главная > справочник > химическая энциклопедия:

Электромиграционные методы

Электромиграционные методы, методы исследования в растворах ионизир. веществ и разделения их сложных смесей; основаны на явлении переноса заряженных частиц в электрич. поле, приложенном к изучаемому р-ру (см. также Электрокинетические явления).

Осн. параметр, характеризующий перенос частиц,- подвижность и, т. е. расстояние l, накоторое вещество переместится под действием единицы градиента электрич. потенциала Е за единицу времени

Процессы, связанные с комплексообразованием, ассоциацией или пересольватацией ионов, а также с изменением состояния р-рителя, приводят к изменению заряда либо радиуса ионов, что оказывает влияние на их подвижность; на этом основано применение электромиграционных методов для исследования р-ций в растворах.

Неодинаковая подвижность мол. ионов и заряженных частиц разл. хим. природы позволяет использовать электромиграционные методы также для разделения смесей; в данном случае эти методы часто наз. электрофорезом.

Методы измерения подвижности заряженных частиц. Подвижность, или скорость миграции индивидуальных ионов, можно определять: 1) по изменению концентрации ионов исследуемого элемента в приэлектродном пространстве при электролизе. 2) путем смещения в электрич. поле узких зон изучаемых ионов; 3) с помощью подвижной границы между зонами (фронтальные методы, изотахофорез).

Исследование реакций в растворах. Информацию о равновесных процессах в растворе получают при изучении зависимости скорости миграции ионов исследуемого элемента от концентрации одного или неск. участвующих в реакции веществ. По этой зависимости можно выявлять состав продуктов реакции и определять константы равновесия.

В случае реакций комплексообразования изучаемый металл М может находиться одновременно в неск. ионных формах связи с лигандом А, между которыми устанавливается подвижное равновесие. В такой системе общее, или суммарное, перемещение в электрич. поле всех ионов, содержащих М и имеющих индивидуальные подвижности и_i, происходит с некоторой ср. скоростью и_с, характеризующей суммарный электромиграц. перенос металл. в единицу времени:

где i - число лигандов в комплексе; - доля металл., связанного в i-ую ионную форму; - полная константа устойчивости ионной формы; [М], [А] и [МА_i] - соотв. равновесные концентрации металл., лиганда и комплекса.

Кривая электромиграции (рис. 1), отражающая смещение подвижного равновесия между разл. ионными формами при изменении равновесной концентрации лиганда, устанавливает области существования: своб. ионов (I); координационно ненасыщенных форм (II); координационно насыщенных комплексных ионов (III).

Состав комплексных ионов можно определять неск. приемами: по эмпи-рич. зависимости между подвижностью ионов и величиной их заряда; из соотношения общей и равновесной концентраций лиганда, которое определяется по скорости электромиграции введенного в систему вспомогат. металла (по ур-нию 2); по соотношению между коэф. диффузии и подвижностью при одной и той же концентрации лиганда. Константы устойчивости ионных форм рассчитывают путем решения системы из п ур-ний вида (2), где п равно числу ионных форм.

Рис. 1. Зависимость средней скорости миграции металл. и_с от концентрации лиганда [А]: I, II, Ш - области осуществления соотв. своб. ионов металл., координационно ненасыщенных форм и координационно насыщенных комплексных ионов.

При исследовании хим. взаимодействий в р-ре важно сохранение постоянства состава фонового электролита. которое может нарушаться вследствие электродных реакций. Поэтому целесообразно использовать аппаратуру, предотвращающую проникновение продуктов электролиза в рабочую часть прибора. Если это условие выполнено, то электромиграционные методы дают достаточно правильные результаты благодаря тому, что отсутствует необходимость введения в изучаемую систему новых фаз - ионообменных смол, экстрагентов и т. п., вызывающих побочные равновесные процессы.

Помимо равновесий электромиграционные методы позволяют исследовать кинетику комплексообразования, используя явление дополнит. квазидиффузионного размывания под действием электрич. поля первоначально узкой зоны, содержащей разл. ионные формы с разными знаками заряда. Для достижения этого эффекта необходимо приложить поле такой напряженности, чтобы скорость электромиграц. переноса ионов превышала скорость протекания комплексообразования.

Для изучения кинетики реакций можно использовать также зонную электромиграцию ионов в неравновесном с ними электролите. В обоих случаях применение электромиграционных методов целесообразно при анализе процессов, скорость которых лежит в пограничной области между медленными и быстрыми реакциями.

Закономерности электромиграции ионов в расплавах солей исследованы в значительно меньшей степени, чем в водных р-рах. Обычная среда при проведении электромиграции в расплавленных солях - безводные расплавы нитратов и перхлоратов щелочных металл.в или эвтектич. смеси, имеющие сравнительно низкую температуру плавления.

