Transcript Prednáška
ELEKROMIGRAČNÉ METÓDY Lucia Veizerová ELEKROMIGRAČNÉ METÓDY Teoretické základy Planárna elektroforéza CE - Kapilárna elektroforéza Nové trendy v oblasti vývoja elektromigračných metód Príklady aplikácií TEORETICKÉ ZÁKLADY Elektromigračné metódy: pohyb (migrácia) elektricky nabitých častíc v dôsledku pôsobenia elektrického poľa - kladne nabité ióny putujú ku katóde (záporne nabitá elektróda) - záporne nabité ióny putujú k anóde (kladne nabitá elektróda) TEORETICKÉ ZÁKLADY Elektromigračné separačné techniky: separácia ionogénnych látok v roztoku na základe ich rozdielnej rýchlosti pohybu v jednosmernom elektrickom poli v = u.E v – rýchlosť akou sa daná častica pohybuje v homogénnom elektrickom poli k elektróde s opačným nábojom (m.s-1) priamo úmerná gradientu potenciálu a elektroforetickej pohyblivosti u – elektroforetická pohyblivosť (m2.V-1.s-1) E – intenzita elektrického poľa (V.m-1) (E = Unapätie na koncoch kapiláry /Ldĺžka kapiláry) TEORETICKÉ ZÁKLADY Výsledný rovnomerný pohyb iónov v roztoku výsledok pôsobenia 2 síl Sila elektrostatického poľa Brzdná (frikčná) sila prostredia Fe = q.E Ff = 6rv – viskozita prostredia r – polomer iónu v – rýchlosť pohybu iónu F – elektrostatická sila q – náboj E – intenzita elektrického poľa Fe = Ff q.E = 6rv q.E = 6ruE u = q/(6. .η.r) Elektroforetická pohyblivosť TEORETICKÉ ZÁKLADY Elektroforetická pohyblivosť u: rýchlosť pohybu nabitých častíc v kvapalnom prostredí v jednosmernom elektrickom poli s jednotkovou intenzitou u = q/(6. .η.r) q – veľkosť náboja častice r – polomer častice η – viskozita okolitého prostredia (tlmivého roztoku) Kvalitatívna charakteristika ionogénnych látok pre dané prostredie a teplotu Aktuálna pohyblivosť: el. pohyblivosť iónov silných elektrolytov vztiahnutá k danej iónovej sile a teplote Absolútna (limitná) pohyblivosť: el. pohyblivosť iónov v nekonečne zriedenom roztoku TEORETICKÉ ZÁKLADY Efektívna pohyblivosť: ueff = α.β.γ.u0 u0 – absolútna pohyblivosť γ – koeficient charakterizujúci brzdenie iónu prechádzajúceho cez prostredie protiónov. Jeho veľkosť je podmienená nábojom iónu a protiónov γ.u0 – aktuálna pohyblivosť α, resp. β – koeficienty charakterizujúce distribúciu jednotlivých acidobázických, resp. komplexných foriem TEORETICKÉ ZÁKLADY Výsledná celková pohyblivosť: súčet vektorov elektroforetickej a elektroosmotickej rýchlosti v = v + veo ROZDELENIE ELEKTROFORETICKÝCH TECHNÍK Elektroforéza Kapilárna Planárna (papierová, gélová) Kontinuálny systém Konštantné zloženie elektrolytu CZE CGE MEKC CEC Diskontinuálny systém Meniace sa zloženie elektrolytu IEF ITP PLANÁRNA ELEKTROFORÉZA vodivé prostredie (tlmivý roztok) na nosiči - papier - acetylcelulóza - silikagél -gél (škrobový, agarový, agarózový, polyakrylamidový) papierová, gélová elektroforéza 1. Papierová elektroforéza - rozdelenie analytov do zón podľa veľkosti a náboja - separácia liečiv, proteínov atď. - jednoduché usporiadanie - pomalá - problém automatizácie - ťažká kvantifikácia PLANÁRNA ELEKTROFORÉZA 2. Gélová elektroforéza - funkcia sita (nie pri elektroforéze na papieri) - typy gélov: agaróza (>200kDa), polyakrylamid (5-2000kDa), škrob - separácia a analýza makromolekúl (proteíny, DNA, RNA) na základe náboja a/aj veľkosti - forenzná medicína, biochémia, molekulárna biológia, genetika, mikrobiológia Nanášanie vzorky v gélovej elektroforéze Experimentálne usporiadanie GE PLANÁRNA ELEKTROFORÉZA Gélová elektroforéza Nové aplikácie a moderné trendy 1. Separácia nanočastíc - nanočastice (1nm-100nm), základná stavebná jednotka nanomateriálov - vlastnosti závisia od veľkosti a tvaru častíc - zníženie polydisperzity = materiály s dobre definovanými vlastnosťami a funkciami - elektronika (pamäťové média) - zdravotníctvo (cielená doprava liečiv) - strojárstvo (supertvrdé povrchy) - chemický priemysel (selektívna katalýza) - elektrotechnický priemysel (fotomateriály) - optický priemysel (optické filtre) - kozmický priemysel (povrch satelitov) - životné prostredie (degradácia) PLANÁRNA ELEKTROFORÉZA Gélová elektroforéza Nové aplikácie a moderné trendy 2. Automatizácia - softvér: automatizácia výberu parametrov analýz, štatistika, objektivizácia - priama detekcia bez značenia 3. Kombinácia s modernými detekčnými technikami (MS) - gélová elektroforéza: vizualizácia, separácia proteínov - MS: identifikácia proteínov KAPILÁRNA ELEKTROFORÉZA - separácia prebieha v kapilárach (otvorený, zatvorený systém) - sprievodný jav = elektroosmotický tok (najčastejšie kremenné kapiláry) TEORETICKÉ ZÁKLADY Elektroosmotický tok EOF: jedna z hybných síl kapilárnych elektromigračných metód vzniká pôsobením jednosmerného elektrického poľa na difúznu časť elektrickej dvojvrstvy na rozhraní pevnej a kvapalnej fázy na vnútornej stene kapiláry (voľné katióny sa pohybujú ku katóde a strhnú so sebou roztok v kapiláre) neselektívna sila z hľadiska separácie (unáša všetky ióny rovnakou rýchlosťou) smer katóda významne ovplyvňuje výslednú migračnú rýchlosť analytov a tým dobu analýzy a účinnosť separácie pH>3 (ionizované silanolové skupiny), elektroosmotická pohyblivosť>elektroforetická KAPILÁRNA ELEKTROFORÉZA Elektroosmotický tok EOF: veo = ueo.E veo – rýchlosť elektroosmotického toku (m.s-1) ueo – elektroosmotická mobilita E – intenzita elektrického poľa (V.m-1) ueo =ε.ζ/(4. .η) ε – dielektrická permitivita kvapaliny (tlmivého roztoku) ζ – elektrokinetický potenciál (určený povrchovou hustotou náboja na vnútornej stene kapiláry) η – viskozita tlmivého roztoku celková rýchlosť migrácie v = vef + veo ZÓNOVÁ KAPILÁRNA ELEKTROFORÉZA (CZE) systém (kapilára, anódový, katódový priestor) vyplnený jedným (základným) elektrolytom zloženie elektrolytu rovnaké v celom migračnom prostredí, nemení sa v priebehu separácie separácia iónov podľa efektívnych pohyblivostí (veľkosť, náboj) do diskontinuálnych zón separácia katiónov a aniónov v jednom experimente (1. katióny, 2. neseparované neutrálne látky, 3. anióny) kapiláry z taveného kremeňa (vnútorný priemer 25-80 μm; dĺžka 25-100cm) injektované množstvo vzorky malé (10-100 nl) detekcia: vodivostný detektor, UV-VIS detektor, fluorescenčný detektor, MS) aplikačná oblasť: farmácia, medicína, toxikológia, forenzná medicína analýza zložiek životného prostredia, mikrobiológia, potravinársky