Електрофорез

Електрофорез — це електрокінетичне явище спрямованого руху електрично заряджених частинок, іонів, макромолекул або колоїдних частинок у рідкому чи газоподібному середовищі під дією зовнішнього електричного поля. Це один із найважливіших методів фізичної хімії, біохімії, молекулярної біології, аналітичної хімії, медицини та промислових технологій. Електрофорез використовується для розділення, аналізу, очищення та ідентифікації різноманітних речовин — від неорганічних іонів до білків, нуклеїнових кислот і клітин.

Походження терміна

Термін «електрофорез» походить від грецьких слів:

electron — бурштин, електрика;
phoresis — перенесення, переміщення.

Буквально термін означає «переміщення під дією електрики».

Історія відкриття та розвитку

Явище електрофорезу було відкрито на початку XIX століття німецьким ученим балтійського походження Фердинандом Фрідріхом Рейссом під час досліджень електрокінетичних процесів. Перші експерименти продемонстрували, що дрібні частинки глини можуть переміщуватися у водному середовищі під впливом електричного струму.

Важливий етап розвитку методу пов’язаний із роботами шведського біохіміка Арне Тиселіуса, який у 1930-х роках створив апаратуру для розділення білків сироватки крові. Його дослідження заклали основи сучасного електрофоретичного аналізу та принесли йому Нобелівську премію з хімії у 1948 році.

Фізична сутність явища

Електрофорез ґрунтується на взаємодії електричного поля із зарядженими частинками.

Коли в середовище поміщають електроди та подають напругу:

позитивно заряджені частинки (катіони) рухаються до катода;
негативно заряджені частинки (аніони) рухаються до анода.

Швидкість переміщення залежить від:

величини електричного заряду частинки;
розміру та форми частинки;
молекулярної маси;
в’язкості середовища;
температури;
напруженості електричного поля;
кислотності середовища (рН).

Електрокінетичні явища

Електрофорез належить до групи електрокінетичних явищ, до яких також належать:

електроосмос;
потенціал протікання;
потенціал осідання;
електроакустичні ефекти.

Усі вони пов’язані з існуванням подвійного електричного шару на межі поділу фаз.

Основні характеристики електрофорезу

Електрофоретична рухливість

Електрофоретична рухливість характеризує швидкість переміщення частинки в електричному полі.

Вона залежить від:

заряду частинки;
радіуса частинки;
властивостей середовища.

Чим більший заряд і менший розмір частинки, тим швидше вона рухається.

Дзета-потенціал

Дзета-потенціал є характеристикою електричного заряду поверхні частинок і визначає стабільність колоїдних систем.

Його вимірювання широко використовується для:

контролю якості фармацевтичних препаратів;
оцінки стабільності емульсій;
дослідження наноматеріалів;
аналізу біологічних систем.

Види електрофорезу

Вільний (фронтальний) електрофорез

Найстаріший варіант методу.

Розділення відбувається без використання твердого носія. Частинки переміщуються безпосередньо в рідкому середовищі під дією електричного поля.

Зональний електрофорез

Розділення здійснюється на спеціальному носії.

Як носії використовують:

фільтрувальний папір;
ацетатцелюлозні мембрани;
агарозні гелі;
поліакриламідні гелі.

Під час руху речовини формують окремі зони або смуги.

Гель-електрофорез

Один із найпоширеніших методів у молекулярній біології.

Дозволяє розділяти:

ДНК;
РНК;
білки;
пептиди.

Гель виконує роль молекулярного сита, яке затримує великі молекули сильніше, ніж дрібні.

Агарозний електрофорез

Використовується переважно для аналізу:

фрагментів ДНК;
плазмід;
вірусних геномів;
продуктів полімеразної ланцюгової реакції.

Метод став стандартом у генетиці та біотехнології.

Поліакриламідний електрофорез

Застосовується для високоточного розділення:

білків;
ферментів;
пептидів;
нуклеїнових кислот невеликого розміру.

Забезпечує високу роздільну здатність.

SDS-електрофорез

Особливий різновид поліакриламідного електрофорезу.

