химический каталог




ЭЛЕКТРОМИГРАЦИОННЫЕ МЕТОДЫ

Автор Химическая энциклопедия г.р. Н.С.Зефиров

ЭЛЕКТРОМИГРАЦИОННЫЕ МЕТОДЫ, методы исследования в растворах ионизир. веществ и разделения их сложных смесей; основаны на явлении переноса заряженных частиц в электрич. поле, приложенном к изучаемому раствору (см. также Электрокинетические явления).
Осн. параметр, характеризующий перенос частиц,- подвижность и, т. е. расстояние l, накоторое вещество переместится под действием единицы градиента электрич. потенциала Е за единицу времени

Процессы, связанные с комплексообразованием, ассоциацией или пересольватацией ионов, а также с изменением состояния растворителя, приводят к изменению заряда либо радиуса ионов, что оказывает влияние на их подвижность; на этом основано применение ЭЛЕКТРОМИГРАЦИОННЫЕ МЕТОДЫ м. для исследования реакций в растворах.
Неодинаковая подвижность мол. ионов и заряженных частиц различные химический природы позволяет использовать ЭЛЕКТРОМИГРАЦИОННЫЕ МЕТОДЫ м. также для разделения смесей; в данном случае эти методы часто называют электрофорезом.

Методы измерения подвижности заряженных частиц. Подвижность, или скорость миграции индивидуальных ионов, можно определять: 1) по изменению концентрации ионов исследуемого элемента в приэлектродном пространстве при электролизе; 2) путем смещения в электрич. поле узких зон изучаемых ионов; 3) с помощью подвижной границы между зонами (фронтальные методы, изотахофорез).

Исследование реакций в растворах. Информацию о равновесных процессах в растворе получают при изучении зависимости скорости миграции ионов исследуемого элемента от концентрации одного или несколько участвующих в реакции веществ. По этой зависимости можно выявлять состав продуктов реакции и определять константы равновесия.
В случае реакций комплексообразования изучаемый металл М может находиться одновременно в несколько ионных формах связи с лигандом А, между к-рыми устанавливается подвижное равновесие. В такой системе общее, или суммарное, перемещение в электрич. поле всех ионов, содержащих М и имеющих индивидуальные подвижности иi, происходит с некоторой ср. скоростью ис, характеризующей суммарный электромиграц. перенос металла в единицу времени:

где i - число лигандов в комплексе; - доля металла, связанного в i-ую ионную форму;- полная константа устойчивости ионной формы; [М], [А] и [МАi] - соответственно равновесные концентрации металла, лиганда и комплекса.
Кривая электромиграции (рис. 1), отражающая смещение подвижного равновесия между различные ионными формами при изменении равновесной концентрации лиганда, устанавливает области существования: свободный ионов (I); координационно ненасыщенных форм (II); координационно насыщенных комплексных ионов (III).
Состав комплексных ионов можно определять несколько приемами: по эмпи-рич. зависимости между подвижностью ионов и величиной их заряда; из соотношения общей и равновесной концентраций лиганда, которое определяется по скорости электромиграции введенного в систему вспомогат. металла (по уравению 2); по соотношению между коэффициент диффузии и подвижностью при одной и той же концентрации лиганда. Константы устойчивости ионных форм рассчитывают путем решения системы из п уравений вида (2), где п равно числу ионных форм.

Рис. 1. Зависимость средней скорости миграции металла ис от концентрации лиганда [А]: I, II, Ш - области осуществления соответственно свободный ионов металла, координационно ненасыщенных форм и координационно насыщенных комплексных ионов.