Для электромиграции в расплавах характерны две осн. проблемы: сильное взаимод. ионов изучаемых металл.в и расплавленной соли; отсутствие электрически нейтрального растворителя, для которого можно измерить истинную скорость движения ионов. Поэтому обычно их подвижность определяют относительно прибора, в котором проводят электромиграцию. В этом случае данные о подвижности в расплавах смещены на неизвестную постоянную величину.

Разделение смесей. Различают след. методы электромиграц. разделения смесей: зонный электрофорез; фокусирующий ионный обмен; фронтальные методы; изотахофорез.

Зонный электрофорез чаще всего реализуют в среде пористого наполнителя, пропитанного раствором электролита. Разделяемая смесь должна быть первоначально сосредоточена в узкой зоне, имеющей относительно малые линейные размеры. Благодаря устранению конвективных потоков жидкости зоны исследуемых элементов по окончании опытов сохраняют достаточно четкие границы. В качестве наполнителей обычно используют хроматографич. и фильтровальную бумаги, порошки (напр., кварцевый песок), разл. гели (напр., крахмала). При проведении миграции в пористой среде возможно влияние дополнит. факторов адсорбции мигрирующих ионов на пов-сти среды, электроосмотич. потока жидкости, обусловленного поверхностным зарядом наполнителя, а также размытием зоны мигрирующего вещества.

В водных растворах сильных электролитов, не взаимод. с разделяемыми веществами, подвижности ионов мн. элементов из-за сильной гидратации имеют близкие значения, что делает разделение недостаточно эффективным. В растворах комплексообразующих веществ неодинаковая устойчивость комплексных ионов разделяемых элементов приводит к различию соотношения концентраций ионных форм и, следовательно, суммарных скоростей миграции элементов [см. ур-ние (2)]. Однако эти различия могут наблюдаться лишь в довольно узкой зоне концентраций лиганда или значений рН (рис. 2). Применяют неск. вариантов зонного электрофореза.

Рис. 2. Зависимость разности средних скоростей миграции La и Се от рН 0,01 %-ного раствора этилендиаминтетраукеуснойк-ты.

Электрофорез на бумаге осуществляется на листах (полосках) хроматографич. или фильтровальной бумаги, концы которой опущены в электродные камеры. Разделяемая смесь наносится на бумагу в виде пятна либо узкой зоны. По способу отведения теплоты, выделяющейся при прохождении через бумагу электрич. тока, используют приборы: с охлаждающими пластинами из изолирующих материалов; с охлаждающей несмешивающейся с водой орг. жидкостью (рис. 3), например керосином; с естеств. охлаждением бумаги на воздухе или во влажной камере.

Рис. 3. Схема прибора для электрофореза на бумаге: 1 - буферный электролит; 2 - электроды; 3 - кювета с охлаждающей орг. жидкостью; 4 - полоска хроматографич. бумаги; 5 - электролитич. мостик; 6 - водяная рубашка.

При разделении радиоактивных ионов пористой средой служат пленки ацетилцеллюлозы, обладающие однородной микропористой структурой.

Тонкослойный электрофорез. Электромиграцию проводят в слоях порошкообразных материалов (целлюлоза, ацетилцеллоза, А1₂О₃, кварцевый песок и др.).

Электрофорез в гелях- применяют гл. обр. для разделения высокомол. соед., например белков. Для этого обычно в виде блоков и колонок используют гели крахмала и полиакриламида. Адсорбция разделяемых в-в и электроосмос в этих материалах незначительны.

Капиллярный электрофорез- осуществляют в заполненных буферным раствором стеклянных или кварцевых капиллярах длиной 40-100 см и сечением 50-200 мкм. При напряженности электрич. поля 200-500 В/см разделение биол. объектов достигается за 1-2 мин.

Непрерывный электрофорез. Электрич. поле Е направлено под прямым углом к направлению движения жидкости, протекающей через пористую среду. Разделяемая смесь (напр., компонентов А и Б) подается узкой струей (рис. 4). Результирующая траектория движения заряженных частиц представляет собой прямую, тангенс угла наклона которой равен отношению скорости миграции частиц к скорости прохождения электролита. Стабилизирующими материалами могут служить указанные выше пористые среды.

Рис. 4. Схема непрерывного электрофореза.

Фокусирующий ионный обмен. Этот метод часто наз. электрофоретич. фокусировкой или просто электрофокусированием, связан с наложением градиента концентрации или рН раствора параллельно электрич. полю. Благодаря этому разделяемые ионы могут изменять величину и знак заряда по мере перемещения в поле градиента. При этом в фиксир. точках системы каждый компонент переходит в изоэлектрич. состояние, в котором ср. заряд частиц данного компонента равен нулю. Упомянутые точки являются местом концентрирования (фокусирования) отдельных компонентов смеси (рис. 5). Положение зон фокусирования определяется градиентом концентрации комплексообразующего реагента или рН раствора и константами устойчивости комплексных ионов разделяемых элементов. При разделении смеси белков или др. амфотерных соед. положение зон определяется значениями их изоэлектрич. точек.

