Cơ chế điện di mao quản (Capillary electrophoresis mechanism)

1. Lực Điện trường:

Khi đặt một điện trường dọc theo mao quản chứa dung dịch đệm và mẫu phân tích, các phân tử tích điện trong mẫu sẽ chịu tác động của lực điện trường. Độ lớn của lực này được tính bằng:

$F_e = qE$

Trong đó:

• $F_e$ là lực điện trường.
• $q$ là điện tích của phân tử.
• $E$ là cường độ điện trường.

Lực điện trường tác động lên phân tử tỷ lệ thuận với điện tích của nó. Phân tử mang điện tích lớn hơn sẽ chịu lực lớn hơn và do đó di chuyển nhanh hơn trong điện trường. Điều này đóng vai trò quan trọng trong việc phân tách các phân tử có điện tích khác nhau.

2. Lực Cản Nhớt:

Khi các phân tử di chuyển trong dung dịch, chúng gặp phải lực cản nhớt từ dung dịch. Lực cản này tỉ lệ thuận với tốc độ di chuyển của phân tử và độ nhớt của dung dịch. Đối với một phân tử hình cầu, lực cản nhớt được tính theo định luật Stokes:

$F_v = 6\pi\eta rv$

Trong đó:

• $F_v$ là lực cản nhớt.
• $\eta$ là độ nhớt của dung dịch.
• $r$ là bán kính của phân tử.
• $v$ là vận tốc của phân tử.

Lực cản nhớt tác động ngược chiều với chuyển động của phân tử. Phân tử có kích thước lớn hơn sẽ chịu lực cản lớn hơn, dẫn đến tốc độ di chuyển chậm hơn.

3. Vận tốc Di chuyển:

Khi lực điện trường và lực cản nhớt cân bằng nhau, phân tử đạt vận tốc di chuyển không đổi. Lúc này, ta có:

$F_e = F_v$

$qE = 6\pi\eta rv$

Từ đó, ta có thể tính vận tốc di chuyển ($v$) của phân tử:

$v = \frac{qE}{6\pi\eta r}$

Công thức này cho thấy vận tốc di chuyển của phân tử tỷ lệ thuận với điện tích và cường độ điện trường, và tỷ lệ nghịch với bán kính của phân tử và độ nhớt của dung dịch.

4. Lưu động Điện di:

Vận tốc di chuyển của một phân tử trong điện trường được đặc trưng bởi lưu động điện di ($\mu$), được định nghĩa là tỉ số giữa vận tốc di chuyển và cường độ điện trường:

$\mu = \frac{v}{E} = \frac{q}{6\pi\eta r}$

Lưu động điện di phụ thuộc vào điện tích và kích thước của phân tử, cũng như độ nhớt của dung dịch. Các phân tử có điện tích lớn hơn và kích thước nhỏ hơn sẽ có lưu động điện di cao hơn, và do đó di chuyển nhanh hơn trong mao quản. Đây chính là nguyên lý cơ bản cho phép CE phân tách các phân tử khác nhau.

5. Dòng Điện thẩm:

Một yếu tố quan trọng khác trong CE là dòng điện thẩm (EOF). EOF là sự di chuyển của toàn bộ dung dịch trong mao quản do sự hiện diện của các nhóm silanol tích điện âm trên bề mặt mao quản silica. Các cation trong dung dịch đệm sẽ bị hút về phía các nhóm silanol này, tạo ra một lớp kép điện. Khi áp dụng điện trường, lớp cation di chuyển về phía cực âm, kéo theo toàn bộ dung dịch trong mao quản. EOF thường hướng về phía cực âm và có thể ảnh hưởng đáng kể đến thời gian di chuyển của các phân tử, kể cả các phân tử trung hòa về điện. Hướng và tốc độ của EOF có thể được điều chỉnh bằng cách thay đổi pH, thành phần dung dịch đệm, hoặc bằng cách phủ bề mặt mao quản.

