Электрофорез представляет собой миграцию заряженных частиц (ионов, коллоидных частиц, макромолекул) под действием постоянного электрического поля в жидкой среде. Этот процесс основан на взаимодействии электрического поля с электрическим зарядом частицы и сопровождается разделением компонентов смеси по их подвижности, которая определяется как соотношение скорости движения частицы к напряженности поля.
Под действием электрического поля ион или частица испытывает силу F = qE, где q — заряд частицы, E — напряженность электрического поля. В вязкой среде движение ограничено силой сопротивления Fтр = 6πηrv (по закону Стокса для сферических частиц), где η — вязкость растворителя, r — радиус частицы, v — скорость движения. Установившееся движение достигается при равенстве сил:
qE = 6πηrv
Отсюда выражается скорость электрофореза:
$$ v = \frac{qE}{6 \pi \eta r} $$
Подвижность частицы μ определяется как отношение скорости к напряженности поля:
$$ \mu = \frac{v}{E} = \frac{q}{6 \pi \eta r} $$
Подвижность зависит от заряда, размера частицы и вязкости среды. В растворах с низкой ионной силой частицы проявляют высокую подвижность, тогда как при увеличении концентрации электролита подвижность уменьшается за счет экранирования зарядов.
Для макромолекул, таких как белки или полисахариды, электрофорез является методом их разделения по молекулярной массе и заряду. Заряд макромолекулы в растворе определяется протонированием или депротонированием функциональных групп, что сильно зависит от pH.
Коллоидные частицы движутся в электрическом поле, окруженные слоем адсорбированных ионов (двойной электрический слой). Электрофоретическая подвижность коллоида определяется не только зарядом частицы, но и толщиной диффузного слоя, которая зависит от концентрации электролита и диэлектрической проницаемости растворителя.
Важнейшие факторы, влияющие на скорость электрофореза:
Электроосмос — это движение жидкой среды через пористую структуру или капилляр под действием электрического поля. В пористых системах поверхности стенок обычно несут заряд, и на границе раздела образуется двойной электрический слой. Под действием поля подвижные ионы диффузного слоя перемещаются, увлекая с собой растворитель, создавая объемный поток жидкости.
Скорость электроосмотического потока veo описывается уравнением:
$$ v_{eo} = \frac{\varepsilon \zeta}{\eta} E $$
где ε — диэлектрическая проницаемость среды, ζ — ζ-потенциал поверхности, η — вязкость жидкости, E — напряженность электрического поля.
Электроосмос используется в микро- и нанофлюидных системах для перекачки жидкостей без механических насосов, а также в аналитической химии, например в капиллярном электрофорезе, где поток электроосмоса совместно с электрофоретическим движением обеспечивает эффективное разделение компонентов смеси.
В капиллярных системах направление потока электроосмоса может совпадать или противоположно направлению электрофоретического движения частиц. Эффективная скорость движения частицы определяется как сумма этих эффектов:
vэфф = vэлектрофорез + vэлектроосмос
Контроль над ζ-потенциалом поверхности капилляра и свойствами среды позволяет регулировать скорость и направление движения частиц, что обеспечивает высокую разрешающую способность методов разделения, применяемых в биохимии и аналитической химии.
Эти процессы основаны на фундаментальных законах взаимодействия электрического поля с заряженными частицами и обеспечивают точное разделение и транспортировку веществ в жидких системах.