Pytania 50-52

Strona 1 z 11

50.Warstwa podwójna Helmholza i warstwa dyfuzyjna Sterna.

Przy omawianiu oddziaływań wewnątrz cząsteczkowych i międzycząsteczkowych zwracaliśmy uwagę

na różne sposoby polaryzacji elektrycznej cząsteczek. Powierzchnie graniczne, istniejące w układach

biologicznych, np. błony otaczające komórki lub organele, traktowaliśmy jako nośniki ładunków elektrycznych.

Ładunki te przyciągają inne (np. jony). Dokoła takiej struktury, jak również wokół naładowanej lub

spolaryzowanej cząsteczki, tworzy się więc warstwa ładunków o znakach przeciwnych.

Obszar, w którym znajduje się warstwa ładunków pewnego znaku i warstwa ładunków znaku przeciwnego,

nazywamy elektryczną warstwą podwójną. Wprowadziliśmy pojęcie warstwy hydratacji jonów. Jest to

szczególny przypadek warstwy podwójnej.

Tego rodzaju warstwy wprowadził po raz pierwszy Helmholtz. Założył on po prostu, że naprzeciw stałej

warstwy ładunku struktury znajduje się uporządkowana warstwa ruchomych nośników ładunku. Warstwa taka,

zwana podwójną warstwą Helmholtza, ma określoną grubość.

Wprowadziliśmy pojęcie potencjału elektrycznego (

ψ)

W punkcie o współrzędnej r jest on równy

pracy, którą trzeba wykonać, aby przesunąć ładunek jednostkowy z nieskończoności do tego punktu

.

Potencjał jako funkcja r wywołany jest przestrzennym oddziaływaniem wszystkich nośników ładunku.

Przy tworzeniu się warstwy podwójnej następuje zmiana pierwotnego potencjału stałego ładunku warstwy

granicznej. (rysunek z wykładu) Pokazany jest przebieg funkcji

ψ

(r). Dla podwójnej warstwy Helmholtza funkcja

ψ

(r) jest liniowa. Taki układ warstw można bowiem traktować jako

kondensator płaski

, którego jedna płytka

jest powierzchnią graniczną struktury, a druga powierzchnią utworzoną przez stałe jony warstwy podwójnej.

Jak już wyjaśniliśmy natężenie pola w kierunku r określone jest w następujący sposób:



∆ψ

∆

Aby obliczyć

ψ

, należy podstawić w równaniu wartość

∆ψ

∆

zamiast E i scałkować otrzymane równanie

(całkowanie jest procesem odwrotnym' do różniczkowania). Zakładając, że żadna z wielkości znajdujących się
po prawej stronie tego równania nie jest funkcją odległości (również D!), otrzymamy:

ψ

 



·   

gdzie K jest stałą całkowania. Stała całkowania zniknie, gdy utworzymy różnicę potencjałów (

∆ψ

=

ψ

2

-

ψ

1

)

Funkcja

ψ

(r) jest więc istotnie funkcją liniową r.

Pytania 50-52

Strona 2 z 11

Okazało się, że w niektórych przypadkach hipoteza Helmholtza jest nieprawdziwa

.

Gdy Gouy i Chapman badali dyfuzyjną warstwę podwójną, którą pod pewnym względem można w

zasadzie przyrównać do atmosfery Ziemi. Za pomocą prawa rozkładu Boltzmana autorzy ci wyznaczyli rozkład

ruchomych nośników ładunku w różnych odległościach od powierzchni, o stałym ładunku, czyli na różnych

poziomach energetycznych.

Główna myśl podanej przez nich teorii jest następująca: ruchome nośniki ładunku dążą w zasadzie do

utworzenia podwójnej warstwy Helmholtza. Na przeszkodzie stają jednak ruchy cieplne. Efektem ich działania

byłby całkowicie równomierny rozkład ładunku. Struktura dyfuzyjnej warstwy podwójnej jest wypadkową obu

tych procesów.

Jak widać (rysunek z wykładu) potencjał nie jest w tym przypadku funkcją liniową r i sięga głębiej w

roztwór niż przy podwójnej warstwie Helmholtza.

Teoria dyfuzyjnej warstwy podwójnej jest zgodna z doświadczeniem dla roztworów o niewielkim

stężeniu. Przy większych stężeniach pojawiają się duże odstępstwa od tej teorii i dlatego trzeba było

wprowadzić dalszą jej modyfikację. Lepszą zgodność z doświadczeniem daje teoria warstwy podwójnej Sterna.

