Hiện tượng Điện di Chuyển động (Electrophoretic Mobility)

$\mu_e = \frac{v_d}{E}$

Trong đó:

• $v_d$ là vận tốc trôi của hạt (đơn vị thường là m/s hoặc cm/s). Đây là vận tốc không đổi mà hạt đạt được khi lực điện và lực cản ma sát của môi trường cân bằng nhau.
• $E$ là cường độ điện trường (đơn vị thường là V/m hoặc V/cm).
• $\mu_e$ là độ linh động điện di (đơn vị SI là $m^2/(V \cdot s)$, nhưng $cm^2/(V \cdot s)$ cũng thường được sử dụng).

Độ linh động điện di phụ thuộc vào các đặc tính của hạt và môi trường, bao gồm:

• Điện tích của hạt (q): Hạt có điện tích hiệu dụng càng lớn thì lực điện ($F_e = qE$) tác dụng lên nó càng mạnh, dẫn đến vận tốc và độ linh động càng cao.
• Kích thước và hình dạng của hạt: Hạt càng nhỏ và càng có hình dạng cầu gọn gàng thì lực cản ma sát với môi trường càng nhỏ, cho phép nó di chuyển nhanh hơn. Đối với các hạt hình cầu, lực cản này được mô tả bởi định luật Stokes: $F_{drag} = 6 \pi \eta r v_d$, trong đó $\eta$ là độ nhớt của môi trường và $r$ là bán kính thủy động lực của hạt.
• Độ nhớt của môi trường ($\eta$): Môi trường có độ nhớt càng cao thì lực cản ma sát càng lớn, làm giảm đáng kể tốc độ di chuyển của hạt và do đó làm giảm độ linh động điện di.
• pH của môi trường: Độ pH ảnh hưởng trực tiếp đến trạng thái ion hóa và do đó ảnh hưởng đến tổng điện tích bề mặt của nhiều loại hạt, đặc biệt là các phân tử sinh học như protein và axit nucleic. Tại một giá trị pH gọi là điểm đẳng điện (pI), phân tử có điện tích toàn phần bằng không và sẽ không di chuyển trong điện trường.
• Lực ion của môi trường: Nồng độ ion cao trong dung dịch đệm sẽ tạo ra một lớp điện tích kép xung quanh hạt tích điện. Lớp ion trái dấu này che chắn (screen) một phần điện tích của hạt, làm giảm điện trường hiệu dụng mà hạt cảm nhận được, từ đó làm giảm độ linh động điện di.

Trong điều kiện lý tưởng (hạt hình cầu có bán kính $r$ và điện tích $q$, di chuyển trong môi trường có độ nhớt $\eta$ và bỏ qua hiệu ứng của lớp điện tích kép), khi lực điện cân bằng với lực cản Stokes ($qE = 6 \pi \eta r v_d$), ta có thể rút ra công thức cho độ linh động điện di:

$\mu_e = \frac{v_d}{E} = \frac{q}{6 \pi \eta r}$

Công thức này cho thấy mối liên hệ trực tiếp giữa các đặc tính của hạt và môi trường với độ linh động điện di.

Ứng dụng

Độ linh động điện di là một thông số cơ bản, có ý nghĩa quan trọng và được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, đặc biệt là:

OK, đây là phiên bản đã chỉnh sửa và bổ sung cho section thứ hai.

• Sinh học phân tử và Hóa sinh: Tách và phân tích các đại phân tử sinh học như DNA, RNA và protein dựa trên sự khác biệt về điện tích, kích thước và hình dạng. Các kỹ thuật phổ biến bao gồm điện di trên gel (điện di gel agarose, điện di gel polyacrylamide – PAGE) và điện di mao quản (Capillary Electrophoresis – CE).
• Hóa học phân tích: Phân tích và tách các ion nhỏ, phức chất kim loại, và các hạt keo.
• Y học lâm sàng: Chẩn đoán bệnh thông qua phân tích protein huyết thanh (ví dụ, phát hiện các protein bất thường trong bệnh đa u tủy) hoặc phân tích các đoạn DNA đặc trưng.
• Khoa học vật liệu và Hóa keo: Đặc tính hóa bề mặt và sự ổn định của các hạt nano, nhũ tương và các hệ phân tán khác bằng cách đo thế zeta, một đại lượng liên quan trực tiếp đến độ linh động điện di.

