MAKROMOLEKULÁRIS GYÓGYSZERHORDOZÓ, KONJUGÁTUMAI ÉS MULTIDROG REZISZTENCIA ELLENES PEPTIDEK VIZSGÁLATA NAGY HATÉKONYSÁGÚ ELVÁLASZTÁSTECHNIKAI MÓDSZEREKKEL PHD. ÉRTEKEZÉS Győrffy Erika Témavezető: Programvezető: Prof. Dr. Kéri György Prof. Dr. Mandl József Budapest, 2002. Semmelweis Egyetem Doktori Iskola Tudományági Doktori Iskola: Molekuláris Orvostudományok Semmelweis Egyetem Orvosi Vegytani, Molekuláris Biológiai és Pathobiokémiai Intézet Szigorlati Bizottság: Hivatalos Bírálók: Dr. Staub Mária Dr. Mészáros György Dr. Dibó Gábor Dr. Kremmer Tibor Dr. Csermely Péter 1
TARTALOMJEGYZÉK ÖSSZEFOGLALÓ...i Summary... ii Rövidítések jegyzéke... iii I. BEVEZETÉS ÉS IRODALMI ÁTTEKINTÉS...1 I.1. AZ ALKALMAZOTT ELVÁLASZTÁSTECHNIKAI MÓDSZEREK ISMERTETÉSE...3 I.1.1. kapilláris elektroforézis (CE = Capillary Electrophoresis)...3 I.1.2. Nagy nyomású folyadékkromatográfia (HPLC = High Pressure / Performance Liquid Chromatography)...30 I.1.3. Gélszűrő kromatográfia (GPC = Gel Permeation Chromatography)...33 I.2. A VIZSGÁLT VEGYÜLETCSOPORTOK ISMERTETÉSE...34 I.2.1. Makromolekuláris hordozók jelentősége a modern gyógyszertervezésben...34 I.2.2. Tirozin kinázok és tirozin kináz inhibitorok...37 I.2.3. Multidrog rezisztencia és multidrog rezisztencia ellenes hatóanyagok...39 II. CÉLKITŰZÉSEK...44 III. KÍSÉRLETI RENDSZER...45 III.1. Anyagok és eszközök...45 III.1.1. Vegyszerek...45 III.1.2. Vizsgált anyagok...46 III.1.3. Eszközök...49 III.1.4. Pufferek...50 III.2. Az alkalmazott vizsgálati módszerek leírása...52 III.2.1. A poli-(n-vinilpirrolidon-co-maleinsav) és konjugátumai vizsgálata...52 III.2.2. A multidrog rezisztencia ellenes peptidekkel végzett vizsgálatok...54 III.2.3. A k módosított retenciós faktor jellemzése...56 IV. EREDMÉNYEK...58 IV.1. A poli-(n-vinilpirrolidon-co-maleinsav) és konjugátumai vizsgálati eredményei...58 IV.1.1. A szabad zónás kapilláris elektroforézissel végzett vizsgálatok eredményei (II)...58 IV.1.2. A micelláris elektrokinetikus kromatográfiával végzett vizsgálatok eredményei (II)...66 IV.1.3. A gélkromatográfiás vizsgálatok eredményei (I)...72 IV.1.4. A poli-(n-vinilpirrolidon-co-maleinsav) titrálási görbéje (II)...80 IV.2. A multidrog rezisztencia ellenes peptidek vizsgálati eredményei...81 IV.2. A multidrog rezisztencia ellenes peptidek vizsgálati eredményei...82 IV.2.1. A micelláris elektrokinetikus kromatogáfiával végzett vizsgálatok eredményei (III)...82 IV.2.2. A fordított fázisú nagy nyomású folyadékkromatográfiás vizsgálatok eredményei (III)...86 IV.3. A k módosított retenciós faktor jellemzése...90 IV.3.1. A homológ sorok k módosított retenciós faktorainak jellemzése (IV)...90 IV.3.2. A hidrofób peptidek k módosított retenciós faktorainak jellemzése (IV)...97 IV.3.2. A hidrofób peptidek k módosított retenciós faktorainak jellemzése (IV)...98 V. AZ EREDMÉNYEK MEGBESZÉLÉSE...105 V.1. A polimer gyógyszerhordozó és konjugátumai vizsgálata (I, II)...105 V.2. A multidrog rezisztencia ellenes peptidek vizsgálata (III)...106 V.3. A k módosított retenciós faktor jellemzése (IV)...108 2
VI. KÖVETKEZTETÉSEK...110 VII. KÖSZÖNETNYILVÁNÍTÁS...113 VIII. IRODALOMJEGYZÉK...114 IX. SAJÁT KÖZLEMÉNYEK JEGYZÉKE...134 3
ÖSSZEFOGLALÓ Kutatómunkám egy makromolekuláris gyógyszerhordozó és daganatterápiás célra előállított tirozin kináz gátló hatóanyagokat tartalmazó konjugátumai, illetve multidrog rezisztencia ellen tervezett hidrofób peptidek nagy hatékonyságú elválasztástechnikai módszerekkel történő analízisére irányult. Szabad zónás kapilláris elektroforézis, micelláris elektrokinetikus kromatográfiás és gélkromatográfiás módszereket dolgoztam ki a poli-(n-vinilpirrolidon-co-maleinsav) szabad gyógyszerhordozó és konjugátumainak elválasztására. Kimutattam, hogy a polimer láncok a monomereknél nagyobb saverősségű karboxil csoportokat is tartalmaznak. Bizonyítottam, hogy bár elvileg kétféle saverősségű karboxil csoport épül be a makromolekulákba, a polimerek nem kétféle, hanem sokféle saverősségű karboxil csoportok sorozataival rendelkeznek, ami befolyásolhatja a gyógyszerhordozó és konjugátumai viselkedését az élő szervezetben, illetve magát a konjugálás folyamatát. Kimutattam a makromolekulák polidiszperz jellegét is. Micelláris elektrokinetikus kromatográfiás és fordított fázisú folyadékkromatográfiás módszereket dolgoztam ki potenciális multidrog rezisztencia ellenes hatással rendelkező hidrofób peptidek elválasztására, hidrofóbicitásuk jellemzésére és összefüggést mutattam ki hidrofóbicitásuk mértéke és biológiai hatékonyságuk között. Ez elsősorban molekulakönyvtárak tesztelése esetén előnyös. Két homológ sor és az általam vizsgált hidrofób peptidek micelláris elektrokinetikus kromatográfiás mérési adatai alapján tanulmányoztam a k módosított retenciós faktor tulajdonságait és alkalmazhatóságát a molekulák hidrofóbicitásának számszerűsítésére. Bebizonyítottam, hogy k módosított retenciós faktor sikeresen alkalmazható a mintakomponensek hidrofóbicitásának és hidrofóbicitásbeli különbségeinek a becslésére. Elért eredményeim hozzájárultak a micelláris elektrokinetikus kromatográfia elméleti hátterének a fejlesztéséhez. i
The analysis of a macromolecular drug carrier, its conjugates and multidrug resistance reversal peptides by high-performance separation techniques SUMMARY The aims of my research has been to analyse a macromolecular drug carrier and its tyrosin kinase inhibitor-containing conjugates, as well as particular multidrug resistance reversetargeted hydrophobic peptides by high-performance separation techniques. Free zone capillary electrophoresis, micellar electrokinetic chromatographic and gel permeation chromatographic methods have been elaborated and optimised for the separation of the poly-(n-vinylpyrrolidone-co-maleic acid) drug carrier macromolecule and its conjugates. As a result, the presence of extremely strong carboxyl groups on the polymer chain has been demonstrated. A series of carboxyl groups with a wide range of acidity has also been recognised on the polymer chain. These carboxyl groups can influence the behaviour of the free drug carrier and its conjugates in organisms, and the conjugation process itself. Polydispersity of all the investigated macromolecules has also been proved. Micellar electrokinetic chromatographic and reversed phase high performance liquid chromatographic methods have been developed and optimised for the analysis of potential multidrug resistance reversal hydrophobic peptides and for the characterisation of their hydrophobicity. A relationship has been recognised between their hidrophobicity and their biological activity. This relationship can be used in the prescreening of multidrug resistance reversal capacity of entire molecule libraries, before biological testing. The behaviour of the k normalised retention factor and its applicability to estimate the hydrophobicity have also been investigated based on the micellar electrokinetic chromatographic experimental data of two homolog series from the literature and of the multidrug resistance reversal hydrophobic peptides. This investigation contributed to the development of the theoretical background of micellar electrokinetic chromatography. ii