При исследовании химический взаимодействий в растворе важно сохранение постоянства состава фонового электролита, которое может нарушаться вследствие электродных реакций. Поэтому целесообразно использовать аппаратуру, предотвращающую проникновение продуктов электролиза в рабочую часть прибора. Если это условие выполнено, то ЭЛЕКТРОМИГРАЦИОННЫЕ МЕТОДЫ м. дают достаточно правильные результаты благодаря тому, что отсутствует необходимость введения в изучаемую систему новых фаз - ионообменных смол, экстрагентов и т. п., вызывающих побочные равновесные процессы.
Помимо равновесий ЭЛЕКТРОМИГРАЦИОННЫЕ МЕТОДЫ м. позволяют исследовать кинетику комплексообразования, используя явление дополнительной квазидиффузионного размывания под действием электрич. поля первоначально узкой зоны, содержащей различные ионные формы с разными знаками заряда. Для достижения этого эффекта необходимо приложить поле такой напряженности, чтобы скорость электромиграц. переноса ионов превышала скорость протекания комплексообразования.
Для изучения кинетики реакций можно использовать также зонную электромиграцию ионов в неравновесном с ними электролите. В обоих случаях применение ЭЛЕКТРОМИГРАЦИОННЫЕ МЕТОДЫ м. целесообразно при анализе процессов, скорость которых лежит в пограничной области между медленными и быстрыми реакциями.
Закономерности электромиграции ионов в расплавах солей исследованы в значительно меньшей степени, чем в водных растворах. Обычная среда при проведении электромиграции в расплавленных солях - безводные расплавы нитратов и перхлоратов щелочных металлов или эвтектич. смеси, имеющие сравнительно низкую температуру плавления.
Для электромиграции в расплавах характерны две основные проблемы: сильное взаимодействие ионов изучаемых металлов и расплавленной соли; отсутствие электрически нейтрального растворителя, для которого можно измерить истинную скорость движения ионов. Поэтому обычно их подвижность определяют относительно прибора, в котором проводят электромиграцию. В этом случае данные о подвижности в расплавах смещены на неизвестную постоянную величину.

Разделение смесей. Различают следующей методы электромиграц. разделения смесей: зонный электрофорез; фокусирующий ионный обмен; фронтальные методы; изотахофорез.

Зонный электрофорез чаще всего реализуют в среде пористого наполнителя, пропитанного раствором электролита. Разделяемая смесь должна быть первоначально сосредоточена в узкой зоне, имеющей относительно малые линейные размеры. Благодаря устранению конвективных потоков жидкости зоны исследуемых элементов по окончании опытов сохраняют достаточно четкие границы. В качестве наполнителей обычно используют хроматографич. и фильтровальную бумаги, порошки (например, кварцевый песок), различные гели (например, крахмала). При проведении миграции в пористой среде возможно влияние дополнительной факторов адсорбции мигрирующих ионов на поверхности среды, электроосмотич. потока жидкости, обусловленного поверхностным зарядом наполнителя, а также размытием зоны мигрирующего вещества.
В водных растворах сильных электролитов, не взаимодействие с разделяемыми веществами, подвижности ионов многие элементов из-за сильной гидратации имеют близкие значения, что делает разделение недостаточно эффективным. В растворах комплексообразующих веществ неодинаковая устойчивость комплексных ионов разделяемых элементов приводит к различию соотношения концентраций ионных форм и, следовательно, суммарных скоростей миграции элементов [см. уравение (2)]. Однако эти различия могут наблюдаться лишь в довольно узкой зоне концентраций лиганда или значений рН (рис. 2). Применяют несколько вариантов зонного электрофореза.

Рис. 2. Зависимость разности средних скоростей миграции La и Се от рН 0,01 %-ного раствора этилендиаминтетраукеуснойкислоты.

Электрофорез на бумаге осуществляется на листах (полосках) хроматографич. или фильтровальной бумаги, концы которой опущены в электродные камеры. Разделяемая смесь наносится на бумагу в виде пятна либо узкой зоны. По способу отведения теплоты, выделяющейся при прохождении через бумагу электрич. тока, используют приборы: с охлаждающими пластинами из изолирующих материалов; с охлаждающей несмешивающейся с водой органическое жидкостью (рис. 3), например керосином; с естеств. охлаждением бумаги на воздухе или во влажной камере.

Рис. 3. Схема прибора для электрофореза на бумаге: 1 - буферный электролит; 2 - электроды; 3 - кювета с охлаждающей органическое жидкостью; 4 - полоска хроматографич. бумаги; 5 - электролитич. мостик; 6 - водяная рубашка.

