Elektroforetický rozptyl světla - Electrophoretic light scattering

tento článek potřebuje další citace pro ověření. Prosím pomozte vylepšit tento článek podle přidávání citací ke spolehlivým zdrojům. Zdroj bez zdroje může být napaden a odstraněn. Najít zdroje: „Elektroforetický rozptyl světla“  – zprávy  · noviny  · knihy  · učenec  · JSTOR (Září 2017) (Zjistěte, jak a kdy odstranit tuto zprávu šablony)

Elektroforetický rozptyl světla (také známý jako laserová Dopplerova elektroforéza nebo fázová analýza rozptyl světla ) je založeno na dynamický rozptyl světla. The frekvence posun nebo fáze posun incidentu laser paprsek závisí na rozptýlené částice mobilita. V případě dynamický rozptyl světla„Brownův pohyb způsobuje pohyb částic. V případě elektroforetický rozptyl světla, oscilační elektrické pole provádí stejnou funkci.

Tato metoda se používá pro měření elektroforetická mobilita a pak vypočítat zeta potenciál. Nástroje pro aplikaci metody jsou komerčně dostupné od několika výrobců. Poslední sada výpočtů vyžaduje informace o viskozita a dielektrická permitivita z disperzní médium. Odpovídající elektroforéza je také požadována teorie. Ředění vzorku je často nutné, aby se zabránilo vícenásobnému rozptylu dopadajícího laserového paprsku a / nebo interakcí částic.

Přístrojové vybavení elektroforetickým rozptylem světla

Obr. Komerční heterodynní optický systém elektroforetického rozptylu světla s modulátorem (z odkazu 11).

Laserový paprsek prochází elektroforézním článkem, ozařuje v něm rozptýlené částice a je částicemi rozptýlen. Rozptýlené světlo je detekováno fotonásobičem po průchodu dvěma dírkami. Existují dva typy optických systémů: heterodynní a třásně. Ware a Flygare ^[1] vyvinul přístroj ELS heterodynního typu, který byl prvním nástrojem tohoto typu. V nástroji ELS s okrajovou optikou^[2] laserový paprsek je rozdělen na dva paprsky. Ty procházejí uvnitř elektrofresní buňky v pevném úhlu a vytvářejí okrajový vzor. Rozptýlené světlo z částic, které migruje uvnitř třásně, je modulováno intenzitou. Frekvenční posuny z obou typů optiky se řídí stejnými rovnicemi. Pozorovaná spektra se navzájem podobají. Oka et al. vyvinul nástroj ELS optiky heterodynového typu^[3] který je nyní komerčně dostupný. Jeho optika je znázorněna na obr.

Pokud jsou frekvence protínajících se laserových paprsků stejné, není možné vyřešit směr pohybu migrujících částic. Místo toho lze určit pouze velikost rychlosti (tj. Rychlost). Znaménko potenciálu zeta tedy nelze určit. Toto omezení lze překonat posunutím frekvence jednoho z paprsků vzhledem k druhému. Takové posunutí lze označit jako frekvenční modulace nebo, více řečeno, pouze modulace. Modulátory používané v ELS mohou zahrnovat piezoelektrická zrcadla nebo akustooptické modulátory. Toto modulační schéma je využíváno také metodou heterodynního rozptylu světla.

Heterodynový rozptyl světla

Frekvence světla rozptýleného částicemi podstupujícími elektroforézu se posune o míru Dopplerova jevu, ${displaystyle upsilon _ {D},}$ z toho dopadajícího světla:${displaystyle upsilon,}$ Posun lze detekovat pomocí heterodynové optiky, ve které je rozptýlené světlo smícháno s referenčním světlem. Autokorelační funkce intenzity smíšeného světla, ${displaystyle g (au),}$, lze přibližně popsat následující funkcí tlumeného kosinu [7].

${displaystyle g (au) = A + Bexp (-Gamma au) cos (2pi upsilon _ {o}) + Cexp (-2Gamma au), qquad (1)}$

kde ${displaystyle Gamma,}$ je rozpadová konstanta a A, B a C jsou kladné konstanty závislé na optickém systému.

Tlumicí frekvence ${displaystyle upsilon _ {o},}$ je pozorovaná frekvence a je frekvenční rozdíl mezi rozptýleným a referenčním světlem.