Stern połączył teorie Helmholtza i Gouy' -Chapmana założeniem, że jedna część ruchomych nośników

ładunku, zgodnie z teorią Helmholtza, tworzy warstwę znajdującą się naprzeciw ładunków ustalonych. Ładunek

tej warstwy nie jest jednak równy ilościowo stałemu ładunkowi powierzchni i wobec tego na większych nieco

odległościach od tej powierzchni istnieją chmury jonów związane z tą warstwą. Rozdział ruchomych nośników

ładunku na te dwie składowe części warstwy podwójnej Sterna zależy od stężenia jonów w roztworze.

Przy bardzo małym stężeniu wszystkie nośniki ładunku znajdują się w warstwie dyfuzyjnej. Wraz ze

wzrostem stężenia jonów warstwa Helmholtza jest coraz silniej obsadzana przez ruchome nośniki ładunku. Nie

możemy tu przedstawić ilościowo tego rozkładu ładunków. Potencjał, jest w tym przypadku bardziej skompliko-

waną funkcją r.

Można dokładnie określić zarówno grubość warstwy dyfuzyjnej, jak i grubość podwójnej warstwy Sterna.

Można również zdefiniować efektywną grubość tych warstw. Jest to taka grubość, która odpowiada odległości

płytek kondensatora o tej samej pojemności.

Zmiany potencjału warstwy podwójnej Sterna zależą w dużym stopniu od różnych chemicznych sił wiązania. W

pobliżu powierzchni może pojawić się nadwyżka jonów przeciwnego znaku wywołana absorpcją cząstek

spolaryzowanych, która w przypadku ekstremalnym może spowodować odwrócenie potencjału pola.

Istnienie warstw podwójnych należy brać. pod uwagę przy wszelkich rozważaniach molekularno-biologicznych.

Istnieniem tych warstw tłumaczymy fakt, że stężenie cząsteczek spolaryzowanych lub jonów na powierzchniach

granicznych jest inne w roztworze znajdującym się w spoczynku niż w roztworze, który np. zamieszamy. Fakt

ten ma szczególnie duże znaczenie przy obliczaniu strumieni lub potencjałów dyfuzyjnych w oparciu o różnice

stężeń między dwoma składnikami rozdzielonymi błoną. Istnienie warstw podwójnych należy również

uwzględniać przy badaniu przepływu na poziomie molekularnym.

Warstwy podwójne grają ważną rolę przy wyprowadzaniu zmiennych napięć elektrycznych z obiektów

biologicznych za pomocą elektrod. Elektryczna warstwa podwójna na katodzie metalicznej ma właściwości

kondensatora. Opór pojemnościowy takiego kondensatora i opór omowy tej warstwy granicznej stanowią

łącznie o wartości impedancji elektrody. Pojemność właściwa wypolerowanej powierzchni platynowej

zanurzonej w roztworze biologicznym, przy częstości 1 kHz wynosi około 20







. Istniejące na elektrodach

warstwy podwójne są poważnym źródłem błędów pomiarów fizjologicznych.

Pytania 50-52

Strona 3 z 11

51. Przewodnictwo wody (ruchliwość jonów, elektroforeza)

Ruchliwość jonów:

Ruchliwość nośników - w fizyce oraz chemii, wielkość wyrażająca związek między prędkością dryfu elektronów,

jonów lub innych nośników ładunku, i zewnętrznym polem elektrycznym. Zdefiniowana jest jako prędkość dryfu

nadawana przez jednostkowe pole elektryczne:

 





gdzie μ jest ruchliwością.

Najczęściej wyraża się ją w







.

Przepływ prądu przez elektrolit polega na wędrówce w polu elektrycznym jonów obydwu znaków,

które niosą ładunek dodatni w stronę katody zaś ujemny w stronę anody. Szybkość poruszania się jonów zależy
przede wszystkim od spadku potencjału elektrycznego przeliczonego na jednostkę odległości między
elektrodami (gradient potencjału), sił wzajemnego oddziaływania elektrycznego jonów, mas i średnic jonów,
stopnia ich solwatacji oraz od temperatury i lepkości cieczy

.

Ładunek elektryczny q przenoszony przez jony jednego rodzaju w danej objętości elektrolitu jest

proporcjonalny do liczby jonów w jednostce objętości (czyli stężenia c), ładunku jonu z oraz ruchliwości u
definiowanej jako prędkość jonu w polu o jednostkowym gradiencie potencjału, czyli:

i

i

u

z

c

k

q

i

i

⋅

⋅

⋅

=

gdzie: k - współczynnik proporcjonalności.

Całkowity ładunek elektryczny Q przenoszony przez wszystkie jony obecne w roztworze jest równy:

....