RÖVIDÍTÉSEK JEGYZÉKE ACE ACN BOC Bzl CE CEC CGE CIEF CITP CMC CZE D D mc E EOF f i FMOC GPC HPLC affinitás kapilláris elektroforézis (Affinity Capillary Electrophoresis) acetonitril t-butiloxikarbonil benzil kapilláris elektroforézis (Capillary Electrophoresis) kapilláris elektrokromatográfia (Capillary Electrochromatography) kapilláris gélelektroforézis (Capillary Gel Electrophoresis) kapilláris izoelektromos fókuszálás (Capillary Isoelectric Focusing) kapilláris izotachoforézis (Capillary Isotachophoresis) kritikus micellakoncentráció (Critical Micelle Concentration) szabad zónás kapilláris elektroforézis (Capillary Zone Electrophoresis) diffúziós állandó micella diffúzós állandója elektromos térerő elektroozmótikus áramlás (Electroosmotic Flow) korrekciós faktor 9-fluorenilmetiloxikarbonil gélszűrő kromatográfia (Gel Permeation Chromatography) nagy nyomású folyadékkromatográfia (High Performance Liquid Chromatography) megoszlási hányados K k retenciós faktor a MEKC-ben k módosított retenciós faktor a MEKC-ben k HPLC retenciós faktor a HPLC-ben L d L t MDR MEKC MS N NaDS NBD P q i r r i RP-HPLC R s kapilláris hossza a detektorig kapilláris teljes hossza multidrog rezisztencia (Multidrug Resistance) micelláris elektrokinetikus kromatográfia (Micellar Electrokinetic Cromatography) tömegspektrometria (Mass Spectometry) elméleti tányérszám nátrium dodecilszulfát nukleotidkötő domén (Nucleotide Binding Domain) poli-(n-vinilpirrolidon-co-maleinsav) i mintakomponens iontöltése kapilláris sugara i mintakomponens ionrádiusza fordított fázisú nagy nyomású folyadékkromatográfia (Reversed Phase High Performance Liquid Chromatography) felbontás (Resolution) iii
S számolt hidrofóbicitás t 0 holtidő (HPLC), elektroozmótikus áramlással mozgó semleges mintakomponensek migrációs ideje (CE) tbu t-butil TEA trietilamin TEAP trietilamin foszfát TK1 2-ciano-3-hidroxi-5-amino-2-pentenil (4 -trifluorometil anilid) TK2 (6, 7 dimetil-1 -quinoxalinil) 4-(2 amino) acetanilid t m migrációs idő t app m, i i mintakomponens látszólagos migrációs ideje t ion ion migrációs ideje t r retenciós idő V feszültség V 0 kizárási térfogat V e elúciós térfogat V M mozgó fázis térfogata V S micelláris fázis térfogata V t teljes térfogat v app, i i mintakomponens látszólagos ( apparent ) elektroforetikus sebessége v eo elektroozmótikus áramlás sebessége v ep, i i mintakomponens elektroforetikus sebessége Z benziloxikarbonil α szelektivitás α i disszociációfok σ t standard deviáció ε dielektromos állandó ζ zeta potenciál η viszkozitás µ 0,i i mintakomponens abszolút elektroforetikus mobilitása µ act,i i mintakomponens aktuális elektroforetikus mobilitása µ app, i i mintakomponens látszólagos mobilitása µ app, mc micellák látszólagos mobilitása µ eff, i i mintakomponens effektív elektroforetikus mobilitása µ eo elektroozmótikus áramlás mobilitása µ ep, i i mintakomponens elektroforetikus mobilitása µ mc micellák elektroforetikus mobilitása iv
I. BEVEZETÉS ÉS IRODALMI ÁTTEKINTÉS Kutatómunkám egy makromolekuláris gyógyszerhordozó és daganatterápiás célra előállított tirozin kináz gátló hatóanyagokat tartalmazó konjugátumai, illetve multidrog rezisztencia ellen tervezett hidrofób peptidek nagy hatékonyságú elválasztástechnikai módszerekkel történő analízisére irányult. Gyógyszerjelölt molekulák esetében nagyon fontos a nagy hatékonyságú, gyors, szelektív és kis anyagigényű analitikai módszerek kidolgozása. Különösen hasznosak lehetnek azok az elválasztástechnikai módszerek, amelyek alkalmazásával olyan adatok birtokába is juthatunk, amelyekkel egyben a vizsgált komponens tulajdonságait is jellemezhetjük, pl. hidrofil / hidrofób jellegét, szerkezet-hatás összefüggését, saverősségét. A minél teljesebb értékű jellemzés érdekében indokolt, hogy a molekulákat több szempontból, több analitikai módszerrel is megvizsgáljuk. A gyógyszerkutatás egyik modern tendenciája a polimer gyógyszerhordozók felhasználása a különböző kismolekulájú hatóanyagok szervezetbe való bejuttatására. Makromolekulákhoz való konjugálásuk által megnő a hatóanyagok felezési ideje, kémiai stabilitásuk, javul a bioelérhetőségük, szelektivitásuk, csökken a citotoxicitásuk és enyhébb immunválaszt eredményezhetnek, tehát az esetleges mellékhatások visszaszorulhatnak. Gyógyszeranalitikai szempontból a polimerek és konjugátumaiknak vizsgálata kihívásnak bizonyul, mivel szemben a hagyományos hatóanyagokkal, a polimer-hatóanyagok polidiszperz jellegűek, vizsgálatukhoz tehát nagy hatékonyságú, nagy érzékenységű elválasztástechnikai módszerek kidolgozása szükséges. A daganatellenes terápia egyik perspektíváját a tirozin kináz gátlók kifejlesztése jelenti, mivel a tirozin kináz molekulák számos olyan folyamatban játszanak szerepet, amelyek összefüggésben állnak a daganatok kifejlődésével, mint pl. a sejtosztódás szabályozása, apoptózis, angiogenezis, stb. Munkacsoportunk a poli-(n-vinilpirrolidon-co-maleinsav) polimert alkalmazta makromolekuláris gyógyszerhordozóként és ehhez két tirozin kináz gátló molekulát konjugált. Ez azt a feladatot állította elénk, hogy a makromolekuláris gyógyszerhordozó és konjugátumai jellemzésére alkalmas elválasztástechnikai módszereket dolgozzunk ki. 1