priemysel ZÓNOVÁ KAPILÁRNA ELEKTROFORÉZA (CZE) Elektroforeogram ZÓNOVÁ KAPILÁRNA ELEKTROFORÉZA (CZE) IZOTACHOFORÉZA (ITP) diskontinuálny systém elektrolytov (vodiaci, zakončujúci elektrolyt) vytvorenie ustáleného stavu: všetky ióny sa pohybujú rovnakou rýchlosťou bezprostredne susediace zóny s ostrými rozhraniami (samozaostrujúci efekt) v jednom experimente možné separovať len anióny alebo katióny izotachoforeogram: stupňovitý priebeh (výška-kvalita, dĺžka-kvantita) detekcia: vodivostný detektor aplikačná oblasť: - analýza telesných tekutín (karboxylové kyseliny, proteíny, nukleotidy) - analýza liečiv - analýza potravín (aditíva, konzervačné prísady atď.) - analýza zložiek životného prostredia (herbicídy, sírany atď.) IZOTACHOFORÉZA (ITP) IZOTACHOFORÉZA (ITP) Izotachoforeogram IZOELEKTRICKÁ FOKUSÁCIA (IEF) elektrolyt: zmes amfolytov (polyaminopolykarboxylové kyseliny, pI) migrácia v gradiente pH (najnižšie pH pri anóde, najvyššie pri katóde) vytvoreného pôsobením el. poľa na komplexnú zmes amfolytov delenie amfotérnych látok (bielkoviny, peptidy) zastavenie analytu v pH=pI (neutrálna látka=nulová pohyblivosť) ostré zóny mobilizácia fokusovaných zón (elektroelúcia, EOF, pretlak resp. podtlak na konci kapiláry) detekcia: UV detektor aplikačná oblasť: - separácia proteínov - určenie pI proteínov IZOELEKTRICKÁ FOKUSÁCIA (IEF) vloženie napätia Zmes amfolytov (malých amfotérnych molekúl) s vysokou tlmivou kapacitou vytvoria pH gradient IZOELEKTRICKÁ FOKUSÁCIA (IEF) Vysoké pH Nízke pH NaOH H3PO4 ELEKTROKINETICKÁ CHROMATOGRAFIA (EKC) najmladšia technika (r. 1984) kombinovaná separačná technika (mobilná fáza, pseudostacionárna fáza) separácia: rozdielna distribúcia látok medzi pseudofázu (napr. micely) a nosný elektrolyt (kde je pseudofáza homogénne rozptýlená) pseudofázy: micely (MEKC), cyklodextríny, olejové mikroemulzie atď. pohyb pseudofázy: elektroosmotický tok (dvojfázový systém ako celok) elektroforetický pohyb (nabitá pseudofáza) nabité, neutrálne molekuly aplikačná oblasť: - analýza liečiv, potravín - forenzná analýza - analýza zložiek životného prostredia - bioanalytické separácie ELEKTROKINETICKÁ CHROMATOGRAFIA (EKC) KAPILÁRNA ELEKTROCHROMATOGRAFIA (CEC) hybridná technika CE+HPLC separačný priestor: kapilárna kolóna - stacionárna fáza pohyb mobilnej fázy nie hydrodynamickým tokom (tlak), ale elektroosmotickým (el. poľom) separácia: rozdielna afinita k stacionárnej a mobilnej fáze+pohyblivosť pravouhlý profil elektroosmotického toku (hydrodynamický tok parabolický profil) absencia spätného tlaku = menšie častice sorbentu = účinnosť separácie aj neutrálne molekuly aplikačná oblasť: - liečivá (steroidy, benzodiazepíny atď.) - biomolekuly (proteíny, peptidy, NK, AK) - prírodné látky (polyfenoly atď.) - chirálne zlúčeniny - škodlivé látky (pesticídy) KAPILÁRNA ELEKTROCHROMATOGRAFIA (CEC) NOVÉ SMERY VO VÝVOJI ELEKTROMIGRAČNÝCH TECHNÍK výhody CE: vysoká účinnosť, vodné roztoky, univerzálnosť, flexibilita, malá spotreba elektrolytov, malá spotreba vzorky nevýhody CE: nízka koncentračná citlivosť (dávkovanie malých objemov, nízky limit detekcie, off-line