Перед аналізом білки обробляють детергентом — додецилсульфатом натрію (SDS), що забезпечує однаковий питомий заряд білкових молекул.

У результаті розділення відбувається переважно за молекулярною масою.

Ізоелектричне фокусування

Метод розділення білків відповідно до їхньої ізоелектричної точки — значення рН, за якого сумарний заряд молекули дорівнює нулю.

Двовимірний електрофорез

Поєднує:

ізоелектричне фокусування;
SDS-електрофорез.

Є одним із найпотужніших методів протеоміки.

Капілярний електрофорез

Сучасний високоточний метод, у якому розділення відбувається всередині тонкого кварцового капіляра під дією високої напруги.

Переваги:

надзвичайно висока ефективність;
швидкість аналізу;
мала витрата реагентів;
автоматизація процесу.

Електрофорез у біохімії та молекулярній біології

Метод широко використовується для:

визначення молекулярної маси білків;
аналізу структури ДНК;
контролю продуктів ПЛР;
дослідження генетичних мутацій;
виявлення генетичних захворювань;
секвенування нуклеїнових кислот;
дослідження протеому.

Електрофорез у клінічній діагностиці

Клінічні лабораторії використовують електрофорез для аналізу:

білків плазми крові;
гемоглобіну;
ліпопротеїнів;
ферментів;
імуноглобулінів;
білків сечі та ліквору.

Метод допомагає діагностувати:

множинну мієлому;
моноклональні гамапатії;
імунодефіцитні стани;
захворювання печінки;
нефротичний синдром;
спадкові гемоглобінопатії.

Лікарський електрофорез

Лікарський електрофорез (іонофорез) — фізіотерапевтичний метод, за якого лікарські речовини вводяться через шкіру або слизові оболонки за допомогою постійного електричного струму.

Принцип дії

Іони лікарської речовини вводяться таким чином:

з анода вводяться позитивно заряджені частинки;
з катода — негативно заряджені.

Після проникнення в тканини утворюється депо препарату, що забезпечує тривалу дію.

Переваги

Безболісність процедури.
Місцева дія препарату.
Зменшення системного навантаження на організм.
Тривалий терапевтичний ефект.
Можливість використання малих доз ліків.

Протипоказання

злоякісні новоутворення;
гострі інфекційні процеси;
гарячка;
порушення цілісності шкіри;
індивідуальна непереносимість препарату;
наявність кардіостимулятора;
тяжкі порушення серцевого ритму.

Промислове застосування

Електрофорез широко застосовується в промисловості.

Електрофоретичне фарбування

Використовується для нанесення захисних покриттів на:

автомобільні кузови;
металеві конструкції;
побутову техніку;
трубопроводи.

Покриття утворюється рівномірно навіть у важкодоступних місцях.

Очищення повітря

Електрофоретичні принципи використовуються в електрофільтрах для уловлювання:

пилу;
диму;
аерозолів;
промислових забруднювачів.

Очищення води

Метод застосовують для видалення колоїдних домішок та зважених частинок із водних систем.

Використання в нанотехнологіях

Сучасні дослідження застосовують електрофорез для:

маніпулювання наночастинками;
створення наноструктур;
виробництва сенсорів;
виготовлення біочипів;
мікрофлюїдних систем;
біомедичних наноматеріалів.

Переваги методу

Висока точність розділення.
Відносна простота виконання.
Універсальність.
Невеликі витрати реагентів.
Можливість автоматизації.
Висока чутливість.
Широкий спектр застосувань.

Недоліки методу

Чутливість до зміни рН.
Необхідність ретельного контролю температури.
Можливість денатурації білків.
Потреба у спеціалізованому обладнанні.
Вплив домішок на результати аналізу.

Значення електрофорезу в сучасній науці

Електрофорез належить до фундаментальних методів дослідження речовини. Він став невід’ємною частиною сучасної біохімії, генетики, молекулярної біології, клінічної діагностики, фармацевтики та матеріалознавства. Саме завдяки електрофорезу стало можливим швидке дослідження генетичного матеріалу, аналіз білкових комплексів, діагностика численних захворювань та створення нових біотехнологічних продуктів.