${displaystyle upsilon _ {o} = | upsilon _ {s} -upsilon _ {r} | = | (upsilon _ {i} + upsilon _ {D}) - (upsilon _ {i} + upsilon _ {M}) | qquad (2)}$

kde ${displaystyle upsilon _ {s},}$ je frekvence rozptýleného světla, ${displaystyle upsilon _ {r},}$ frekvence referenčního světla,${displaystyle upsilon _ {i},}$ - frekvenci dopadajícího světla (laserové světlo) a - ${displaystyle upsilon _ {M},}$ modulační frekvence.

Výkonové spektrum smíšeného světla, jmenovitě Fourierova transformace ${displaystyle g (au),}$, dává pár Lorenzových funkcí na ${displaystyle pm Delta upsilon,}$ s poloviční šířkou ${displaystyle Gamma / 2pi,}$ na polovičním maximu.

Kromě těchto dvou dává poslední člen v rovnici (1) další Lorenzovu funkci v${displaystyle upsilon = 0,}$

Dopplerův posun frekvence a rozpadová konstanta jsou závislé na geometrii optického systému a jsou vyjádřeny příslušnými rovnicemi.

${displaystyle upsilon _ {D} = {frac {Vq} {2pi}} qquad (3)}$

a

${displaystyle Gamma = D | q | ^ {2} qquad (4)}$

kde ${displaystyle V,}$ je rychlost částic, ${displaystyle q,}$ je amplituda vektoru rozptylu a ${displaystyle D,}$ je translační difúzní konstanta částic.

Amplituda rozptylového vektoru ${displaystyle q,}$ je dáno rovnicí

${displaystyle | q | = {frac {4pi n} {lambda _ {0}}} zbývající hřích ({frac {heta} {2}} ight) qquad (5)}$

Protože rychlost ${displaystyle V,}$ je úměrná použitému elektrickému poli, ${displaystyle E,}$, zdánlivá elektroforetická mobilita ${displaystyle mu _ {obs},}$ je definováno rovnicí

${displaystyle {vec {V}} = mu _ {obs} {vec {E}} qquad (6)}$

Nakonec je vztah mezi Dopplerovou frekvencí posunu a pohyblivostí dán pro případ optické konfigurace na obr. 3 rovnicí

${displaystyle upsilon _ {D} = mu _ {obs} {frac {nE} {lambda _ {0}}} sin heta qquad (7)}$

kde ${displaystyle E,}$ je síla elektrického pole, ${displaystyle n,}$ index lomu média, ${displaystyle lambda _ {0},}$vlnová délka dopadajícího světla ve vakuu a ${displaystyle heta,}$ úhel rozptylu. Znamení ${displaystyle v_ {D},}$ je výsledkem vektorového výpočtu a závisí na geometrii optiky.

Spektrální frekvenci lze získat podle rovnice. (2). Kdy ${displaystyle | upsilon _ {M} |> | upsilon _ {D} |,}$, Ekv. (2) je upraven a vyjádřen jako

${displaystyle upsilon _ {p} = upsilon _ {o} = pm (upsilon _ {D} - | upsilon _ {M} |) qquad (8)}$

Modulační frekvence ${displaystyle upsilon _ {M},}$ lze získat jako tlumicí frekvenci bez použití elektrického pole.

Průměr částic se získá za předpokladu, že částice jsou sférické. Tomu se říká hydrodynamický průměr, ${displaystyle d_ {H},}$ .

${displaystyle d_ {H} = {frac {k_ {B} T} {3pi eta D}} qquad (10)}$

kde ${displaystyle k_ {B},}$ je Boltzmannův koeficient, ${displaystyle T,}$ je absolutní teplota a ${displaystyle eta,}$ the dynamická viskozita okolní tekutiny.

Profil elektroosmotického toku

Obrázek 4 ukazuje dva příklady heterodynových autokorelačních funkcí rozptýleného světla z roztoku polystyrensulfátu sodného (NaPSS; MW 400 000; 4 mg / ml v 10 mM NaCI). Oscilační korelační funkce zobrazená na obr. 4a je výsledkem interference mezi rozptýleným světlem a modulovaným referenčním světlem. Tlukot na obr. 4b zahrnuje navíc příspěvek od frekvenčních změn světla rozptýleného molekulami PSS pod elektrickým polem 40 V / cm.