2

2

2

1

1

1

+

⋅

⋅

⋅

+

⋅

⋅

⋅

=

u

z

c

k

u

z

c

k

Q

i

i

u

z

c

k

Q

⋅

⋅

⋅

=

∑

1

Pytania 50-52

Strona 4 z 11

Współczynnik proporcjonalności k jest jednakowy dla wszystkich jonów. Część ładunku przenoszona przez jony
i

-tego rodzaju wynosi zatem:

i

i

i

i

i

i

i

u

z

c

u

z

c

Q

q

t

⋅

⋅

⋅

⋅

=

=

∑

1

Ułamek ten nazywany jest liczbą przenoszenia jonów danego rodzaju w danym elektrolicie i oznaczany
symbolem t.
Suma liczb przenoszenia wszystkich jonów obecnych w roztworze jest równa jedności. W najprostszym
przypadku, gdy w roztworze elektrolitu znajdują się kationy K

+

i aniony A¯ pochodzące z dysocjacji jednej tylko

substancji, odpowiednie liczby przenoszenia wynoszą:

−

−

−

+

+

+

+

+

+

+

⋅

⋅

+

⋅

⋅

⋅

⋅

=

A

A

A

K

K

K

K

K

K

K

u

z

c

u

z

c

u

z

c

t

oraz

−

−

−

+

+

+

−

−

−

−

⋅

⋅

+

⋅

⋅

⋅

⋅

=

A

A

A

K

K

K

A

A

A

A

u

z

c

u

z

c

u

z

c

t

Wartości iloczynów

+

+

⋅

K

K

z

c

i

−

−

⋅

A

A

z

c

dla tego typu elektrolitu są jednakowe, zatem:

−

+

+

+

+

=

A

K

K

K

u

u

u

t

oraz

−

+

−

−

+

=

A

K

A

A

u

u

u

t

1

=

−

+

+

A

t

K

t

Elektroforeza i elektroosmoza:

W odróżnieniu od roztworów prawdziwych, jakimi są np. wodne roztwory elektrolitów, często,

zwłaszcza w biologii, mamy do czynienia z roztworami koloidalnymi, tj. zawiesinami lub emulsjami, które

składają się z bardzo drobniutkich cząstek ciał stałych, ciekłych lub pęcherzyków gazowych (o średnicach od 0,1

do 100 nm) rozproszonych w ośrodku ciekłym. W takich ultra-mikro-nie-jednorodnych układach wyróżniamy

więc co najmniej dwie fazy: rozproszoną i rozpraszającą. Na powierzchni naładowanych cząstek fazy

rozproszonej adsorbują się jony jednego (przeciwnego) znaku w postaci ściśle przylegającej otoczki. Ładunki

samej cząstki i warstwa jonów przylegających tworzą elektryczną warstwę podwójną, wewnątrz której

potencjał ma przebieg liniowy. Nieco dalej od powierzchni cząstki jony tego samego znaku co jony

adsorbowane tworzą warstwę dyfuzyjną, czyli rozmytą, w której potencjał nie zmienia się już liniowo z

odległością. Wartość potencjału, jaka ustala się na granicy warstw podwójnej i rozmytej nazywa się

potencjałem elektrokinetycznym i oznacza się go literą dzeta

ζ.

Najczęściej określa się go po prostu

potencjałem

ζ

. Z istnieniem elektrycznej warstwy podwójnej i potencjałem

ζ

związane są tzw. zjawiska

elektrokinetyczne, do których należą:

elektroosmoza, elektroforeza, potencjał przepływu i efekt Dorna

.

Pytania 50-52

Strona 5 z 11

Elektroosmoza (endoosmoza). Jest to zjawisko elektrokinetyczne, polegające na przepływie cieczy przez

przegrodę porowatą pod wpływem przyłożonego napięcia do elektrod, zanurzonych w roztworze po obu

stronach przegrody

Gdy cząstki fazy stałej układu koloidowego lub elektrolitu zostaną zaadsorbowane na powierzchni

porów przegrody, lub na powierzchni kapilar tworzących przegrodę, to powstanie elektryczna warstwa

podwójna na granicy unieruchomionej fazy stałej i fazy ciekłej. Stan równowagi adsorpcyjnej ładunków na

powierzchni porów (kapilar) uwarunkowany jest, między innymi, przenikalnością elektryczną fazy

rozpraszającej. W przypadku cieczy o małych przenikalnościach, jak chloroform, benzen, dwusiarczek węgla,

elektroosmozy praktycznie nie obserwuje się. Duża przenikalność elektryczna wody sprawia, że w roztworach

wodnych zjawiska elektrokinetyczne występują najsilniej.

