Вконтакте Одноклассники Фейсбук Гугл+ Английский Испанский Итальянский Русский Украинский

Реклама

Электрокинетические явления и электрофорез (терминология, понятие, общие сведения, применение в медицине и биологии)



Электрокинетические явления и электрофорез (терминология, понятие, общие сведения, применение в медицине и биологии)

Электрокинетические явления (греч. Elektron - янтарь + kynesis - движение) - это группа явлений, обусловленных наличием на границе раздела фаз дисперсных систем (см. Дисперсные системы) двойного электрического слоя (ДЭС) и способностью диффузной части этого слоя перемещаться относительно электростатически и адсорбционно связанной неподвижной его части.

Вследствие избирательной адсорбции одного из ионов электролита, содержащегося в дисперсионной среде, либо за счет поверхностной диссоциации функциональных групп (поверхностная ионизация) на поверхности частиц дисперсной фазы возникает электрический заряд. Электрические заряды поверхности частиц с противоположно заряженными ионами (противоионами) дисперсионной среды образуют двойной электрический слой (ДЭС). Одна часть противоионов прилегает непосредственно к заряженной поверхности, образуя адсорбционный (плотный) слой - слой Гельмгольца. Вторая часть противоионов под действием теплового движения распространяется в глубину фазы, образуя диффузный слой - слой Гуи - Чепмена. Заряд твердой поверхности характеризует величину поверхностного потенциала φ0, который состоит из падения потенциала φδ в диффузной части и разности потенциалов φ0 - φδ. Причем часть потенциала φδ дает значение электрокинетического (дзета) ξ-потенциала, который соответствует разности потенциалов между границей скольжения жидкости и глубиной раствора. Предел скольжения - это граница между неподвижной, связанной с поверхностью, и подвижной частями двойного слоя, то есть граница между частью, способной двигаться в электрическом поле, и окружающей жидкостью. Величина ξ-потенциала может служить мерой интенсивности электрокинетических явлений.

К электрокинетическим явлениям принадлежат электрофорез, электроосмос, потенциалы течения и седиментации.

Строение двойного электрического слоя - изменение в нем потенциала: δ - толщина слоя Гельмгольца; λ - толщина слоя Гуи -Чепмена (расстояние, на котором потенциал диффузной части слоя φδ уменьшается в е раз)

Электрофорез (катофореза) (рус. Электричество + греч. Рhoresis - несение, перенесение) - явление направленного перемещения заряженных микрочастиц в жидком (чаще всего в одном) среде под действием внешнего электрического поля. Механизм электрофореза состоит в том, что под действием электрического поля двойного электрического слоя частиц дисперсной фазы разрывается на грани скольжения, частица приобретает определенный заряда и перемещается к противоположно заряженному электроду, а противоионы диффузного слоя двигаются в противоположную сторону. Линейная скорость перемещения заряженной частицы (дисперсной фазы) u0 определяется по уравнению Гельмгольца - Смолуховского:

u0 = ε ε0 ζ Ε / η,

где: ε - относительная диэлектрическая проницаемость среды; ε0 - электрическая постоянная 8,854 • 10-12 Ф / м; Ε - напряженность электрического поля; η - вязкость среды.

Электроосмос (электроэндоосмос) - (рус. Электричество + греч. Osmos - толкание, давление) - явление направленного перемещения жидкостей через твердые капиллярно-пористые материалы и диафрагмы под действием внешнего электрического поля. Механизм электроосмоса можно объяснить следующим образом.

На внутренней поверхности капилляров диафрагмы образуется двойной электрический слой вследствие поверхностной диссоциации функциональных групп, избирательной адсорбции одного из ионов электролита, содержащегося в растворе, или в результате адсорбции на поверхности капилляра ионов Н + или ОН, всегда присутствующих в воде. При наложении электрического поля диффузный слой противоионов по границе скольжения движется параллельно недвижимого адсорбционного слоя к электроду соответствующего знака, при этом с ним движется и определенная часть дисперсионной среды, так как между гидратной оболочкой иона и окружающей жидкостью действуют силы внутреннего трения и молекулярного сцепления. К противоположному электрода движутся те ионы из объема жидкости, которые имеют знак, противоположный знаку противоионов. Объемная скорость течения жидкости (v = u0 s) через пористую диафрагму определяется по уравнению Гельмгольца - Смолуховского:

v = ε ε0 ζ I / κ η,

где I - сила тока; k - удельная электрическая проводимость; s - площадь поперечного сечения капилляров. В приведенное уравнение не входят размеры капилляра, что позволяет измерить объемную скорость течения жидкости не через отдельный капилляр, а через систему капилляров, то есть через пористую диафрагму.

Явление, обратное к электроосмосу, является потенциалом течения. При течении под давлением жидкости через пористую диафрагму между противоположными поверхностями диафрагмы (на концах капилляров) возникает разность потенциалов, которую называют потенциалом течения. Он обусловлен наличием ДЭС на границе раздела фаз. При течении под давлением жидкости через пористую диафрагму происходит деформация двойного электрического слоя, а ионы диффузного слоя смещаются в направлении потока жидкости. В результате движения зарядов вдоль границы возникает поверхностный ток и разность потенциалов на концах капилляров диафрагмы; эта разность потенциалов, в свою очередь, приводит к появлению тока проводимости вобратном направлении. Разность потенциалов увеличивается, пока эти токи не сравнятся. С этого момента она приобретает установившегося значения: Uт = ε ε0 ζ Р / ηκ, где Р - давление, вызывает течение жидкости. При осадке дисперсных частиц под действием силы тяжести двойного электрического слоя, окружающих частицу, деформируются за счет трения о слой жидкости. В результате диффузные ионы отстают от частиц, которые движутся, и по высоте оседания возникает разность потенциалов, которую называют потенциалом седиментации uс - явление, обратное к электрофореза.

Потенциал седиментации определяют по уравнению: uс = ε ε0 ζ φ (ρ-ρ0) g / ηκ, где ρ и ρ0 - плотность дисперсной фазы и дисперсионной среды; g - ускорение силы тяжести; φ - объемная доля дисперсной фазы, для сферических частиц радиусом r и количеством n в единице объема равняется.

Применение электрокинетических явлений в медицине и биологии

Электрокинетические явления широко используют в фармации, биологии, медицине. Так, в фармации электрофорез используют как аналитический и препаративный метод разделения и выделения различных лекарственных веществ и БАВ. По ним определяют степень чистоты антибиотиков, витаминов и др. С его помощью лекарственные препараты вводят в организм человека (см. Электрофорез лекарств).

Исследование электрофореза открыли возможности для характеристики сложных природных белков (их фракционного состава), характеристики энзимов, вирусов, бактерий, форменных элементов крови и др. Сегодня электрофорез является одним из основных методов в нейрофизиологических, нейрофармакологической и нейрохирургических исследованиях. Электроосмос используют для обезвоживания перевязочного материала и ин.

Литература

  1. Воюцкий С.С. Курс коллоидной химии. - М., 1976;
  2. Духин С.С. Электропроводность и электрокинетические свойства дисперсных систем. - М., 1975;
  3. Парфенов А.П. Электрофорез лекарственных веществ. - Л., 1973;
  4. Физическая и коллоидная химия / В.И. Кабачный, Л.К. Осипенко, Л.Д. Грицан и др. - Х., 1999.

Полезно знать

^Наверх