\mu_e = \frac{\varepsilon_r\varepsilon_0\zeta}{\eta}</math>,
каде ε <sub>r</sub> ја претставува диелектричната константа на дисперзионата средина, ε <sub>0</sub> е диелектричната константа на слободниот простор(C<sup>2</sup>N<sup>−1</sup>m<sup>−2</sup>), η претставува динамичка вискозност на дисперзионата средина (Pas), а ζ е зета потенцијал (т.е. електрокинетичкиот потенцијал на лизгачката рамнина во двојниот слој, со единица mV или V).
Теоријата на Смолуховски е многу моќна бидејќи работи за дисперзирани честички од кој било облик при која било концентрација. Постојат ограничувања во нејзината валидност. На пример, не ја вклучува Дебајовата должина κ<sup>−1</sup> (единици m). Меѓутоа, Дебајовата должина дефинитивно е важна за електрофорезата, како што може да се види од Слика 2, „Илустрација на електрофореза на ретардација“. Зголемувањето на дебелината на двојниот слој (DL) води до отстранување на точката на силата на ретардација подалеку од површината на честичката. Колку е подебел DL, толку мора да биде помала силата на ретардација.
Деталната теоретска анализа покажала дека теоријата на Смолуховски е валидна само за доволно тенка DL, кога радиусот на честичката ''a'' е многу поголем од Дебајовата должина:
:<math> a \kappa \gg 1</math>.
Овој модел на „тенок двослој“ нуди огромни поедноставувања, не само за теоријата на електрофореза, туку и за многу други електрокинетички теории. Овој модел е валиден за повеќето водени системи, каде што Дебајовата должина обично е само неколку нанометри. Тој е неважечки само за наноколоидите во раствор со јонска јачина блиска до таа на водата.
Теоријата на Смолуховски, исто така, ги занемарува придонесите од површинската спроводливост. Ова е изразено во модерната теорија како услов за мал Духинов број:
:<math> Du \ll 1 </math>
Во обид да се прошири опсегот на валидност на електрофоретските теории, бил разгледан спротивниот асимптотски случај, кога Дебајовата должина е поголема од радиусот на честичката:
:<math> a \kappa < \!\, 1</math>.
Под овој услов на „дебел двоен слој“, Ерих Хикел ја предвидел следната релација за електрофоретската подвижност:
:<math>\mu_e = \frac{2\varepsilon_r\varepsilon_0\zeta}{3\eta}</math>.
Овој модел може да биде корисен за некои наночестички и неполарни флуиди, каде што Дебајевата должина е многу поголема отколку во вообичаените случаи.
Постојат неколку аналитички теории кои ја вклучуваат површинската спроводливост и го елиминираат ограничувањето на малиот Духинов број, воведени од Теодор Овербик и Ф. Бут. Модерните, ригорозни теории валидни за секој Зета потенцијал и често за секој ''aκ'' произлегуваат главно од Духинов-Семенихиновата теорија.
Во границата на ''тенок двоен слој'', овие теории го потврдуваат нумеричкото решение на проблемот што го дале Ричард В.О'Брајан и Ли Р. Вајт.
За моделирањето на посложени сценарија, овие поедноставувања стануваат неточни, а електричното поле мора да се моделира просторно, следејќи ја неговата големина и насока. Пуасоновата равенка може да се користи за моделирање на ова просторно променливо електрично поле. Неговото влијание врз протокот на флуид може да се моделира со Стоуксовиот закон, додека транспортот на различни јони може да се моделира со користење на Нернст-Планковата равенка. Овој комбиниран пристап се нарекува Пуасон-Нернст-Планк-Стоуксови равенки. Тој е проверен за електрофореза на честички.