6. Tách biệt các phân tử:

Sự kết hợp giữa lưu động điện di của từng phân tử và EOF dẫn đến sự tách biệt các phân tử trong mẫu. Các phân tử có lưu động điện di khác nhau sẽ di chuyển với tốc độ khác nhau và do đó được tách biệt khi chúng di chuyển dọc theo mao quản. Thứ tự xuất hiện của các phân tử tại đầu dò phụ thuộc vào điện tích, kích thước và ảnh hưởng của EOF. Ví dụ, các anion có thể di chuyển ngược chiều với EOF, trong khi các cation di chuyển cùng chiều với EOF.

Tóm lại, cơ chế tách trong điện di mao quản dựa trên sự cân bằng giữa lực điện trường, lực cản nhớt và dòng điện thẩm. Sự khác biệt về lưu động điện di của các phân tử dẫn đến sự tách biệt hiệu quả trong mao quản.

7. Các yếu tố ảnh hưởng đến tách biệt:

Hiệu quả tách trong CE phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm:

• Điện trường: Cường độ điện trường càng cao, vận tốc di chuyển của các phân tử càng nhanh, nhưng cũng làm tăng nhiệt độ và có thể gây ra sự khuếch tán của các peak, giảm hiệu quả tách.
• Độ pH của dung dịch đệm: Độ pH ảnh hưởng đến điện tích của các phân tử và do đó ảnh hưởng đến lưu động điện di.
• Nồng độ và loại dung dịch đệm: Nồng độ dung dịch đệm ảnh hưởng đến cường độ dòng điện và EOF. Loại dung dịch đệm có thể ảnh hưởng đến khả năng tương tác giữa các phân tử và bề mặt mao quản.
• Nhiệt độ: Nhiệt độ ảnh hưởng đến độ nhớt của dung dịch và do đó ảnh hưởng đến lưu động điện di và EOF. Nhiệt độ cao cũng có thể làm tăng sự khuếch tán.
• Chất phụ gia: Một số chất phụ gia có thể được thêm vào dung dịch đệm để cải thiện độ phân giải, ví dụ như các chất hoạt động bề mặt, cyclodextrin, hoặc các polymer tuyến tính.
• Kích thước và loại mao quản: Đường kính trong và chiều dài của mao quản ảnh hưởng đến thời gian phân tích và hiệu quả tách. Chất liệu mao quản cũng có thể ảnh hưởng đến EOF.

8. Ưu điểm của CE:

CE có một số ưu điểm so với các kỹ thuật phân tách khác, bao gồm:

• Hiệu quả tách cao: CE có thể tách các phân tử có sự khác biệt rất nhỏ về điện tích hoặc kích thước.
• Thời gian phân tích nhanh: Thời gian phân tích trong CE thường ngắn hơn so với các kỹ thuật sắc ký lỏng.
• Lượng mẫu cần ít: CE chỉ cần một lượng mẫu rất nhỏ, thường chỉ vài nanolit.
• Đa dạng ứng dụng: CE có thể được sử dụng để phân tích nhiều loại phân tử, bao gồm protein, peptide, axit nucleic, carbohydrate, và các ion nhỏ.

9. Ứng dụng của CE:

CE được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, bao gồm:

• Phân tích dược phẩm: Kiểm tra độ tinh khiết, định lượng thuốc, và nghiên cứu dược động học.
• Phân tích sinh học: Phân tích protein, peptide, axit nucleic, và carbohydrate trong các mẫu sinh học.
• Phân tích môi trường: Phân tích các chất ô nhiễm trong nước, đất và không khí.
• Phân tích thực phẩm: Kiểm tra chất lượng và an toàn thực phẩm.
• Phân tích pháp y: Phân tích mẫu DNA và các chất ma túy.

• Landers, J. P. (Ed.). (2013). Handbook of capillary electrophoresis. CRC press.
• Camilleri, P. (Ed.). (1998). Capillary electrophoresis: theory and practice. CRC press.
• Weinberger, R. (2000). Practical capillary electrophoresis. Academic press.
• Baker, D. R. (1995). Capillary electrophoresis. John Wiley & Sons.