Daganatos betegek citosztatikus terápiája során gyakran előforduló jelenség a multidrog rezisztencia, amely nagymértékben meggátolhatja a kezelés eredményességét. A multidrog rezisztenciáért felelős membrántranszporter család egyik fontos tagja az MDR1 fehérje, melynek inhibitorai általában erősen toxikus mellékhatásokkal is rendelkeznek. Ezzel szemben a nagyon hidrofób, L-aminosavakból álló, a C és N végeken nagytérfogatú aromás, vagy alkil vegyületekkel védett di- és tripeptid származékok (reverzinek) alacsony toxicitású, a szervezetben könnyen bomló MDR1 fehérje modulátorok és néhányuk szubsztrátja is a transzportfehérjének. Munkacsoportunk ilyen kisméretű hidrofób peptideket (reverzineket) állított elő az MDR1 fehérje ATP-áz aktivitásának gátlására. Ennek kapcsán olyan elválasztástechnikai módszereket kellett kidolgozni, amelyek lehetővé teszik a rendkívül hidrofób molekulák analízisét, hidrofóbicitásuk jellemzését és rávilágítanak a hidrofóbicitásuk és biológiai hatékonyságuk közti esetleges összefüggésre. A modern gyógyszerkutatásban egyre erősebben hidrofób molekulák kerülnek elő, amelyeknek hidrofóbicitása meghatározó jellegű lehet a biológiai hatékonyságukban, molekuláris hatásmechanizmusukban. Ezzel együtt jelentkezik az az igény is, hogy olyan elválasztástechnikai módszereket dolgozzunk ki, amelyek alkalmasak az egyre apolárosabb molekulák elválasztására és hidrofóbicitásuk jellemzésére. A fordított fázisú folyadékkromatográfiát és a micelláris elektrokinetikus kromatográfiát hagyományszerűen használják gyógyszerjelölt molekulák hidrofóbicitásának meghatározására a szerkezet-hatás összefüggések tanulmányozása folyamán. A víz-oktanollal történő kirázáshoz viszonyítva ezek az eljárások számos előnnyel rendelkeznek: sokkal kisebb mintamennyiséget igényelnek, automatizálható módszerek és nem szükséges a minták előtisztítása, mert az eljárások során egyidejűleg végbemegy a vizsgált komponens elválasztása is. A hidrofóbicitás mértékének a számszerűsítésére a migrációs idők, illetve az elúciós idők alapján számolt retenciós faktorokat használják. 1984-ben Terabe és munkatársai bevezették a k retenciós faktort a micelláris elektrokinetikus kromatográfiába. Egy 1996-os közleményben kutatócsoportunk bevezette a k módosított retenciós faktort a micelláris elektrokinetikus kromatográfiába, amely a k retenciós faktorhoz viszonyítva véges tartományban mozgó, lineáris jellegű függvény. Kutatási munkám során két homológ sor szakirodalomból vett mérési adatai és az általam vizsgált hidrofób peptidek mérési adatai alapján tanulmányoztam a 2
k módosított retenciós faktor tulajdonságait és alkalmazhatóságát a molekulák hidrofóbicitásának a számszerűsítésére. A kutatási munkámban alkalmazott nagy hatékonyságú elválasztási módszerek más-más szempontból teszik lehetővé a polimer gyógyszerhordozó, konjugátumai és a hidrofób peptidek vizsgálatát és jellemzését: a szabad zónás kapilláris elektroforézis elsősorban fajlagos töltésbeli különbségek alapján tud szeparálni; a micelláris elektrokinetikus kromatográfia és a fordított fázisú folyadékkromatográfia a mintakomponensek hidrofóbicitásbeli különbségeit észlelik; a gélkromatográfia pedig a látszólagos mólsúly alapján választ el. I.1. AZ ALKALMAZOTT ELVÁLASZTÁSTECHNIKAI MÓDSZEREK ISMERTETÉSE I.1.1. kapilláris elektroforézis (CE = Capillary Electrophoresis) I.1.1.1. TÖRTÉNELMI HÁTTÉR A kapilláris elektroforézis a hagyományos elektroforézis módszereiből fejlődött ki az 1970-es években és bár korábbi próbálkozások is történtek, ennek az elválasztási technikának a kidolgozása J.W. Jorgenson, S. Hjerten és K.D. Lukacs nevéhez fűződik (96, 114, 121, 138). Az első szabad zónás elektroforézist kisméretű (3 mm belső átmérőjű) kapillárisban Hjerten végezte 1967-ben. 1974-ben Virtenen leírta a kis belső átmérőjű oszlopok használatának az előnyeit az elválasztásban. Mikkers és munkatársai 1979-ben 200 µm belső átmérőjű politetrafluoroetilén kapillárisban végeztek szabad zónás elektroforézist. 1981-ben Jorgenson és Lukacs kidolgozták a 100 µm-nél kisebb belső átmérőjű kapillárisban végzett elektroforetikus elválasztás elméleti hátterét. A nyolcvanas években kezdték bevezetni a különböző kapilláris elektroforézis technikákat: 1983- ban Hjerten kidolgozta a kapilláris gélelektroforézis módszert, amelynek előnyeit Cohen és Karger 1987-ben írták le (40). 1984-ben Terabe és munkatársai bevezették a micelláris elektrokinetikus kromatográfiát és kidolgozták az elméleti hátterét (208, 209). 1989-ben jelentek 3
meg az első kereskedelmi kapilláris elektroforézis készülékek. A kilencvenes években egyre újabb kapilláris elektroforézis technikák jelentek meg, mint például a kapilláris izoelektromos fókuszálás, kapilláris izotachoforézis, kapilláris elektrokromatográfia, affinitás kapilláris elektroforézis. I.1.1.2. A KAPILLÁRIS ELETROFORÉZIS KÉSZÜLÉK FELÉPÍTÉSE A készülék alapvető alkotóelemei: mintaadagoló egység; két puffertartály amelyekbe belemerülnek az elektródák és a kapilláris két vége; kapilláris; detektor; termosztát; magasfeszültségű tápegység és számítógépes vezérlő-, adatgyűjtő és adatfeldolgozó rendszer. Mindezt kiegészítheti frakciószedő, több detektor, automatizált mintaadagoló [1. ábra]. vezérlő és adatgyűjtő + kapilláris detektor _ puffer puffer mintatartó tápegység 1. ábra. A kapilláris elektroforézis készülék vázlatos felépítése (52) Mintaadagoló egység (injektor) Változtatható osztásarányú mintaosztón (splitteren) keresztüli adagolás A mintabevitel HPLC típusú fecskendővel, mechanikus úton történik. Mintaadagolás közben a nagy térfogatú (általában µl nagyságrendű) minta adott arányban megoszlik az analizáló és az elvezető (megosztó) kapilláris között, így a mintának csak egy bizonyos hányada kerül az analizáló kapillárisba. Az analizáló kapillárisba juttatott minta mennyiségét a megosztó kapilláris hosszának változtatásával és az injektálási térfogattal lehet szabályozni. Tipikus megoszlási arány például az 1:1000, vagyis 1 µl mintából 1 nl kerül az analizáló kapillárisba. 4