Для создания градиента рН электродные камеры заполняются буферными растворами с разными значениями рН. Напр., для разделения редкоземельных элементов цериевой группы в 0,001 М растворе этилендиаминтетрауксусной к-ты рН должен изменяться по длине колонки от 1,7 у анода до 2,4 у катода.

В сер. 60-х гг. 20 в. было предложено создавать градиент рН с помощью амфолитов - смесей алифатич. полиаминокислот. Под влиянием электрич. поля амфолиты распределяются в соответствии со своими изоэлекгрич. точками и тем самым образуют градиент рН. Применение амфолитов позволяет добиться весьма высокой разрешающей способности метода: в некоторых случаях удается разделить белки, изоэлектрич. точки которых различаются на 0,02 единицы рН.

Рис. 5. Схема, поясняющая метод электрофокусирования: а - образование градиента концентрации лиганда [А]; б - распределение ионных форм мигранта; в - кон-центрирование лиганда в узкой зоне; с_м - концентрация мигранта.

Описанный метод, являясь самостоятельным, в то же время представляет собой вариант зонного электрофореза. Во всех модификациях последнего идентификацию и количеств. определение веществ в зонах можно проводить как непосредственно на носителе, так и после элюирования. В обоих случаях используют методы радиоактивных индикаторов, фотометрию в прямом и отраженном свете, люминесцентный анализ.

Фронтальные методы основаны на измерении скорости перемещения границы раздела растворов с разной плотностью. Классич. вариант метода был разработан в 1930 и с тех пор применяется для определения подвижности и разделения высокомол. веществ, в частности белков. В простейшей модификации метода в U-образную трубку помещают раствор белков, а над ним буферный электролит, в который погружены электроды. При наложении электрич. поля индивидуальные белки перемещаются с разл. скоростями, образуя серию границ. Их положение регистрируют оптич. методами по изменению коэф. преломления.

Изотахофорез. Осн. частью прибора служит капиллярная трубка с анодным и катодным резервуарами на концах. При анализе анионов анодное отделение и капилляр заполняют т. наз. лидирующим электролитом, содержащим анион с высокой подвижностью. Ср. скорость миграции анионов в этом электролите должна быть выше подвижности любого аниона в исследуемой смеси. Катодное отделение заполняют т. наз. замыкающим электролитом, анион которого имеет подвижность меньшую, чем подвижность любого др. аниона в смеси. Анализируемый образец, в котором нужно определить содержание анионов, вносят между предшествующим и замыкающим электролита.и. После подачи напряжения (5-10 кВ) при силе тока до 100 мкА по мере движения анионов к катоду постепенно образуются зоны индивидуальных анионов определенной длины, разделенные четкими границами, ширина которых составляет 0,2-0,3 мм при диаметре капилляра 0,1 мм. После этого все зоны будут перемещаться с одинаковой скоростью (отсюда назв. метода). Соотношение концентраций анионов в двух соседних зонах с₁ и с₂ в установившемся режиме будет определяться выражением Кольрауша:

с₁/с₂ = n₁/n₂, (4)

где n₁и n₂ - числа переноса.

При анализе катионов лидирующий электролит должен содержать катионы с высокой подвижностью, замыкающий -с миним. для данной системы скоростью миграции.

Кол-во вещества в зоне Q и ее длина l в капилляре постоянного сечения S связаны простым соотношением:

Q = ClS, (5)

где С - коэф. пропорциональности.

В установившеся режиме градиент потенциала при переходе от лидирующего к замыкающему электролита. скачкообразно возрастает в соответствии с подвижностью ионов, составляющих данную зону. Это приводит к температурным скачкам между зонами, регистрируя которые с помощью термопары можно определить расстояние между зонами и по выражению (5) найти кол-во в-ва в зоне.

Применение. Электромиграционные методы широко используют при анализе биол. образцов, получении чистых препаратов, для диагностики в медицине. В неорг. анализе электромиграционные методы применяют для разделения смесей радиоактивных элементов, а также в качестве метода физ.-хим. исследования.

Лит.: Троицкий Г. В., Электрофорез белков, Хар., 1962; Константинов Б.В., Ошуркова О. В., "Ж. технич. физики", 1966, т. 36, № 5, с. 942-57; Духин С. С, Дерягин Б. В., Электрофорез, М., 1976; Макарова Т. П., Степанов А. В., "Радиохимия", 1977, т. 19, № 2, с. 125-46; Степанов А.В., Корчемная Е. К., Электромиграционный метод в неорганическом анализе, М., 1979; Остерман Л. А., Исследование биологических макромолекул электрофокусированием, иммуноэлектрофорезом и радиоизотопными методами, М., 1983; Schumacher E., "Helv. Chim. Acta", 1957, v. 40, fasc. 1, p. 221-28; Shaw D. J., Electrophorcsis, L.-N. Y., 1969; Everaerts P.M., "J. Chromatogr.", 1972, v. 65, p. 3-17; Mason C., "Lab. Equip. Dig.", 1990, v. 1, p. 221.

© А. В. Степанов.