predúprava komplexnej vzorky pokročilé techniky: - rýchla, jednoduchá analýza s čo najmenším počtom operácií so vzorkou (on-line zakoncentrovanie a prečistenie) - snaha zvýšiť citlivosť stanovenia (zvýšiť koncentráciu analytu v kapiláre) A. on-line prekoncentrácia (môže sa dať viac vzorky) B. spájanie kolón C. moderné detekčné techniky (LIF, MS) D. miniaturizácia (skrátenie času analýzy) E. chirálne separácie ON-LINE PREKONCENTRÁCIA 1. zakoncentrovanie vzorky zosilnením poľa (Field amplified sample stacking FASS) interakcia silového elektrického poľa a koncentračného poľa (generované rozdielnymi vodivosťami, koncentráciami, vzorky a elektrolytu) rozdielne vodivosti zón elektrolytu a vzorky = iná hodnota intenzity el. poľa (vyššia v zóne vzorky) = rozdielna rýchlosť migrácie analytov v zónach = zakoncentrovanie na rozhraní zón v dôsledku spomalenia rýchlosti migrácie zmena pH (prídavok kyseliny, hydroxidu) 10-1000 x zosilnený signál (10−7−10−8 mol.l−1) ON-LINE PREKONCENTRÁCIA 2. prechodná izotachoforéza (transient isotachophoresis t-ITP) najprv izotachoforézou zakoncentrovať, potom analýza napr. CZE vhodná kombinácia dvoch alebo viacerých elektrolytov základný elektrolyt (ko-ión) s vyššou vodivosťou ako analyt = za zónou vzorky zóna koncového elektrolytu (ko-ión preberá úlohu vodiaceho elektrolytu) = prechodný ITP stav po vložení elektrického poľa = po zakoncentrovaní koncový elektrolyt vymenený za základný = separácia CZE základný elektrolyt s ko-iónom s nižšou vodivosťou = vzorka obohatená o vodiaci ión (K+, Na+) biologické vzorky vysoký obsah vedúcich iónov možnosť injektovať veľké objemy vzoriek iba nabité analyty, nie opačne nabité ióny (selektívne odstránenie neutrálnych látok) ON-LINE PREKONCENTRÁCIA 3. namätenie (sweeping) interakcia analytu a pseudostacionárnej fázy (micely) prídavok micelotvorných látok (dodecyl sulfát sodný SDS) do základného elektrolytu (v elektrolytovej nádobke na dávkovacej strane kapiláry) kapilára, druhá elektrolytová nádobka ani vzorka neobsahujú činidlo pseudostacionárna fáza prenikne do širokej zóny vzorky, na rozhraní zakoncentrovanie vzorky efektívne odstránenie matricových nečistôt nízky detekčný limit 10-9 mol.l-1 ON-LINE PREKONCENTRÁCIA SPÁJANIE ELEKTROFORETICKÝCH TECHNÍK systémy s komplementárnymi dimenziami: spájanie odlišných separačných princípov odstránenie niektorých nedostatkov jednokolónovej CE, zvýšenie účinnosti, zvýšenie aplikačného potenciálu spájanie: v jednej analýze predúprava a separácia, dávkovanie väčších množstiev, vyššia reprodukovateľnosť úpravy a prečistenie vzorky komerčne dostupné CE-CE zariadenia: vysoká flexibilita v usporiadaní CE modulov = možnosť vytvoriť požadovanú kombináciu ITP-ITP, ITP-CZE, CZE-CZE, ITP-CZE-CZE, IEF-CZE, ITP-CEC spájanie elektroforetickej a inej techniky LC-CE, SPE-CE, dialýza-CE (rôzne separačné mechanizmy, ale zvýšené nároky na inštrumentáciu) SPÁJANIE ELEKTROFORETICKÝCH TECHNÍK On-line kombinácia ITP a CZE (ITP-CZE) ITP v prvej kapiláre, CZE v druhej kapiláre ITP: vysoká zádrž kolóny (väčší nástrek), zjednodušenie vzorky (cleanup), pripraviť prečistenú a izotachoforeticky