Przyłożone z zewnątrz pole elektryczne działa na różnoimiennie naładowane warstwy siłami

elektrycznymi o przeciwnych zwrotach. Ponieważ faza stała jest unieruchomiona, możliwość poruszania ma

jedynie faza ciekła, obdarzona ładunkiem przeciwnym. Siły elektryczne mogą wprawić w ruch jedynie fazę

ciekłą. Prędkość przepływu cieczy zależy od wartości przyłożonego napięcia i od wartości potencjału

ζ

.

Przepływowi cieczy przez przegrodę, z jednej części naczynia do drugiej, towarzyszy wzrost przeciwnie

skierowanego ciśnienia hydrostatycznego, jako wynik rosnącej różnicy poziomów cieczy

∆

h. Prędkość

przepływu będzie stopniowo maleć aż do zera, gdy ciśnienie elektroosmotyczne zostanie zrównoważone

ciśnieniem hydrostatycznym. Dla przegrody wykonanej z kapilar szklanych o promieniu r ciśnienie

elektroosmotyczne wyraża się wzorem

p =

2ζεU

πr



gdzie:

- przenikalność elektryczna cieczy,

U - przyłożone napięcie.

Z zależności tej wyznaczyć można doświadczalnie potencjał

ζ

. Dla większości układów wartość jego waha się w

granicach

50 mV. Znaczenie potencjału

ζ

w układach biologicznych, chociaż niedostatecznie jeszcze poznane, z

całą pewnością jest duże. Istnienie jego zapobiega np. aglutynacji krwinek czerwonych. Nie wykluczone, że

dzięki niemu, krwinki w naczyniach krwionośnych spychane są podczas ruchu ku osi naczynia dla zmniejszenia

oporów tarcia.

Elektroosmozie przypisuje się transport wody przez błony komórkowe. Zjawisko to, jak pokazały

badania Bowlinga, może być siłą napędową przy transporcie niektórych substancji w roślinach itp.

Elektroforeza. Polega na ruchu naładowanych cząstek fazy rozproszonej względem nieruchomego

ośrodka dyspersyjnego pod wpływem przyłożonego pola elektrycznego.

Gdy cząstki koloidalne naładowane są dodatnio, wędrują do katody (kataforeza), a naładowanie

ujemnie -- do anody (anaforeza).

Pytania 50-52

Strona 6 z 11

Elektroforeza pozwala na oznaczanie ładunku cząstek i wartości potencjału elektrokinetycznego. Ten

ostatni obliczamy ze wzoru

ζ=

η

Gdzie:

η−

lepkość

! "#$%&'(%)ść $($,-.#%' )ś)/' /-0"$0-1%$2)

u-ruchliwość cząstek

E- natężenie pola elektrycznego

k- współczynnik zależny od kształtu cząstek, dla cylindrycznych 4 dla kulistych 6

Elektroforetyczna ruchliwość większości cząstek pozaustrojowych wynosi około (2

34 · 10

67







. Cząstki

ustrojowe, np. białka, mają ruchliwości znacznie mniejsze i bardziej zróżnicowane. Ruchliwość

elektroforetyczna białek zależy silnie od pH fazy rozpraszającej.

Gdy znak ich ładunku elektrycznego ulegnie zmianie pod wpływem zmiany pH, zmienia się również

kierunek ruchu. Istnieje taka wartość pH, kiedy ruch białek nie występuje. Ruchliwość równa się zeru. Ważną

rzeczą jest przeto utrzymanie stałej wartości pH podczas elektroforezy. Osiąga się to stosując odpowiednie

bufory. Elektroforezę można obserwować pod mikroskopem, jako ruch pojedynczych cząstek, lub jako

przesuwanie się granicy między roztworem koloidowym i obojętnym elektrolitem, np. w zwykłej rurce w

kształcie litery U w tym celu do U-rurki nalewa się roztworu koloidowego, nad który do obu ramion rurki

dolewa się ostrożnie elektrolitu o nieco mniejszej gęstości i nie mieszającego się z roztworem koloidowym.

Przyłożenie napięcia do elektrod zanurzonych w elektrolicie powoduje, że granica zetknięcia koloidu z elektro-

litem przesuwa się.

Elektroforeza znajduje praktyczne zastosowanie w klinicznym badaniu składu białkowego surowicy krwi.