Elektroozmótikus (elektrokinetikus) adagolás Ebben az esetben a mintabevitel feszültség hatására történik: a mintakomponensek saját elektroforetikus mozgékonyságuk és az elektroozmótikus áramlás hatására kerülnek a kapilláris végébe, ezért az elektroozmótikus áramlás létrejöttét biztosító körülmények között alkalmazható. Az adagolt minta mennyiségét az injektálási feszültség és az injektálási idő határozza meg. Az eljárás hátránya, hogy a nagyobb mozgékonyságú molekulák nagyobb számban kerülnek be a kapillárisba az adott injektálási időn belül, mint a kisebb mozgékonyságúak. Hidrodinamikus adagolás Három főbb típusa ismeretes: - hidrosztatikus adagolás ( gravity flow injection ) a mintaadagoló edénykét a belemerített kapillárisvéggel magasabb szintre emelik a másik kapillárisvéghez viszonyítva a mintabevitel idejére. A bejuttatott mintamennyiséget a mintaadagolás időtartamával és a szintkülönbséggel lehet szabályozni. - pneumatikus mintabevitel a mintaadagolás külső nyomás hatására történik. - vákuumos mintabevitel vákuum hatására történik a mintaadagolás. Elválasztó egység: a kapilláris Legelterjedtebbek a poliimid külső védőréteggel ellátott, ömlesztett ( fused ) kvarc kapillárisok, amelyek belső felülete lehet szabad (nem borított), vagy kémiailag módosított. Népszerűségüket alátámasztja hajlékonyságuk, jó hőleadó képességük és optikai áteresztőképességük az UV tartományban. Néhány esetben alkalmaztak polietilén, illetve teflon kapillárist is. A 20-100 cm hosszúságú kapillárisok belső átmérője általában 10-100 µm közötti és kör keresztmetszetű. A nemborított kvarc kapillárisok szabad szilanol csoportjai kölcsönhatásba léphetnek a mintakomponensek molekuláival és adszorpciót idézhetnek elő a fal felületén. Ennek visszaszorítása érdekében a kapillárisok belső felületét különböző borítóréteggel szokták ellátni, például: poli-(akrilamid), poli-(etilénglikol), poli-(etilénimin), poli-(vinilpirrolidon) réteggel (20, 21, 59, 99, 151, 191, 199, 241). Kapilláris gélelektroforézisben a kapillárisokat különböző gélekkel, például a poli-(akrilamid), agaróz gélekkel töltik fel (15, 53, 64, 88, 94, 97, 178, 234). Napjainkban már a kapilláris elektroforézisre alkalmas chipek gyártása is megvalósult (46, 97, 182). 5
Detektor A kapilláris elektroforézisben, hasonlóan a HPLC-hez, sokféle detektálási módszert alkalmaznak. A leggyakrabban alkalmazott módszerek, módszercsoportok: ultraibolya (UV)-, látható (VIS)- és fluoreszcens- vagy lézer indukált fluoreszcens-, elektrokémiai-, refraktometriás-, lángionizációs detektálás, indirekt detektálás, tömegspektrometriás-, illetve nukleáris mágneses rezonancián alapuló detektálási módszerek. A módszerek egy része lehetővé teszi a mintakomponensek folyamatos, az analízissel egyidejű ( on-line, on column ) detektálását, de előfordul az analízist követő ( off-line ) detektálás is, amikor az elválasztott komponenseket kinyerik a kapillárisból, majd a kinyert frakciókat analizálják. Legelterjedtebb módszer az ultraibolya detektálás melynek előnye, hogy a mintakomponenseket az elválasztás megszakítása nélkül, egyenesen a kapillárisban képes detektálni, külön detektorcella nélkül (174, 234). Mivel a fényút hosszát a kapilláris átmérője határozza meg, a kapilláris átmérője nem csökkenthető tetszőleges buborék alakú kapilláris toldat Z alakú kapilláris szögletes keresztmetszetű kapilláris 2. ábra. Speciális alakú kapillárisok és kapilláris toldatok (52) mértékben, mert így automatikusan a fényút hossza és a kapott jel intenzitása is csökken. Az érzékenység növelésére elektronikus módszereket (zajszűrés, jel-zaj arány javítása), illetve speciális alakú kapillárisokat alkalmaznak, amelyekkel a fényút hossza növelhető. Ilyenek például a buborék alakú kapilláris toldatok, a Z-alakú kapillárisok, vagy a szögletes keresztmetszetű kapillárisok (52, 86) [2. ábra]. 6
1989-ben kísérleteztek először egy HPLC diódasoros detektor átalakításával úgy, hogy alkalmazhatóvá tegyék kapilláris elektroforézises detektáláshoz is. Azóta az utraibolya elnyelésen alapuló detektorok között egyre terjed a diódasoros detektorok alkalmazása (44, 87). Ez utóbbi berendezés nemcsak egy hullámhosszon képes detektálni az elnyelést, hanem az egyes komponensek UV spektrumát is képes felvenni. A spektrum alapján segítséget kaphat az analitikus az egyes komponensek kémiai azonosításában és a kapott csúcsok tisztaságának (egységességének) ellenőrzésében. Az UV detektáláshoz viszonyítva érzékenyebb módszereknek bizonyulnak a fluoreszcencia (érzékenységi határ: 10-8 -10-5 M) és a lézer indukált fluoreszcencia (érzékenységi határ: 10-9 -10-7 M) detektálási technikák (172, 234, 239). Az elválasztást megelőzően, vagy azt követően gyakran kell származékképzéshez folyamodni (239). Rendkívül jelentős a tömegspektrometriás (MS) detektálásnak az alkalmazása a kapilláris elektroforézisben, mivel nemcsak rendkívül érzékeny (mérési határ: 10-9 -10-5 M), hanem lehetőséget ad a kémiai szerkezet meghatározására is. A kapilláris elektroforézis készülék tömegspektrométerhez való kapcsolása például a következő esetekben volt kivitelezhető: elektrospray tömegspektrometria (CE/ES-MS = Capillary Electrophoresis/Electrospray Mass Spectometry) (64, 221), elektrospray ionizációs tömegspektrometria (CE/ESI-MS = Capillary Electrophoresis/Electrospray Ionization Mass Spectometry) (222), mátrix-asszisztált lézerdeszorpciós/ionizációs time-of-flight tömegspektrometria (CE/MALDI-TOF-MS = Capillary Electrophoresis/Matrix-Assisted Laser Desorption/Ionization Time-of-Flight Mass Spectometry) (113, 240), egyenletes folyású, gyorsított atombombázó tömegspektrometria (CE/CF-FAB MS = Capillary Electrophoresis/Continuous Flow-Fast Atom Bombardment Mass Spectometry) (230). 7
TÁPEGYSÉG Szabályozható, állandó feszültség, vagy állandó áram kiadására alkalmas berendezés. Újabban programozható tápegységeket is használnak, ahol a feszültség vagy az áramerősség az analízis során programozottan változtatható. A ma alkalmazott tápegységek 0-30 kv tartományban képesek dolgozni. Nemzetközi megegyezés szerint a polaritás pozitív előjelű, ha az anód az injektor felöli elektróda és negatív, ha a katód az injektorhoz közel eső elektróda. TERMOSZTÁLÓ EGYSÉG A kapilláris nagy fajlagos felülete lehetővé teszi, hogy az elválasztás alatt fejlődő Joule-hőt a termosztáló rendszer hatékonyan el tudja vezetni. A kapilláris termosztálása nagyon lényeges, mert az analizált komponensek mobilitása 1 ºC hőmérsékletingadozás hatására kb. 2%-kal változik (161, 224). VEZÉRLŐ, ADATGYŰJTŐ, ADATFELDOLGOZÓ EGYSÉG E vezérlő, adatgyűjtő, adatfeldolgozó rendszerek ugyanazokat a funkciókat látják el, mint a HPLC-ben alkalmazott hasonló rendszerek. Alkalmasak az elválasztás során kapott adatok gyűjtésére, tárolására és feldolgozására, a kapott elektroferogramok mennyiségi kiértékelésére (integrálás), elektroferogramok összeadására, kivonására, alkalmasak külső- és belső standardos mennyiségi meghatározások elvégzésére, a mintakomponensek standardokkal történő azonosítására, dokumentáció készítésére. A vezérlőrendszerek a berendezés meghatározott program szerinti működtetését végzik (mintaadagolás, analízis, kapillárisöblítés, adatgyűjtő rendszer indítása, automatikus analízis). FRAKCIÓSZEDŐ Bár a kapilláris elektroforézis éppen a minta kis mennyiségénél fogva - nem kifejezetten preparatív módszer, számos megoldást fejlesztettek ki az elválasztott komponensek frakcionált gyűjtésére. A kapilláris végén kilépő komponenseket a kapilláris alatt egyenletes sebességgel elhaladó hordozóra (pl. szűrőpapír, nitrocellulóz lap, polivinilidén difluorid membrán) juttatják, amelyről az elválasztott komponensek kioldhatók (38). Másik megoldásban a kapilláris detektor oldali végét minden egyes új komponens megjelenésekor a detektorjelet figyelő rendszer új pufferedénybe lépteti. Az egyes komponensek a pufferedényekből nyerhetők ki (153). 8
I.1.1.3. RÖVID ÖSSZEHASONLÍTÁS MÁS ELVÁLASZTÁSTECHNIKAI MÓDSZEREKKEL Lényeges különbség a kapilláris elektroforézis és a klasszikus elektroforézis között a kapilláris méretében van. A mai készülékekben általában 10 és 100 µm közötti belső átmérőjű kapillárisokat alkalmaznak és ennek a kis átmérőnek rendkívül jelentős, a módszer tulajdonságait alapvetően meghatározó következményei vannak: a). A felület / térfogat arányt felírva láthatjuk, hogy minél kisebb a kapilláris sugara, annál nagyobb a felület / térfogat arány: r = kapilláris sugara; L t = kapilláris teljes hossza 2 r π L t 1 A / V = = 2 [ 1 ] r 2 π L t r Az A / V függvény értéke tart a - hez, ha r tart nullához. A kapilláris sugarának csökkentésével a kapillárist kitöltő molekulák egyre nagyobb hányada található a kapilláris falának a közelében és így a felületi jelenségek rendkívül nagy szerepet kapnak. b). A nagy fajlagos felület miatt az elválasztás folyamán fejlődő Joule-hőt a termosztáló rendszer hatékonyan tudja elvezetni. Ennek következtében valóban nagy térerő alkalmazható (akár 1000 V/cm is) az elválasztás folyamán. c). Az elektroozmótikus áramlás jelentőssé, meghatározóvá válik a rendszerben. Ennek következtében - eltérően a HPLC-re jellemző parabolikus áramlási profiltól nemparabolikus, dugószerű áramlási profil alakul ki. Ez nagymértékben hozzájárul ahhoz, hogy az elválasztás során rendkívül nagy elméleti tányérszámokat (10 6 N/m) érhetünk el. 9
I.1.1.4. SZABAD ZÓNÁS KAPILLÁRIS ELEKTROFORÉZIS (CZE = CAPILLARY ZONE ELECTROPHORESIS) I.1.1.4.1. Az elválasztás elve, elektroozmótikus áramlás A szabad zónás kapilláris elektroforézis a legelsőként bevezetett kapilláris elektroforézis technika és a legelterjedtebb a mai napig. Kivitelezése a legegyszerűbb a többi kapilláris elektroforézises módszerhez viszonyítva. A kapillárist homogén puffer (háttér elektrolit) tölti ki. A mintaadagolást követően a rendszerre rákapcsolják a feszültséget, amely egy adott erősségű, hosszanti irányultságú elektromos teret (E) eredményez. Az elektromos tér hatására elkezdődik a mintakomponensek vándorlása, amely töltés/molekulaméret arányában vezet a komponensek szétválásához. Minden esetben figyelembe kell vennünk azonban, hogy az elválasztás elektroozmótikus áramlás (elektroozmózis) hiányában, vagy jelenlétében is végbemehet, a kísérleti körülmények függvényében. Elektroforetikus mobilitások Adott térerő hatására a töltéssel rendelkező komponensek adott elektroforetikus sebességgel (v ep, i) mozognak a kapilláris belsejében, amely a feszültség rákapcsolását követően egy másodperc töredéke alatt elér egy állandó értéket. Az elektroforetikus sebesség arányos a térerővel és jellemző az adott komponensre: v ep, i = µ ep, i E [2] v ep, i = i mintakomponens elektroforetikus sebessége; µ ep, i = i mintakomponens elektroforetikus mobilitása A fenti egyenlet értelmében az elektroforetikus ionmobilitás a térerőegységre vonatkoztatott elektroforetikus sebesség. Mértékegysége m 2 /Vs, kisméretű szervetlen és szerves ionok esetében általában 20-80 10-9 tartományban mozog. Kationok esetében pozitív előjelű, anionok esetében negatív. Az elektroforetikus mobilitás függ az ion töltésétől, méretétől, a pufferoldat minőségétől és viszkozitásától. 10
q i µ ep, i = [3] 6 π η r i q = i mintakomponens iontöltése; η = pufferoldat viszkozitása; r i = ionrádiusz A [3] egyenletből egyértelműen kitűnik, hogy a nagyobb fajlagos töltésű ionok nagyobb mobilitással rendelkeznek. Végtelenül hígított oldatok esetében, adott hőmérsékleten az ionmobilitás egy adott ionra jellemző állandó, amelyet abszolút mobilitásnak (µ 0,i ) neveznek. A gyakorlatban az elválasztás során használt oldatok véges koncentrációval rendelkeznek, így az ionkomponensek nem állandó, hanem az oldat koncentrációjától függő mobilitással mozognak. Az erős elektrolitok ionjai a gyakorlatban un. aktuális mobilitással rendelkeznek (µ act,i ), amelyek kisebbek az abszolút mobilitásoknál (µ 0,i ). A végtelen hígítású oldatoktól való eltérést egy korrekciós faktor (f i ) fejezi ki: µ act,i = f i µ 0, i [4] Az f i korrekciós faktor függ az oldatok ionerősségétől. A gyakorlatban egy nagy töltéssel rendelkező ion aktuális mobilitása akár fele értéke lehet az abszolút mobilitásának, ha a puffer ionerőssége 0,1 mol/l nagyságrendű, vagyis magas (121). Ha a mintakomponensek gyenge elektrolitok, akkor a töltésüket és ennek kapcsán az effektív mobilitásukat (µ eff, i ) a disszociációfokuk (α i ), illetve a puffer ph-ja nagymértékben befolyásolja. Egy i komponens effektív mobilitása arányos az aktuális mobilitásával, illetve az abszolút mobilitásával: µ eff,i = µ act,i α i = µ 0,i f i α i [5] Monovalens gyenge sav esetén a disszociációfok a következőképpen függ a puffer ph-tól: 1 α i = [6] ( pka, i ph ) 1 + 10 Ennek következtében a monovalens gyenge sav effektív mobilitása ph függő: 11