zakoncentrovanú vzorku na vstup do druhej kapiláry CZE: vzájomné odseparovanie zložiek vzorky a ich citlivá detekcia možnosť zvýšenia nástreku vzorky s c 10-6 mol.l-1 a nižšou o 4 rády oproti CZE predĺženie migračných časov analýza stopových látok v zložitých matriciach najmä biologického pôvodu (analýza proteínov, liečiv, environmentálna analýza, analýza potravín, analýza obsahových látok rastlín) dávkovanie vzorky makrozložky z ITP kroku ITP krok CZE krok SPÁJANIE ELEKTROFORETICKÝCH TECHNÍK On-line kombinácia ITP a ITP (ITP-ITP) prvá kapilára: prekoncentračná (širšia) druhá kapilára: analytická (užšia) jeden elektrolyt alebo rozdielne elektrolyty (dodatočná separačná selektivita) rýchla predúprava zložitých alebo zriedených vzoriek uplatnenie najmä v kombinácii s MS detekciou: čisté zóny analytu (maximálna odozva MS detektora) ITP-ITP-MS sľubná metóda pre aplikácie v biomedicíne (metabolomika, farmakokinetické štúdie) ITP-ITP – vodivostný detektor (najčastejšie) SPÁJANIE ELEKTROFORETICKÝCH TECHNÍK On-line kombinácia CZE a CZE (CZE-CZE) prvá kapilára = separačný krok odlíšenie analytu od makrozložiek vzorky – in column clean up druhá kapilára = detekčný krok udržať separáciu z prvého kroku, pripraviť podmienky na optimálnu detekciu nižšia citlivosť oproti ITP-CZE (chýba prekoncentračná schopnosť ITP) kompatibilita s detekčnými technikami SPÁJANIE ELEKTROFORETICKÝCH TECHNÍK On-line kombinácia IEF a CZE prvá kapilára IEF: – prekoncentrácia - príprava zóny elektrolytu na nástrek do druhej kolóny - separácia amfolytov podľa pI druhá kapilára CZE: - dodatočná separácia analytov podľa m/z (dodatočná selektivita) podobnosť s ITP-CZE vyššia separačná účinnosť ako samostatné stupne analýza amfolytov (proteíny, peptidy atď.) ELEKTROFORÉZA NA MIKROČIPOCH (miniaturizácia, skrátený čas analýzy) separácia prebieha v kanálikoch vyleptaných do mikročipu (kremíková doštička) výhody oproti CE: - minimálny objem vzorky potrebný pre analýzu (pikoliter) - menšia spotreba reagentov, elektrolytov - skrátenie času separácie (vysoké vkladané napätie vďaka lepšej disipácii tepla a malá dĺžka kanálikov) - jednoduché prevedenie a obsluha nevýhody: - menšie rozlíšenie (krátke kapiláry) vhodná pre elektroforetické aj elektrochromatografické techniky možnosť kombinovať elektroforetické techniky (ITP-ZE, ITP-ITP, ITP-GE...) najčastejšie používaný detektor: LIF (Laserom indukovaná fluorescencia) detekcia, separácia DNA, RNA, proteínov, separácia enentiomérov, analýza zriedených vzoriek (vôd) ELEKTROFORÉZA NA MIKROČIPOCH SPÁJANIE CE S MODERNÝMI DETEKČNÝMI TECHNIKAMI (zvýšenie LOD, LOQ) LIF (Laserom indukovaná fluorescenčná) detekcia - využíva laser (excitácia analytu), pri de-excitácii emitované fluorescenčné ž. - vlastnosti laserového lúča kompatibilné s CE. Laserový lúč je úzky usporiadaný zväzok s minimálnou divergenciou a dá sa ho zaostriť tak, že prechádza vnútornými stenami kapiláry - nie všetky látky vykazujú fluorescenciu (potrebná derivatizácia, nepriama detekcia) - detekcia fluoreskujúcich látok vo veľmi nízkych c (10-8-10-12 mol/l) - dosiahnutie nízkeho limitu detekcie vďaka účinnej