Surowica krwi zawiera pięć podstawowych frakcji białkowych, tj. albuminę i cztery frakcje globulin, których

cząsteczki wykazują dużą ruchliwość. Białka te można rozdzielić elektroforetycznie za pomocą najprostszej i często

stosowanej metody elektroforezy bibułowej. Na taśmę bibuły filtracyjnej B nanosi się z jednego końca kroplę K roztworu

surowicy krwi i rozciąga się ją w postaci wąskiego paska prostopadłego do brzegu bibuły. Bibułę uprzednio zwilża się

roztworem buforowym o odczynie alkalicznym, w którym cząsteczki białka ładują się ujemnie. Taśmę B tak przygotowanej

bibuły umieszcza się końcami w naczyniach N w tym samym roztworze buforowym i całość zamyka się w szczelnej komorze,

najlepiej szklanej. Elektrodami E zanurzonymi w roztworze doprowadza się stałe napięcie o wartości 500 do 700 V do

końców taśmy bibuły. W polu elektrycznym wytworzonym w bibule cząsteczki białek przesuwają się z różnymi

prędkościami, w kierunku anody. Po kilku godzinach elektroforezy bibułę suszy się i barwi. Pojawia się na niej szereg smug o

różnej intensywności zabarwienia, któro mierzy się fotometrycznie. Ze sporządzonego wykresu intensywności zabarwienia

w funkcji odległości od początkowego paska określić można stężenie białka w różnych frakcjach i ich wzajemne stosunki

ilościowe w surowicy krwi. Kształt wykresu zależy od stanu zdrowia badanego.

Potencjał przepływu jest zjawiskiem odwrotnym do elektroosmozy. Gdy. wymuszony zostanie, siłą

nieelektryczną, ruch cieczy przez przegrodę porowatą (lub kapilarną), to po obu jej stronach powstaje różnica

potencjałów, zwana potencjałem przepływu i jest ona proporcjonalna do prędkości cieczy.

Efekt Dorna lub potencjał sedymentacji. Jest to zjawisko odwrotne do elektroforezy, tzn. gdy cząstki koloidalne

opadają pod wpływem ciężkości lub podczas, wirowania, to między końcami kolumny czy probówki powstaje

różnica potencjałów.

Pytania 50-52

Strona 7 z 11

Z wikipedii:

Technika analityczna, rzadziej preparatywna, stosowana w chemii i biologii molekularnej, zwłaszcza w genetyce. Jej istotą

jest rozdzielenie mieszaniny związków chemicznych na możliwie jednorodne frakcje przez wymuszanie wędrówki ich

cząsteczek w polu elektrycznym.

Cząsteczki różnych substancji różnią się zwykle ruchliwością elektroforetyczną. Parametr ten jest w przybliżeniu wprost

proporcjonalny do ładunku elektrycznego cząsteczki i odwrotnie proporcjonalny do jej wielkości. Zależy także od kształtu

cząsteczki.

Istnieje wiele wariantów tej techniki. W zależności od ośrodka, w którym następuje rozdział wyróżnić można elektroforezę

bibułową (dziś już przestarzałą i praktycznie nie używaną), żelową i kapilarną.

Elektroforeza żelowa

W elektroforezie żelowej ośrodkiem w którym przemieszczają się badane substancje jest żel elektroforetyczny wykonany z

agarozy, poliakrylamidów, agaru lub skrobi (metoda historyczna), uformowany w płytkę długości kilkunastu - kilkudziesięciu

centymetrów i grubości od ułamka do kilku milimetrów (rzadziej jest to słupek - elektroforeza dyskowa). Kroplę

analizowanej mieszaniny nanosi się w zagłębienie w żelu - studzienkę. Próbka rozpuszczona jest z reguły w roztworze o

większej gęstości (np. w formamidzie), dzięki czemu rozpływa sie na dnie studzienki, a po włączeniu zasilania migruje do

żelu jako wąski prążek. W zależności od techniki, cały żel lub jego końce zanurzone są w przewodzącym prąd roztworze

buforowym. Wzdłuż krawędzi żelu, zwykle na dwóch przeciwległych bokach płytki, biegną, elektrody, do których przykłada

się stałe lub asymetryczne pulsujące napięcie elektryczne rzędu 50-3000 V. Ze względu na zróżnicowaną mobilność

elektroforetyczną, ruchliwsze (zazwyczaj mniejsze) cząsteczki w oddalają się szybciej od miejsca naniesienia próbki. Przebieg

elektroforezy można monitorować nanosząc (na osobnych ścieżkach lub razem z preparatem) specjalne barwniki (tzw.

markery) o znanej mobilności elektroforetycznej.

Fragment żelu poliakrylamidowego z oligonukleotydami analizowanymi w świetle UV. Elektroforeza przebiegała od góry ku

dołowi. Poszczególne ścieżki obrazują proces przyłączania barwnika fluorescencyjnego, co zmieniało mobilność oligomerów

i ich własności spektroskopowe.BP, XC - markery.Ścieżki A - C: absorpcja przy 254 nm;D: fluorescencja przy 366 nm

Fragment żelu poliakrylamidowego z oligonukleotydami analizowanymi w świetle UV. Elektroforeza przebiegała od góry ku

dołowi. Poszczególne ścieżki obrazują proces przyłączania barwnika fluorescencyjnego, co zmieniało mobilność oligomerów

i ich własności spektroskopowe.