µ act, i µ eff, i = µ act, i α i = [7] ( pka, i ph ) 1 + 10 Monovalens gyenge bázisok esetén a fenti képletekbe a ( pk a, i ph ) a ( ph pk a, i ) val helyettesíthető be. Ha a minta egyik komponense egy i polianionos gyenge sav, amely j disszociációs állapotokban lelhető fel a pufferben, amelyeket különböző pk a,j értékek jellemeznek, akkor ezek a speciesek különböző µ act,j aktuális mobilitásokkal rendelkeznek. Ebben az esetben az i mintakomponens effektív mobilitását az egyes j speciesek effektív mobilitásainak az összege adja (121): j µ act, j µ act, ( j 1 ) µ eff, i = [8] ( pka, i ph ) 1 + 10 A puffer minőségétől függően változhat az egyes mintakomponensek pk a értéke, tehát nemcsak egy adott puffer ph-nak a módosításával befolyásolhatjuk a komponensek effektív mobilitásait, illetve az elválasztást magát, hanem egy másik pufferrel való helyettesítése által is. A mintakomponensek abszolút mobilitásai követik a puffer viszkozitásának ingadozását is (121): µ 0, i r i η = const [9] Az elektroozmózis keletkezése, jellemzése Az elektroozmótikus áramlás (EOF = Electroosmotic Flow) a kapilláris elektroforézis egyik legfontosabb jelensége, amely nagymértékben befolyásolja az elválasztást. A szakirodalomban ritkábban, de használatos az elektroendoozmótikus áramlás megnevezés is. Az elektroozmótikus áramlás a kapilláris belsejét kitöltő folyadék egyirányú áramlását jelenti. 12
Az ömlesztett szilikából készült kapilláris belső fala szabad szilanol csoportokkal rendelkezik, amelyek bizonyos ph érték felett deprotonálódnak és ezáltal a kapilláris belső felülete negatívan töltődik. A fal negatív töltését anionadszorpció is előidézheti (121). Ehhez a negatív töltésű felülethez a pufferből kationok társulnak, egy kötött és egy mozgékony (diffúz) réteget alkotva. Ezáltal a fal felületének közvetlen közelében egy zeta (ζ) potenciálkülönbséggel jellemezhető, pár száz nanométeres vastagságú (138) kettősréteg alakul ki [3, 4. ábrák]. fal 3. ábra. Töltéseloszlás az ömlesztett szilika kapilláris belső fala mentén, a ζ potenciál kialakulása (52) potenciál fal 4. ábra. A ζ potenciál csökkenése a kapilláris falától a puffer belseje felé haladva (52) a: adszorbeált ionokból álló kötött réteg; b: mozgékony (diffúz) ionréteg; c: puffer Helmholtz egyenlete (138) szerint: 4 π η µ eo ζ = [10] ε µ eo = elektroozmótikus áramlás mobilitása (hányadosa); ε = dielektromos állandó A zeta potenciál ph-függő, mivel az ömlesztett szilika szilanol csoportjai gyenge savak. Magas ph-n, amikor a szilanol csoportok teljes mértékben deprotonálódnak, a zeta potenciál elérheti a 120 mv értéket (121). A feszültség rákapcsolása arra kényszeríti a diffúz kationos réteget, hogy elmozduljon a katód felé. A diffúz kationos réteg magával vonja a pufferoldat teljes tömegét és ez a katód felé irányuló áramlás a tulajdonképpeni elektroozmótikus áramlás, amely a következő egyenletes sebességgel (v eo ) jellemezhető (138): 13
Az elektroozmótikus áramlás hatása az elválasztásra: ε ζ E v eo = [11] η a). Nemparabolikus, dugószerű áramlási profil Az elektroozmótikus áramlás nemparabolikus, dugószerű áramlási profilt eredményez, lévén, hogy az elektroozmótikus hajtóerő egyenletesen oszlik meg a kapilláris fala mentén, nincs nyomásesés a kapilláris belsejében és az áramlás megközelítőleg egyenletes a folyadék teljes tömegére vonatkoztatva [5. ábra]. lamináris áramlási profil (HPLC) dugószerű áramlási profil (CE) 5. ábra. Lamináris és dugószerű áramlási profilok (138) Ezzel szemben a HPLC-re jellemző áramlási profil parabolikus, lamináris jellegű, mivel a falhoz közelebb eső folyadék kisebb áramlási sebességgel halad a kapilláris közepéhez viszonyítva. A kapilláris elektroforézisre jellemző lapos áramlási profil 1-2 nagyságrenddel is megnövelheti az elválasztás során elérhető elméleti tányérszámot a HPLC-hez viszonyítva (121). b). Mintakomponensek vándorlási iránya, látszólagos elektroforetikus sebessége Az elektroozmótikus áramlás nagymértékben befolyásolja minden egyes mintakomponens vándorlási sebességét, migrációs idejét, sőt, egyes esetekben a vándorlásuk irányát is meghatározza. Az egyes mintakomponensek vándorlási sebességét a következő képletek adják: v app, i = v eo + v ep, i [12] 14
v app, i = i mintakomponens látszólagos ( apparent ) elektroforetikus sebessége v eo = elektroozmótikus áramlás sebessége v ep, i = i mintakomponens elektroforetikus sebessége A [12] képlet alapján, elektroozmótikus áramlás hiányában a mintakomponensek látszólagos sebessége megegyezik saját elektroforetikus sebességükkel (v app, i = v ep, i ). A megfelelő mobilitásokkal behelyettesítve: v app, i = ( µ eo + µ eff, i ) E [13] µ eo = elektroozmótikus mobilitás µ eff, i = i mintakomponens effektív elektroforetikus mobilitása A [13] képlet alapján láthatjuk, hogy az egyes mintakomponensek vándorlási irányát és sebességét tulajdonképpen effektív elektroforetikus mobilitásuk és az elektroozmótikus áramlás mobilitásának vektoriális összege határozza meg. A kationok, anionok és a semleges molekulák sorsa az elválasztás körülményeinek függvényében a következők szerint alakul: A kationok a feszültség hatására a katód felé vándorolnak, tehát elmozdulásuk iránya megegyezik az elektroozmótikus áramlás irányával. Ennek következtében saját elektroforetikus mobilitásukhoz hozzáadódik az elektroozmótikus mobilitás és gyorsabban haladnak a katód irányába, mint az elektroozmótikus áramlás hiányában. Szétválásuk elektroforetikus mobilitásuk alapján történik, tehát a nagyobb fajlagos töltésű kationok vándorolnak át elsőkként a kapillárison. A semleges molekulák elektroforetikus mobilitása nulla, tehát kizárólag az elektroozmótikus áramlás hatására, azonos sebességgel haladnak a katód felé. A kationokhoz képest lassabban vándorolnak, és mivel azonos sebességgel mozognak, nem válnak szét, homogén zónát alkotnak. 15