excitácii (zaostrenie výkonu lasera do kapiláry), citlivej detekcii (účinný zber emitovaného žiarenia), redukcii šumu - priame stanovenie fluoreskujúcich látok: riboflavín, chinín, aromatické AK, proteíny, peptidy SPÁJANIE CE S MODERNÝMI DETEKČNÝMI TECHNIKAMI Detekcia hmotnostným spektrometrom - detekcia látok podľa pomeru m/z - koncentračná citlivosť je v intervale 10-6-10-9 mol/l - hmotnostné spektrá sú vhodné na štruktúrnu charakterizáciu látky - CE-MS kompatibilita? neprchavé tlmivé roztoky nekompatibilné s ESI-MS nízky prietok kapilárou (problém pri splyňovaní látky) - CZE-MS; MEKC-MS; IEF-MS; CEC-MS, ITP-MS - alternatíva k HPLC-MS pre analýzu polárnych a nabitých analytov - analýza peptidov, liečiv a ich metabolitov, proteínov, pesticídov, nukleových kyselín atď. CHIRÁLNE SEPARÁCIE nie najnovší trend, ale vysoko aktuálny rozvoj: potreby medicíny, farmakológie a farmaceutického priemyslu enantioméry rovnaká elektroforetická mobilita v achirálnom prostredí separácia pomocou chirálneho selektora: komplex selektor- enantiomér = rozdiely v mobilite (rozdielna stabilita) priama separácia (pridanie chirálneho selektora do elektrolytu) nepriama separácia (interakcia s chirálnym derivatizačným činidlom pred separačným systémom) chirálne selektory: cyklodextríny, lineárne polysacharidy, (dextran, heparin), makrocyklické ATB (rifamycín), crown-étery VYUŽITIE ELEKTROMIGRAČNÝCH SEPARAČNÝCH METÓD pevná pozícia elektroforézy a kapilánej elektroforézy vo farmaceutickom a biotechnologickom priemysle, čo dokazujú všeobecné články a monografie v európskom liekopise Biomedicínska analýza (analýza liečiv a biomarkerov v klinických vzorkách) ITP-CZE: k.hippurová v sére, stanovenie antiepileptík v sére, folát koenzým v moči ITP-ITP: stanovenie vitamínov v krvi CZE-CZE: analýza k. orootvej v moči Analýza proteínov ITP-CZE: modelový analyt angiotenzínové peptidy CZE-MEKC: separácia albumínu hovädzieho séra (štiepeni trypsínom) IEF-CGE: analýza variant hemoglobínu (rôzne pI) VYUŽITIE ELEKTROMIGRAČNÝCH SEPARAČNÝCH METÓD Farmaceutická analýza ITP-CZE: kontrola enantiomérnej čistoty dexbrómfeniramínu v prípravkoch ITP-ITP: analýza nízkomolekulových nečistôt (nitrát, sulfát...) v glycerole separácia alkylsulfonátov, stanovenie metansulfonátu v liečive Environmentálna analýza ITP-CZE: stanovenie železa vo vodách, stanovenie oxyhalidov v pitnej vode, stanovenie brómovaných polyfenolov vo vodách ITP-ITP: prekoncentrácia a stanovenie herbicídov (glyfosfát....) CZE-MEKC: stopová analýza kardiovaskulárnych liečiv v odpadových vodách VYUŽITIE ELEKTROMIGRAČNÝCH SEPARAČNÝCH METÓD Analýza potravín ITP-CZE: stanovenie EDTA v majonéze, stanovenie glycyrizínu v extrakte sladkého drievka, separácia a stanovenie polyfenolov vo vínach ITP-ITP: stanovenie organických a anorganických kyselín (k. benzoová, k. mliečna v aditívach krmív, stanovenie k. pantoténovej v kukuričných lupienkoch Analýza rastlín ITP-CZE: separácia a stanovenie flavonoidov v extraktoch ľubovníka bodkovaného, atď. Analýza na mikročipoch ITP-ZE: priame stanovenie antiepileptika valproátu v sére, analýza beta-blokátorov v ľudskom moči