BP, XC - markery.

Ścieżki A - C: absorpcja przy 254 nm;

D: fluorescencja przy 366 nm

Pytania 50-52

Strona 8 z 11

Po zakończeniu procesu żel wydobywa się z aparatu i analizuje przez wybarwienie bądź obserwację absorpcji światła

(zazwyczaj UV) przez żel. Wizualizację elektroforegramów preparatów znakowanych izotopowo uzyskuje się przez

zaczernienie kliszy fotograficznej (autoradiogram). W przypadku technik preparatywnych obszary żelu zawierające

pożądany produkt wycina się i poddaje procesowi elucji.

Elektroforeza jest najczęściej stosowana do rozdzielania DNA, RNA lub białek wyekstrahowanych z komórek lub

syntetycznych. Jest też czasami stosowana jako jedna z technik pomiaru masy cząsteczkowej i badania polidyspersji

polimerów syntetycznych. Jeśli badaczowi zależy na ograniczeniu wpływu kształtu cząsteczek na szybkość ich

elektroforetycznej wędrówki i na ściślejszym powiązaniu ich ruchliwości z masą cząsteczkową, to może badane substancje

poddać denaturacji, np. przy pomocy detergentu SDS (w przypadku białek) lub mocznika (w przypadku DNA lub białek).

Z poziomu molekularnego elektroforeza polega na ukierunkowanym przesuwaniu analizowanych cząsteczek przez prąd i ich

interakcji z fazą stałą żelu, która w tej cząsteczkowej skali wygląda jak przestrzenna sieć. Bardziej ruchliwe są mniejsze

cząsteczki bo łatwiej się przeciskają przez tą sieć, większe się opóźniają. Plusowy prąd uruchamia te które 'utknęły' po

drodze i daje lepszej jakości rozdział.

Przykładowe markery do elektroforezy

•

błękit bromofenolowy (BP)

•

cyjanol ksylenowy (XC)

•

oranż G.

Przykładowe substancje wybarwiające żel:

•

bromek etydyny

•

coomassie blue

•

srebro

•

stains-all

Elektroforeza kapilarna

Elektroforeza kapilarna (CE, od ang. Capillary Electrophoresis), zwana też elektroforezą w wolnym buforze służy najczęściej

do rozdziału niewielkich cząsteczek (podobnie jak HPLC). Metoda ta jest często stosowana w biologii molekularnej do

analizy DNA, znacznie rzadziej do rozdziału peptydów. Rozdział mieszanin prowadzony jest w cienkiej (wewn. średnica 25-

100 µm) i długiej (0.5-1 m) kapilarze kwarcowej, przypominającej z wyglądu światłowód. Kapilara ta wypełniana jest

buforem.

Próbka wprowadzana jest do wlotu kapilary, po czym jest do niej przykładane wysokie napięcie elektryczne (do 30 kV). U

wylotu kapilary zamontowany jest detektor, który rejestruje wychodzenie z rurki kolejnych związków chemicznych. Bufor

płynie przez kapilarę ze stałą szybkością w stronę jednej z elektrod. Dla układu wodnego jest to zwykle katoda.

Technika ta umożliwia rozdzielanie anionów i kationów soli organicznych i nieorganicznych.

Odmianą elektroforezy kapilarnej jest micelarna elektrokinetochromatografia (MEKC). W tej technice w buforze

rozdziałowym znajduje się rozpuszczony detergent jonowy (np. dodecylosiarczan sodu - SDS) w takim stężeniu, aby tworzyć

trwałą emulsję. Emulsja ta składa się z miceli, które są hydrofobowe wewnątrz i naładowane elektrycznie na swojej

powierzchni.

Micele te dzięki swemu ładunkowi poruszają się z inną prędkością niż reszta buforu, a w ich wnętrzach zamknięte są

cząsteczki związków chemicznych tworzących analizowaną mieszaninę. Pozwala to rozdzielać związki chemiczne, które nie

przyjmują ładunku elektrycznego nawet po przyłożeniu dużego napięcia. Metoda ta umożliwia rozdział i analizę niemal

wszystkich związków chemicznych rozpuszczalnych w wodzie.

Pytania 50-52

Strona 9 z 11

52.Potencjał przepływu.