Obrázek 5 ukazuje heterodynová výkonová spektra získaná Fourierovou transformací autokorelačních funkcí zobrazených na obrázku 4.

Obrázek 6 ukazuje grafy Dopplerových frekvencí posunu měřených při různých hloubkách buněk a intenzitách elektrického pole, kde vzorkem je řešení NaPSS. Tyto parabolické křivky se nazývají profily elektroosmotického toku a naznačují, že se rychlost částic změnila v různé hloubce. Povrchový potenciál buněčné stěny produkuje elektroosmotický tok. Protože je komora pro elektroforézu uzavřeným systémem, dochází ve středu buňky k zpětnému toku. Poté pozorovaná pohyblivost nebo rychlost z rovnice. (7) je výsledkem kombinace osmotického toku a elektroforetického pohybu.

Analýzu elektroforetické mobility studovali Mori a Okamoto [16], kteří vzali v úvahu vliv elektroosmotického toku na boční stěnu.

Profil rychlosti nebo pohyblivosti ve středu buňky je dán přibližně rovnicí. (11) pro případ, kdy k> 5.

${displaystyle U_ {a} (z) = AU_ {0} (z / b) ^ {2} + Delta U_ {0} (z / b) + (1-A) U_ {0} + U_ {p} qquad (11)}$

kde

${displaystyle z =,}$ hloubka buňky

${displaystyle U_ {a} (z) =,}$ zdánlivá elektroforetická rychlost částice v poloze z.

${displaystyle U_ {p} =,}$ skutečná elektroforetická rychlost částic.

${displaystyle z / b =,}$ tloušťka buňky

${displaystyle U_ {0} =,}$ průměrná rychlost osmotického toku na horní a dolní buněčné stěně.

${displaystyle Delta U_ {0} =,}$ rozdíl mezi rychlostmi osmotického toku na horní a dolní buněčné stěně.

${displaystyle A = {frac {1} {(2/3) - (0,420166 / k)}} qquad (12)}$

${displaystyle k = a / b,}$ , poměr mezi dvěma délkami stran obdélníkového průřezu.

Parabolická křivka posunu frekvence způsobená elektroosmotickým tokem zobrazená na obr. 6 odpovídá rovnici. (11) s použitím metody nejmenších čtverců.

Vzhledem k tomu, že pohyblivost je úměrná frekvenčnímu posunu světla rozptýleného částicemi a migrační rychlosti částice, jak je uvedeno v rovnici. (7), všechny rychlostní, pohybové a frekvenční posuny jsou vyjádřeny parabolickými rovnicemi. Poté je získána skutečná elektroforetická pohyblivost částice, elektroosmotická pohyblivost na horní a dolní buněčné stěně. elektroforéza částic se rovná zdánlivé mobilitě ve stacionární vrstvě.

Rychlost takto získané elektroforetické migrace je úměrná elektrickému poli, jak je znázorněno na obr. 7. Frekvenční posun se zvyšuje se zvětšením úhlu rozptylu, jak je znázorněno na obr. 8. Tento výsledek je v souladu s teoretickým ekv. (7).

• 

  Obr. 4a a b; Korelační funkce s elektrickým polem i bez něj. Vzorek: Roztok NaPSS (MW: 400 000) 4 mg / ml v 10 mM NaCI. Použité elektrické pole: a) 0 V / cm; b) 40 V / cm. Úhel rozptylu 7,0 stupně, teplota 25 + -0,3

• 

  Obr. 5. Heterodynová výkonová spektra získaná FFT korelačních funkcí.

• 

  Obr. 6. Frekvenční posuny pozorované v různých hloubkách buněk.

• 

  Obr. 7. Závislost rychlosti elektrického pole na stacionární vrstvě.

• 

  Obr. 8. Frekvenční posun jako funkce úhlu rozptylu.

Aplikace

Elektroforetický rozptyl světla (ELS) se používá především k charakterizaci povrchových nábojů koloidní částice jako makromolekuly nebo syntetické polymery (např. polystyren^[4]) v kapalných médiích v elektrickém poli. Kromě informací o povrchových nábojích může ELS také měřit velikost částic proteinů ^[5] a určit zeta potenciál rozdělení.