Az anionok negatív töltésük miatt a feszültség hatására az anód felé vándorolnának, tehát elektroforetikus mobilitásuk ellentétes előjelű az elektroozmótikus mobilitáshoz viszonyítva. Ha µ eo > µ eff, i, vagyis ha az elektroozmótikus áramlás mobilitása nagyobb, mint az anionok elektroforetikus mobilitásai, akkor az elektroozmótikus áramlás az anionokat magával sodorja a katód irányába. A többi mintakomponenshez képest ők haladnak a leglassabban a kapillárisban: a nagy fajlagos töltéssel rendelkező anionok utolsókként vándorolnak át a kapillárison. Ha µ eo = µ eff, i, az anionok gyakorlatilag képtelenek elmozdulni a kapilláris belsejében. Ha µ eo < µ eff, i, tehát abban az esetben, ha az anionok nagy töltéssel rendelkeznek, ellenállnak az elektroozmótikus áramlásnak és az anód felé vándorolnak. Ebben az esetben a detektálásuk csak fordított polaritással lehetséges, vagyis ha az anód a detektor felöli kapillárisvégnél található. A fentiek alapján látható, hogy megfelelően erős elektroozmótikus áramlás jelenlétében az összes mintakomponens migrációja kizárólag egyirányú [6. ábra], ami lehetővé teszi kationok, anionok egyidejű analízisét. A semleges molekulák szétválasztása nem valósítható meg szabad zónás kapilláris elektroforézises eljárással, de a micelláris elektrokinetikus kromatográfia kiváló kapilláris elektroforézis alternatívát nyújt a semleges mintakomponensek analízisére. 6. ábra. A mintakomponensek detektálási sorrendje az elektroozmótikus áramlás hatására, pozitív polaritás esetén (86) Az elektroozmótikus áramlás szabályozása Az elválasztás során szükséges lehet az elektroozmótikus áramlás szabályozása, esetenkénti visszaszorítása, vagy fokozása. Alapjában véve az elektroozmótikus áramlást két eljárással lehet 16
szabályozni: a kapilláris fal töltésviszonyainak, illetve a puffer viszkozitásának a módosítása által. Ezt a két lehetőséget a gyakorlatban több módszer biztosíthatja. a). A puffer (háttér elektrolit) ph változtatása A puffer ph változtatása az egyik legáltalánosabban alkalmazott és könnyen kivitelezhető módszer az elektroozmótikus áramlás szabályozásában. Alacsony ph érték esetében a kapilláris fala protonálódik és az elektroozmótikus áramlás lelassul, vagy megszűnik. A ph fokozatos növelése a kapilláris falának a fokozatos deprotonálódását és az elektroozmótikus áramlás megjelenését, illetve fokozatos felgyorsulását váltja ki. Ömlesztett kvarc kapillárisok esetében az elektroozmótikus áramlás átlag ph = 3-4 körül kezd jelentőssé válni, de ez nagymértékben függ a kapilláris kémiai minőségétől, a gyártó cégtől, stb. A módszer hátránya, hogy nemcsak a kapilláris falának a töltésviszonyait változtatjuk meg ezáltal, hanem a puffer és a mintakomponensek protonálódását-deprotonálódását is előidézzük, módosítva ezáltal a puffer és a minta töltését, akár a szerkezetét is. A puffer megválasztásakor figyelembe kell venni a puffer pi értékét, illetve azt a ph tartományt, amelyen belül módosíthatjuk a ph-t a módszerkidolgozás során. b). A puffer ionerősségének és koncentrációjának a változtatása Az elektroozmózis mértéke függ a puffer ionerősségétől és koncentrációjától. Nagy ionerősség, vagy magas koncentráció esetén a fal mentén kialakuló kettősréteg vastagsága csökken, csökken a ζ potenciálkülönbség, ami gyengébb elektroozmózist eredményez. Ugyanakkor a magasabb ionerősség, vagy koncentráció meggátolják a mintakomponensek falhoz történő adszorpcióját is, de egy bizonyos értéket meghaladva magas áramerősséget okoznak, és ezáltal fokozódik a Joule hőgenerálódás. Alacsony ionerősségű és koncentrációjú pufferek alkalmazásakor fokozottabb az elektroozmótikus áramlás, de ilyenkor előfordulhat a mintakomponensek falhoz történő adszorpciója, illetve ha nagy a minta és a puffer konduktivitás különbsége, akkor a kapott csúcsok torzulása is. A kapilláris elektroforézis eljárásoknál használatos pufferek koncentrációja általában 10-50 mm tartományban mozog, de felmehet 100-500 mm-ig is (87). 17
c). A puffer viszkozitásának változtatása A viszkozitás növelésével csökken az elektroozmótikus áramlás sebessége. A puffer viszkozitását a hőmérséklet módosításával, vagy szerves adalékok hozzáadásával lehet módosítani. 1 C-os hőmérsékletingadozás 2-3%-ban változtatja meg a puffer viszkozitását (138). Szerves adalékok lehetnek pl. aminok (162), alkoholok (22, 204), hexán (22). d). A kapilláris falának a módosítása (borítása) A kapilláris falának a borítása által az elektroozmótikus áramlás visszaszorítható, fokozható, vagy megfordítható az iránya. A felületmódosítás lehet állandó: a kapilláris falához kovalensen kötött (20, 21, 59, 99, 151, 191, 199, 241), vagy lehet dinamikus borítás: adalékok a pufferben (7, 39, 42, 71, 83, 139, 179). A fal borítása meggátolja a mintakomponensek falhoz történő adszorpcióját is. Migrációs idő A szabad zónás kapilláris elektroforézis különböző elektroforetikus sebességű, illetve különböző migrációs idővel (t m ) rendelkező mintakomponensek szétválasztására alkalmas módszer. A migrációs idő alatt a mintakomponensek az L d útat teszik meg a kapilláris belsejében, amely a kapilláris injektálási végétől a detektálás pontjáig terjed. A kapilláris teljes hossza az adott feszültségre létrejövő térerősséget határozza meg: L t = kapilláris teljes hossza E = V / L t [14] Egy i mintakomponens migrációs idejét a következő képletek adják (121): L d L t t app m, i = [15] (µ eo + µ eff, i ) V L d L d L d L t t m, i = = = [16] v ep, i µ eff, i E µ eff, i V 18
t app m, i = i mintakomponens látszólagos migrációs ideje; L d = kapilláris hossza a detektorig I.1.1.4.2. A rendszer működését jellemző paraméterek Az elválasztást a szelektivitás, az elméleti tányérszám és a felbontás jellemzik (86). SZELEKTIVITÁS A szelektivitás számszerűleg két mintakomponens mobilitáskülönbségének és az átlag mobilitásuknak a hányadosa: _ α = µ / µ [17] Elméleti tányérszám D = diffúziós állandó Felbontás (rezolúció) µ eff E N = [18] 2 D A felbontás (R s) számszerűen fejezi ki két egymást követő mintakomponens (i és j) elválasztásának a mértékét. Az egyik legelterjedtebb meghatározása: t m, j t m, i R s = [19] 2 ( σ t, i + σ t, j ) t m, j és t m, i = i és j mintakomponensek migrációs idői; σ t, i és σ t, j = i és j mintakomponensek standard deviációi (a Gauss görbe félszélessége a teljes csúcsmagasság 63 % - nak megfelelő pontban) (121) Kapilláris elektroforézisben a következő összefüggést kapjuk az elválasztás paramétereire: 1 µ i µ j L 1 µ R s = = N [20] 4 H 4 µ µ 19