Rozważaliśmy elektryczną warstwę podwójną utworzoną na powierzchniach granicznych jako wynik

działania elektrostatycznych sił przyciągania i fluktuacji termicznych. Nie uwzględniając fluktuacji

statystycznych, powierzchnię graniczną z taką warstwą podwójną możemy traktować jako konkretną, obojętną

elektrycznie strukturę układu. Sytuacja zmienia się jednak, gdy w układzie występują zakłócenia wywołane

przez siły wewnętrzne, np. podczas ruchu roztworu względem powierzchni granicznej lub pod działaniem

zewnętrznego pola elektrostatycznego. W tym przypadku nośniki ładunku części dyfuzyjnej podwójnej warstwy

Sterna zostają odrywane i ładunek znajdujący się na 'Powierzchni granicznej nie jest zrównoważony. Pomiędzy

powierzchnią graniczną i wnętrzem roztworu powstaje potencjał elektryczny, zwany potencjałem

elektrokinetycznym lub potencjałem

ζ

(dzeta). Dającym się zmierzyć efektem tego procesu są: potencjał

przepływu, elektroosmoza, elektroforeza i potencjał elektroforetyczny.

Potencjał przepływu pojawia się, gdy ciecz przepływa przez kapilarę, na której ściankach istnieje stały

ładunek. Jeśli ścianka naładowana jest np. ujemnie, to dodatnie jony roztworu przesuwają się w kierunku

warstw cieczy znajdujących się w pobliżu ścianek. Szybkość przepływu wody nie jest taka sama w całym

przekroju kapilary: w środku prędkość przepływu jest większa niż przy ściankach. Dlatego jony dodatnie,

znajdujące się w pobliżu ścianek, będą płynęły wolniej niż jony ujemne, znajdujące się w środkowej warstwie

kapilary.

Z tego właśnie powodu jony ujemne będą przechodziły przez kapilarę szybciej niż dodatnie. Jeśli pory

błony są kapilarami, to po jednej stronie błony nagromadzi się więcej jonów ujemnych niż po drugiej. W ten

sposób wytworzy się duży spadek potencjału elektrycznego. Potencjał ten działa silnie elektroforetycznie na

jony i wywołuje kompensujący prąd jonów. Podobnie, jak przy potencjale dyfuzyjnym, prąd kompensujący

działa tak, że ładunek znajdujący się po obu stronach błony makroskopowo jest taki sam. Jednakże ze względu

na opór elektryczny błony nie można nigdy osiągnąć takiego stanu równowagi i zawsze istnieje bardzo

niewielka różnica ładunków po obu stronach błony, której rezultatem jest potencjał

Potencjał przepływu

∆ψ

s

przy przewodnictwie właściwym błony

, stałej dielektrycznej D oraz różnicy ciśnień

∆

p po obu stronach błony wynosi:

∆ψ

8

=

!





ζ

∆π

η

σ

=





∆"η

η

σ



gdzie

ξ

oznacza potencjał elektrokinetyczny,

η

lepkość roztworu,

0

przenikalność

elektryczną próżni.



-przenikalność elektryczna ośrodka.

Pytania 50-52

Strona 10 z 11

Wzór ten jest jednak słuszny tylko wtedy, gdy promień porów jest duży w stosunku do efektywnej

grubości podwójnej warstwy Sterna. Pory większości błon biologicznych nie spełniają tego warunku. Przy tego

rodzaju kapilarnych porach przewodnictwo elektryczne jest funkcją odległości od ścian kapilary. Zmienia się

również wartość stałej dielektrycznej w pobliżu ścianek pod wpływem panującego tam silnego pola

elektrostatycznego (od 10

5

do 10

6

:

.;

). Przy wyznaczaniu potencjału przepływu możemy ominąć niektóre z tych

trudności, jeśli nie będziemy mierzyć bezpośrednio potencjału przepływu, lecz prąd ładunków powstały przy

przepływie rozpuszczalnika. Możemy tego dokonać za pomocą techniki prądów zwarcia, stosowanej często przy

pomiarze aktywnego transportu jonów przez błony biologiczne.

Przykładem badań osobliwych cech potencjału przepływu w błonach biologicznych o bardzo wąskich

porach są pomiary przeprowadzone na pęcherzyku żółciowym królika. Badania te rzuciły światło na właściwości

porów, przez które przepływa roztwór. Przy badaniu cienkich błon stosowano różnice ciśnień osmotycznych, a

nie hydrostatycznych.

W przeprowadzonym doświadczeniu błona pęcherzyka żółciowego rozdzielała dwa roztwory o tym

samym składzie elektrolitycznym, ale o różnej zawartości sacharozy. Gdy roztwór znajdujący się po stronie

błony śluzowej (mukoza) był hipertoniczny, to woda płynęła od strony błony surowiczej (seroza) do śluzowej.