Câu hỏi và Giải đáp

Làm thế nào để tối ưu hóa độ phân giải trong điện di mao quản?

Trả lời: Độ phân giải trong CE có thể được tối ưu hóa bằng cách điều chỉnh một số yếu tố, bao gồm:

• Cường độ điện trường: Tăng cường độ điện trường có thể rút ngắn thời gian phân tích, nhưng cũng có thể làm tăng nhiệt độ và sự khuếch tán, giảm độ phân giải. Cần tìm một giá trị tối ưu.
• pH và nồng độ dung dịch đệm: pH ảnh hưởng đến điện tích của các chất phân tích, trong khi nồng độ dung dịch đệm ảnh hưởng đến cường độ dòng điện và EOF. Cần lựa chọn pH và nồng độ phù hợp với từng loại mẫu.
• Nhiệt độ: Kiểm soát nhiệt độ giúp giảm thiểu sự khuếch tán và duy trì độ phân giải.
• Chất phụ gia: Sử dụng các chất phụ gia như chất hoạt động bề mặt, cyclodextrin, hoặc polymer có thể cải thiện khả năng tách biệt của các chất có tính chất tương tự.
• Loại mao quản: Lựa chọn mao quản phù hợp về kích thước, chất liệu và lớp phủ bề mặt cũng đóng vai trò quan trọng.

Sự khác biệt giữa điện di mao quản vùng (CZE) và điện di mao quản micelle (MEKC) là gì?

Trả lời: Cả CZE và MEKC đều là các chế độ tách trong CE. CZE dựa trên sự khác biệt về lưu động điện di của các chất phân tích trong dung dịch đệm đồng nhất. MEKC sử dụng micelle, thường là sodium dodecyl sulfate (SDS), trong dung dịch đệm. Các chất phân tích sẽ phân bố giữa pha micelle và pha dung dịch đệm dựa trên tính kỵ nước. MEKC cho phép phân tách cả các chất trung hòa và tích điện.

EOF ảnh hưởng như thế nào đến việc tách các anion trong CE?

Trả lời: EOF thường hướng về phía cực âm. Đối với các anion, lực điện trường kéo chúng về phía cực dương, ngược chiều với EOF. Nếu EOF đủ mạnh, nó có thể kéo cả anion về phía cực âm, mặc dù chúng mang điện tích âm. Do đó, việc kiểm soát EOF là rất quan trọng để tách hiệu quả các anion. Các phương pháp như sử dụng chất phủ bề mặt mao quản hoặc điều chỉnh pH dung dịch đệm có thể được sử dụng để kiểm soát EOF.

Tại sao độ nhớt của dung dịch đệm lại ảnh hưởng đến lưu động điện di?

Trả lời: Độ nhớt ($eta$) của dung dịch đệm ảnh hưởng trực tiếp đến lực cản nhớt ($F_v = 6\pieta rv$) mà phân tử gặp phải khi di chuyển trong điện trường. Độ nhớt cao hơn dẫn đến lực cản lớn hơn, làm giảm vận tốc di chuyển và lưu động điện di ($\mu = \frac{q}{6\pieta r}$) của phân tử.

Ngoài các ứng dụng đã đề cập, CE còn có những ứng dụng tiềm năng nào khác?

Trả lời: CE đang được nghiên cứu và phát triển cho nhiều ứng dụng tiềm năng khác, bao gồm:

• Phân tích đơn bào: Phân tích thành phần hóa học của từng tế bào riêng lẻ.
• Chẩn đoán bệnh tại chỗ (point-of-care): Phát triển các thiết bị CE di động nhỏ gọn để chẩn đoán nhanh chóng các bệnh.
• Theo dõi phản ứng hóa học theo thời gian thực: Sử dụng CE để theo dõi động học của các phản ứng hóa học.
• Phân tích các đại phân tử phức tạp: Nghiên cứu cấu trúc và tương tác của protein, axit nucleic và các đại phân tử khác.
• Liệu pháp gen: Phân tích và tinh sạch các vector liệu pháp gen.