µ / µ = szelektivitás; N = hatékonyság, az átlagolt elméleti tányérszámok négyzetgyöke. I.1.1.4.3. Alkalmazási területek A szabad zónás kapilláris elektroforézis egyre nagyobb népszerűségre tesz szert a klinikai analízisek területén. A módszer egyik előnye, hogy az analízishez rendkívül kis mintamennyiség is elegendő, másrészt pedig a vizsgált vérszérum, vagy vizeletminta minimális mintaelőkészítést ígényel (pl. szűrés, hígítás) (27, 44, 98, 112). A gyógyszerkutatásban és a gyógyszeriparban a szabad zónás kapilláris elektroforézis jó alternatíva a gyógyszer hatóanyagok mennyiségi meghatározására vérplazmában (46), a gyógyszerkészítmények minőségi ellenőrzésében (54, 174, 176), a gyógyhatású anyagok szervezeten belüli felszívódásának és eloszlásának vizsgálatára (137), gombaellenes szerek elválasztására (100, 233), kísérleti fázisban levő potenciális hatóanyagok tisztaságvizsgálatára (13, 159). Királis adalékok (pl. ciklodextrin) felhasználásával a szabad zónás elektroforézis lehetőséget nyújt enantiomerek elválasztására is (98, 159, 160, 217, 233). A szabad zónás kapilláris elektroforézist alkalmazzák továbbá az élelmiszeriparban, pl. élelmiszerminőségi vizsgálatok során (240). Szabad aminosavak mennyiségi meghatározása révén alkalmazható az anyagcsere megbetegedések diagnosztikájában (27). A biokémiai kutatások terén elsősorban peptidek (142) és fehérjék (135, 191) analízisére alkalmas módszer. I.1.1.5. MICELLÁRIS ELEKTROKINETIKUS KROMATOGRÁFIA (MEKC = MICELLAR ELECTROKINETIC CHROMATOGRAPHY) I.1.1.5.1. Az elválasztás elve, retenciós faktorok A micelláris elektrokinetikus kromatográfiát Terabe és munkacsoportja vezette be 1984-ben (208, 209) és az egyik legelterjedtebb elválasztási módszerré vált. Népszerűségét elsősorban annak köszönheti, hogy lehetővé teszi a semleges molekulák elválasztását. A micelláris elektrokinetikus kromatográfia metodikailag abban különbözik a többi kapilláris elektroforézis technikától, hogy a pufferhez micellaképző anyagot adagolnak, amely a kritikus micellakoncentrációnak (CMC = critical micelle concentration) megfelelő koncentráció esetén micellákat képez. A keletkezett micellák gömb alakúak, külső felületük negatív vagy pozitív töltésű, belsejük hidrofób és dinamikus egyensúlyban vannak a pufferoldatban maradt monomerekkel, melyek a kritikus 20
micellakoncentrációt megközelítő koncentrációban vannak jelen. A mintakomponensek hidrofób, vagy elektrosztatikus kölcsönhatásba léphetnek a micellákkal és ezáltal a klasszikus kromatográfiához hasonlóan, a mintakomponensek megoszlanak a puffer vizes fázisa és a micellák hidrofób belseje között. Az elválasztás során a micellák szerepe hasonló a kromatográfiás álló fázisokéhoz, ezért a micellákat gyakran nevezik pszeudostacioner fázisnak. kapilláris fala detektor - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -- - - - - -- - - - - - - - - + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + µ app, i µ eo µ app, mc µ mc injektor t R t mc t 0 7. ábra. A micelláris elektrokinetikus kromatográfia elválasztásának elve (52) Feszültség rákapcsolásakor a micellák µ app, mc látszólagos micelláris mobilitással vándorolnak a kapillárisban, amely a micellák elektroforetikus mobilitásának (µ mc ) és az elektroozmótikus áramlás mobilitásának (µ eo ) vektoriális összegével egyenlő: µ app, mc = µ mc + µ eo [21] 21
Anionos micellák esetében a két vektor ellentétes irányú, de mivel az elektroozmótikus áramlás mobilitása általában meghaladja a micellák elektroforetikus mobilitását (µ eo > µ mc ), a micellák a gyors elektroozmózis hatására a katód felé mozognak és hosszú migrációs idővel ugyan, de áthaladnak a detektoron [7. ábra]. A semleges mintakomponensek elválasztása hidrofóbicitásuk alapján történik, a következőképpen: - azok a hidrofil molekulák, amelyek egyáltalán nem lépnek kölcsönhatásba a micellák hidrofób belsejével, hanem végig vizes fázisban (pufferben) maradnak, kizárólag az elektroozmótikus áramlás hatására mozognak a kapillárisban (µ app,i = µ eo ) és migrációs idejük t 0 - az állandóan a micellák belsejében tartózkodó, erősen hidrofób molekulák a micellákkal együtt mozognak a kapillárisban (µ app,i = µ app, mc ), ezért migrációs idejük megegyezik a micellák migrációs idejével: t mc - a többi mintakomponens hidrofóbicitásuk által meghatározott arányban oszlanak meg a puffer vizes és a micellák hidrofób fázisában és ezáltal t m migrációs idő alatt haladnak át a kapillárison. Anionos micellák esetében t 0 t m t mc [7. ábra]. A legáltalánosabban használt felületaktív anyagok (I. táblázat) az anionos micellaképzők, ezen belül pedig a nátriumdodecil szulfát (NaDS) (1, 67, 123, 142, 205). Egy bizonyos koncentrációt meghaladva a kationos felületaktív anyagok akár az elektroozmótikus áramlás irányát is megváltoztathatják, úgy, hogy pozitív töltésű részükkel elektrosztatikus kölcsönhatásba lépnek a kapilláris negatív töltésű falával, míg hidrofób láncukkal a kapilláris belseje felé fordulnak. Az újabb micellaképző molekulák hidrofób kölcsönhatásokat létesítenek a kapilláris fala mentén kialakult réteggel és ezáltal egy kettősréteg jön létre, amelynek a kapilláris belseje felé néző oldala pozitív I. táblázat. Micelláris elektrokinetikus kromatográfiában gyakran használt micellaképzők, a CMC értékek vizes oldatra vonatkoznak (86) 22
Micellaképző Micellaképző CMC Aggregációs típusa (mm) szám Anionos Nátrium dodecilszulfát (NaDS) 8,2 62 Kationos Dodecil trimetilammónium bromid (DTAB) 14 50 Cetil trimetilammónium bromid (CTAB) 1,3 78 Nemionos Triton X-100 0,24 140 Ikerionos 3-[(3-cholamidopropil)-dimetilammonio]-1-8 10 propánszulfonát (CHAPS) 3-[(3-cholamidopropil)-dimetilammonio]-2-8 11 hidroxi-1-propánszulfonát (CHAPSO) Epesavak Kólsav 14 2-4 Dezoxikólsav 5 4-10 Taurokólsav 10-15 4 töltéssel endelkezik. Tehát gyakorlatilag a kationos felületaktív anyagok hatására a kapilláris falának a negatív töltése pozitív töltésre vált át. A ζ potenciál előjelváltása miatt megváltozik az elektroozmótikus áramlás iránya is (67, 138). A nemionos és ikerionos micellaképzők enyhébb hatással vannak az elektroozmótikus áramlásra, ugyanakkor kíméletesebbek a fehérjék szerkezetére is (1, 41). Az epesavak sói gyakran használt biológiai felületaktív anyagok. Rendelkeznek mind hidrofil, mind hidrofób csoportokkal és vizes oldatokban királis micellákat képeznek, tehát optikai izomerek elválasztását is lehetővé teszik. Előfordul, hogy más, pl. NaDS pufferoldatokhoz adagolják az elválasztás jobb felbontása érdekében (90, 237). Kevert micellás rendszerrel tovább lehet fokozni az elválasztás szelektivitását és hatékonyságát (118). Retenciós faktorok Micelláris elektrokinetikus kromatográfiában a semleges mintakomponensek elválasztása hidrofóbicitásuk függvényében történik, ezért gyakran alkalmazzák a mintakomponensek hidrofóbicitásának meghatározására (72, 110, 213, 232). Klasszikus folyadékkromatográfiában a mintakomponensek megoszlását az álló és a mozgó fázis között a k retenciós faktor számszerűsíti a következőképpen (200): 23