Potencjał przepływu był wtedy dodatni po stronie błony śluzowej. Wskazywałoby to, że przez błonę przenika

więcej jonów dodatnich niż ujemnych. Mogłoby się wydawać, że jest to sprzeczne z teorią, która mówi, że

ściany tych porów są naładowane ujemnie, a więc jony ujemne płynące środkiem kanału powinny płynąć

szybciej niż kationy znajdujące się w pobliżu ścian.

Istotnie, ujemny ładunek ścian wpływa bezpośrednio na skład roztworu w porach. Ponieważ jednak

całość musi być elektrycznie obojętna, więc we wnętrzu kanału w roztworze elektrolitu występuje większe

stężenie kationów niż anionów o tyle, a ile wymaga tego konieczność skompensowania stałego ładunku ściany

kapilary. Przy wyjątkowo wąskich porach, o dużej względnej powierzchni ścianek gęstość stałego ładunku jest

tak duża, że równowaga jonów w roztworze jest silnie zakłócona. W porach, których ścianki naładowane są

ujemnie, stężenie. kationów jest o wiele większe niż anionów. Dlatego przy przepływie roztworu przez takie

pory przechodzi przez nie więcej kationów niż anionów, odpowiednio do różnicy stężeń. Jeśli potencjał

przepływu może być wywołany ruchem wody, to i odwrotnie potencjał elektrokinetyczny może wywołać

przepływ wody. Tego rodzaju zjawisko nazywa się -elektroosmozą. Nie wiemy jeszcze czy ma ono jakieś

znaczenie w procesach biologicznych, np. w transporcie wody. Badania Bowlinga wykazały np., że

elektroosmoza może być siłą napędową przy transporcie pewnych substancji w roślinach kwiatowych. Płytki

siatkowe tych roślin działają jak porowaty filtr posiadający na powierzchni pewien ładunek.

Bardzo pomocna w różnego rodzaju badaniach jest elektroforeza. Przez elektroforezę lub kataforezę

rozumiemy ruch naładowanych cząstek w polu elektrycznym. Badania elektroforetycznego ruchu

jednokomórkowców (bakterie, drożdże, pierwotniaki, erytrocyty) pozwoliły określić właściwości

powierzchniowe ich błon w różnych warunkach.

Załóżmy, że erytrocyty mają w przybliżeniu kształt kuli. Siła tarcia, powstała przy ich ruchu, określona

jest wtedy w przybliżeniu przez prawo Stokesa W rozważaniach podobnych do tych, które przeprowadziliśmy

przy wyznaczaniu promienia hydratacji można zastąpić tę siłę tarcia przy jednostajnym ruchu erytrocytów siłą

pola elektrycznego, która jest iloczynem natężenia pola i ładunku powierzchniowego. Traktując powierzchnię

erytrocytów jako kondensator kulisty możemy oszacować potencjał elektrokinetyczny bezpośrednio z ruchu

elektroforetycznego komórek, który możemy mierzyć bezpośrednio obserwując przy pomocy mikroskopu ruch

komórek w polu elektrycznym. Fritze otrzymał dla potencjału

ξ

erytrocytów krwi ludzkiej w roztworze o sile

jonów równej 0,024 wartość - 40 mV. Przez ekstrapolację do siły jonowej równej zero potencjał' zmienia się do

-79 mV. Siłą jonową roztworu nazywamy wyrażenie:

Pytania 50-52

Strona 11 z 11

1
2

<

.

&

#

&

2

%

&1

Błona komórkowa znajdująca się w obszarze obojętnym jest naładowana ujemnie w stosunku do

otoczenia przez spolaryzowane grupy swych cząsteczek. Potencjał elektrokinetyczny zależy w dużym stopniu od

stężenia elektrolitu i wartości pH roztworu oraz od obecności innych. cząsteczek w otoczeniu komórki. Długie

cząsteczki białka, np. fibrynogenu, mogą zmniejszać potencjał elektrokinetyczny na skutek pokrycia przez nie

powierzchni naładowanych błon. Potencjał t; erytrocytów zapobiega ich aglutynacji, ponieważ jednakowo

naładowane cząsteczki odpychają się.

Wspomniany poprzednio potencjał elektroforetyczny pozostaje w pewnym sensie w stosunku

odwrotnym do elektroforezy. Przy wymuszonym ruchu naładowanych elektrycznie cząstek, np. w polu

grawitacji, powstaje potencjał między cząsteczkami zawiesiny i ośrodkiem, w którym się one znajdują.