Biofyzika

ELS je užitečný pro charakterizaci informací o povrchu proteinů. Ware a Flygare (1971) prokázali, že elektroforetické techniky lze kombinovat s laserovou pulzní spektroskopií, aby bylo možné současně určit elektroforetickou mobilitu a difúzní koeficient hovězí sérový albumin.^[6] Šířka a Doppler se posunul spektrum světla rozptýleného z roztoku makromolekul je úměrné difúzní koeficient.^[7] Dopplerův posun je úměrný elektroforetická mobilita makromolekuly.^[8] Ze studií, které tuto metodu aplikovaly na poly (L-lysin) Předpokládá se, že ELS monitoruje fluktuační pohyblivost v přítomnosti rozpouštědel s různými koncentracemi solí.^[9] Rovněž se ukázalo, že lze data elektroforetické mobility převést zeta potenciál hodnoty, což umožňuje stanovení izoelektrický bod bílkovin a počet elektrokinetické náboje na povrchu.^[10]

Mezi další biologické makromolekuly, které lze analyzovat pomocí ELS, patří polysacharidy. Hodnoty pKa chitosany lze vypočítat ze závislosti hodnot elektroforetické mobility na pH a hustotě náboje.^[11] Stejně jako proteiny lze velikost a zeta potenciál chitosanů určit pomocí ELS.^[12]

ELS byl také použit nukleové kyseliny a viry. Tuto techniku ​​lze rozšířit na měření elektroforetických mobilit velkých molekul bakterií při nízké iontové síle.^[13]

Nanočástice

ELS byl použit k charakterizaci polydisperzita, nanodisperzita a stabilita jednostěnné uhlíkové nanotrubice ve vodném prostředí s povrchově aktivními látkami.^{[Citace je zapotřebí ]} Tuto techniku ​​lze použít v kombinaci s dynamický rozptyl světla měřit tyto vlastnosti nanotrubiček v mnoha různých rozpouštědlech.

Reference

(1) Surfactant Science Series, Consulting Editor Martin J. Schick Consultant New York, Vol. 76 Electrical Phenomena at Interfaces Second Edition, Fundamentals, Measurements and Applications, Second Edition, Revised and Expanded. Ed Hiroyuki Ohshima, Kunio Furusawa. 1998. K. Oka a K. Furusawa, kapitola 8 Electrophresis, str. 152 - 223. Marcel Dekker, Inc,

(7) B.R. Ware a D.D. Haas, Rychlá metoda ve fyzikální biochemii a buněčné biologii. (R.I. Sha'afi a S.M. Fernandez, Eds), Elsevier, New York, 1983, kap. 8.

(9) Ware, B.R .; Flygare, WH (1972). "Rozptyl světla ve směsích BSA, BSA dimerů a fibrinogenu pod vlivem elektrických polí". Journal of Colloid and Interface Science. Elsevier BV. 39 (3): 670–675. doi:10.1016/0021-9797(72)90075-6. ISSN  0021-9797.

(10) Josefowicz, J .; Hallett, F. R. (01.03.1975). „Homodynový elektroforetický rozptyl světla polystyrenových koulí pomocí laserové korelace intenzity paprsků“. Aplikovaná optika. Optická společnost. 14 (3): 740. doi:10,1364 / ao.14.000740. ISSN  0003-6935.

(11) K. Oka, W. Otani, K. Kameyama, M. Kidai a T. Takagi, Appl. Teor. Elektrofor. 1: 273-278 (1990).

(12) K. Oka, W. Otani, Y. Kubo, Y. Zasu a M. Akagi, US Patent Appl. 465, 186: Jpn. Patent H7-5227 (1995).

(16) S. Mori a H. Okamoto, Flotation 28: 1 (1980). (v japonštině): Fusen 28 (3): 117 (1980).

(17) M. Smoluchowski, Handbuch der Electrizitat und des Magnetismus. (L. Greatz. Ed). Barth, Leripzig, 1921, s. 379.

(18) P. White, Phil. Mag. S 7, 23, č. 155 (1937).

(19) S. Komagat, Res. Electrotech. Laboratoř. (Jpn) 348, březen 1933.

(20) Y. Fukui, S. Yuu a K. Ushiki, Power Technol. 54: 165 (1988).