Các yếu tố ảnh hưởng chi tiết hơn

Ngoài các yếu tố cơ bản đã đề cập, một số yếu tố khác cũng ảnh hưởng đến độ linh động điện di một cách tinh vi hơn, và việc kiểm soát chúng là rất quan trọng để đảm bảo kết quả chính xác và có thể lặp lại:

• Nhiệt độ: Nhiệt độ tăng thường làm giảm độ nhớt của môi trường theo hàm mũ, do đó làm tăng độ linh động điện di. Tuy nhiên, nhiệt độ quá cao có thể gây ra các vấn đề như biến tính các phân tử sinh học (protein, DNA), làm thay đổi cấu trúc và điện tích của chúng, hoặc thậm chí làm hỏng gel. Hiệu ứng Joule (sự tỏa nhiệt do dòng điện đi qua môi trường dẫn) cần được kiểm soát chặt chẽ, thường bằng các hệ thống làm mát, để duy trì nhiệt độ ổn định trong suốt quá trình điện di.
• Cấu trúc của môi trường điện di (ví dụ: gel): Trong điện di trên gel, mạng lưới polymer của gel (ví dụ: agarose hoặc polyacrylamide) hoạt động như một “cái sàng phân tử”. Kích thước lỗ của gel đóng vai trò quyết định trong việc tách các phân tử theo kích thước. Các phân tử lớn hơn sẽ bị cản trở nhiều hơn khi di chuyển qua mạng lưới gel, dẫn đến độ linh động biểu kiến thấp hơn. Bằng cách thay đổi nồng độ của gel, người ta có thể điều chỉnh kích thước lỗ để tối ưu hóa việc phân tách các phân tử trong một phạm vi kích thước nhất định.
• Tương tác giữa hạt và môi trường: Ngoài lực cản ma sát, có thể có các tương tác khác giữa hạt và chất nền điện di, chẳng hạn như tương tác tĩnh điện, tương tác kỵ nước, hoặc liên kết hydro. Những tương tác này có thể làm chậm quá trình di chuyển của hạt một cách có chọn lọc và ảnh hưởng đến độ phân giải của quá trình tách.
• Gradient pH và kỹ thuật Hội tụ đẳng điện (IEF): Trong kỹ thuật hội tụ đẳng điện (Isoelectric Focusing – IEF), một gradient pH ổn định được thiết lập trong môi trường điện di. Các phân tử lưỡng tính như protein sẽ di chuyển trong điện trường cho đến khi chúng đến vị trí có độ pH bằng với điểm đẳng điện (pI) của chúng. Tại điểm này, điện tích toàn phần của protein bằng không, lực điện tác dụng lên nó triệt tiêu, và nó ngừng di chuyển. Kỹ thuật này cho phép tách các protein với độ phân giải rất cao dựa trên sự khác biệt nhỏ về pI.
• Dòng điện thẩm thấu (Electroosmotic Flow – EOF): Trong các hệ thống như điện di mao quản, bề mặt bên trong của mao quản (thường làm bằng silica) mang điện tích âm ở các giá trị pH trung tính và kiềm. Lớp điện tích này hút các cation từ dung dịch đệm, tạo thành một lớp điện tích kép. Khi có điện trường, các cation hydrat hóa này di chuyển về phía cực âm, kéo theo toàn bộ khối dung dịch trong mao quản. Dòng chảy tổng thể này được gọi là dòng điện thẩm thấu (EOF). Vận tốc quan sát được của một chất phân tích sẽ là tổng vector của vận tốc điện di của chính nó và vận tốc của dòng EOF. Do đó, độ linh động biểu kiến ($\mu_{app}$) được tính bằng: $\mu_{app} = \mu_e + \mu_{EOF}$.

Kỹ thuật điện di hai chiều trên gel (2D-PAGE) kết hợp hai nguyên tắc tách khác nhau để đạt được độ phân giải vượt trội. Đầu tiên, hỗn hợp protein được tách ở chiều thứ nhất bằng phương pháp hội tụ đẳng điện (IEF) dựa trên điểm đẳng điện (pI). Sau đó, dải gel chứa các protein đã tách theo pI được đặt lên một tấm gel SDS-PAGE và quá trình điện di được thực hiện ở chiều thứ hai, tách các protein dựa trên khối lượng phân tử.

Kết quả của 2D-PAGE là một “bản đồ” hai chiều, trên đó mỗi chấm đại diện cho một protein cụ thể. Kỹ thuật này có khả năng phân tách hàng ngàn protein khác nhau trong một mẫu phức tạp, làm cho nó trở thành một công cụ rất mạnh trong proteomics (nghiên cứu hệ protein tổng thể được biểu hiện bởi một genom, tế bào, mô hoặc cơ quan tại một thời điểm nhất định).