При разделении радиоактивных ионов пористой средой служат пленки ацетилцеллюлозы, обладающие однородной микропористой структурой.
Тонкослойный электрофорез. Электромиграцию проводят в слоях порошкообразных материалов (целлюлоза, ацетилцеллоза, Al2О3, кварцевый песок и др.).
Электрофорез в гелях- применяют главным образом для разделения высокомол. соединение, например белков. Для этого обычно в виде блоков и колонок используют гели крахмала и полиакриламида. Адсорбция разделяемых в-в и электроосмос в этих материалах незначительны.
Капиллярный электрофорез- осуществляют в заполненных буферным раствором стеклянных или кварцевых капиллярах длиной 40-100 см и сечением 50-200 мкм. При напряженности электрич. поля 200-500 В/см разделение биологических объектов достигается за 1-2 мин.
Непрерывный электрофорез. Электрич. поле Е направлено под прямым углом к направлению движения жидкости, протекающей через пористую среду. Разделяемая смесь (например, компонентов А и Б) подается узкой струей (рис. 4). Результирующая траектория движения заряженных частиц представляет собой прямую, тангенс угла наклона которой равен отношению скорости миграции частиц к скорости прохождения электролита. Стабилизирующими материалами могут служить указанные выше пористые среды.

Рис. 4. Схема непрерывного электрофореза.

Фокусирующий ионный обмен. Этот метод часто называют электрофоретич. фокусировкой или просто электрофокусированием, связан с наложением градиента концентрации или рН раствора параллельно электрич. полю. Благодаря этому разделяемые ионы могут изменять величину и знак заряда по мере перемещения в поле градиента. При этом в фиксир. точках системы каждый компонент переходит в изоэлектрич. состояние, в котором ср. заряд частиц данного компонента равен нулю. Упомянутые точки являются местом концентрирования (фокусирования) отдельных компонентов смеси (рис. 5). Положение зон фокусирования определяется градиентом концентрации комплексообразующего реагента или рН раствора и константами устойчивости комплексных ионов разделяемых элементов. При разделении смеси белков или др. амфотерных соединений положение зон определяется значениями их изоэлектрич. точек.
Для создания градиента рН электродные камеры заполняются буферными растворами с разными значениями рН. Например, для разделения редкоземельных элементов цериевой группы в 0,001 М растворе этилендиаминтетрауксусной кислоты рН должен изменяться по длине колонки от 1,7 у анода до 2,4 у катода.
В сер. 60-х гг. 20 в. было предложено создавать градиент рН с помощью амфолитов - смесей алифатич. полиаминокислот. Под влиянием электрич. поля амфолиты распределяются в соответствии со своими изоэлекгрич. точками и тем самым образуют градиент рН. Применение амфолитов позволяет добиться весьма высокой разрешающей способности метода: в некоторых случаях удается разделить белки, изоэлектрич. точки которых различаются на 0,02 единицы рН.

Рис. 5. Схема, поясняющая метод электрофокусирования: а - образование градиента концентрации лиганда [А]; б - распределение ионных форм мигранта; в - кон-центрирование лиганда в узкой зоне; см - концентрация мигранта.
Описанный метод, являясь самостоятельным, в то же время представляет собой вариант зонного электрофореза. Во всех модификациях последнего идентификацию и количественное определение веществ в зонах можно проводить как непосредственно на носителе, так и после элюирования. В обоих случаях используют методы радиоактивных индикаторов, фотометрию в прямом и отраженном свете, люминесцентный анализ.

Фронтальные методы основаны на измерении скорости перемещения границы раздела растворов с разной плотностью. Классич. вариант метода был разработан в 1930 и с тех пор применяется для определения подвижности и разделения высокомол. веществ, в частности белков. В простейшей модификации метода в U-образную трубку помещают раствор белков, а над ним буферный электролит, в который погружены электроды. При наложении электрич. поля индивидуальные белки перемещаются с различные скоростями, образуя серию границ. Их положение регистрируют оптический методами по изменению коэффициент преломления.

Изотахофорез. Осн. частью прибора служит капиллярная трубка с анодным и катодным резервуарами на концах. При анализе анионов анодное отделение и капилляр заполняют так называемой лидирующим электролитом, содержащим анион с высокой подвижностью. Ср. скорость миграции анионов в этом электролите должна быть выше подвижности любого аниона в исследуемой смеси. Катодное отделение заполняют так называемой замыкающим электролитом, анион которого имеет подвижность меньшую, чем подвижность любого др. аниона в смеси. Анализируемый образец, в котором нужно определить содержание анионов, вносят между предшествующим и замыкающим электролитами. После подачи напряжения (5-10 кВ) при силе тока до 100 мкА по мере движения анионов к катоду постепенно образуются зоны индивидуальных анионов определенной длины, разделенные четкими границами, ширина которых составляет 0,2-0,3 мм при диаметре капилляра 0,1 мм. После этого все зоны будут перемещаться с одинаковой скоростью (отсюда назв. метода). Соотношение концентраций анионов в двух соседних зонах с1 и с2 в установившемся режиме будет определяться выражением Кольрауша:

с12 = n1/n2, (4)

где n1и n2 - числа переноса.
При анализе катионов лидирующий электролит должен содержать катионы с высокой подвижностью, замыкающий -с миним. для данной системы скоростью миграции.
Кол-во вещества в зоне Q и ее длина l в капилляре постоянного сечения S связаны простым соотношением:

Q = ClS, (5)

где С - коэффициент пропорциональности.
В установившеся режиме градиент потенциала при переходе от лидирующего к замыкающему электролитам скачкообразно возрастает в соответствии с подвижностью ионов, составляющих данную зону. Это приводит к температурным скачкам между зонами, регистрируя которые с помощью термопары можно определить расстояние между зонами и по выражению (5) найти количество в-ва в зоне.

Применение. Э. м. широко используют при анализе биологическое образцов, получении чистых препаратов, для диагностики в медицине. В неорганическое анализе ЭЛЕКТРОМИГРАЦИОННЫЕ МЕТОДЫ м. применяют для разделения смесей радиоактивных элементов, а также в качестве метода физических-химический исследования.

Литература: Троицкий Г. В., Электрофорез белков, Хар., 1962; Константинов Б.В., Ошуркова О. В., "Ж. технич. физики", 1966, т. 36, № 5, с. 942-57; Духин С. С, Дерягин Б. В., Электрофорез, М., 1976; Макарова Т. П., Степанов А. В., "Радиохимия", 1977, т. 19, № 2, с. 125-46; Степанов А.В., Корчемная Е. К., Электромиграционный метод в неорганическом анализе, М., 1979; Остерман Л. А., Исследование биологических макромолекул электрофокусированием, иммуноэлектрофорезом и радиоизотопными методами, М., 1983; Schumacher E., "Helv. Chim. Acta", 1957, v. 40, fasc. 1, p. 221-28; Shaw D. J., Electrophorcsis, L.-N. Y., 1969; Everaerts P.M., "J. Chromatogr.", 1972, v. 65, p. 3-17; Mason C., "Lab. Equip. Dig.", 1990, v. 1, p. 221.

А. В. Степанов.

Химическая энциклопедия. Том 5 >> К списку статей


[каталог]  [статьи]  [доска объявлений]    [обратная связь]

 

 

Реклама
накладка для индукционной плиты
монтаж светодиодной ленты в кухонный гарнитур цена
решетки для кроватей на ножках
wizardfrost.ru

Рекомендуемые книги

Введение в химию окружающей среды.

Книга известных английских ученых раскрывает основные принципы химии окружающей среды и их действие в локальных и глобальных масштабах. Важный аспект книги заключается в раскрытии механизма действия природных геохимических процессов в разных масштабах времени и влияния на них человеческой деятельности. Показываются химический состав, происхождение и эволюция земной коры, океанов и атмосферы. Детально рассматриваются процессы выветривания и их влияние на химический состав осадочных образований, почв и поверхностных вод на континентах. Для студентов и преподавателей факультетов биологии, географии и химии университетов и преподавателей средних школ, а также для широкого круга читателей.

Химия и технология редких и рассеянных элементов.

Книга представляет собой учебное пособие по специальным курсам для студентов химико-технологических вузов. В первой части изложены основы химии и технологии лития, рубидия, цезия, бериллия, галлия, индия, таллия. Во второй части книги изложены основы химии и технологии скандия, натрия, лантана, лантаноидов, германия, титана, циркония, гафния. В третьей части книги изложены основы химии и технологии ванадия, ниобия, тантала, селена, теллура, молибдена, вольфрама, рения. Наибольшее внимание уделено свойствам соединений элементов, имеющих значение в технологии. В технологии каждого элемента описаны важнейшие области применения, характеристика рудного сырья и его обогащение, получение соединений из концентратов и отходов производства, современные методы разделения и очистки элементов. Пособие составлено по материалам, опубликованным из советской и зарубежной печати по 1972 год включительно.

 

 



Рейтинг@Mail.ru Rambler's Top100

Copyright © 2001-2012
(29.03.2017)