Elektroforézis technikák

Hasonló dokumentumok
ELEKTROFORÉZIS TECHNIKÁK

KAPILLÁRIS ELEKTROFORÉZIS. dolgozat az Elválasztási műveletek a biotechnológiai iparokban c. tárgyhoz

Vg = fv. = 2r2 ( ρ ρ 0 )g. v sed. 3 r3 πg = 6πη 0. V = 4 3 r3 π

Kapilláris elektroforézis

Szedimentáció, elektroforézis. Biofizika előadás Talián Csaba Gábor

Vg = fv. = 2r2 ( ρ ρ 0 )g. v sed. 3 r3 πg = 6πη 0. V = 4 3 r3 π

Biofizika szeminárium

Kapilláris elektroforézis lehetőségei. Szabó Zsófia Országos Gyógyintézeti Központ Immundiagnosztikai Osztály

Gyakorlati Forduló Válaszlap Fizika, Kémia, Biológia

Szedimentáció, Biofizika szeminárium 2. szemeszter

AZ ELVÁLASZTÁSTECHNIKA KORSZERŰ MÓDSZEREI

Szedimentáció, elektroforézis

10. Hét. Műszeres analitika Elektroforetikus analitikai technikák. Dr. Kállay Csilla (Dr. Andrási Melinda)

Fehérjék elválasztására alkalmazható mikrofludikai rendszerek Bioanalyzer, LabChip rendszerek. A készülékek működési elve, felépítésük, alkalmazásuk.

Az elektromos kettősréteg. Az elektromos potenciálkülönbség eredete, értéke és az azt befolyásoló tényezők. Kolloidok stabilitása.

(β-merkaptoetanol), a polipeptid láncok közötti diszulfid hidak (-S-S-) felbomlanak (1. ábra).

ELMÉLETI, SZÁMOLÁSI FELADATOK

3/11/2015 SZEDIMENTÁCIÓ ELEKTROFORÉZIS. Szedimentáció, elektroforézis. Alkalmazások hematológia - vér frakcionálása

DR. FEKETE JENŐ. 1. ábra: Átviteli módok HPLC, GC ill. CE technikák esetén

Szedimentáció, Elektroforézis. Kollár Veronika

4.3. Mikrofluidikai csipek analitikai alkalmazásai

Nagyhatékonyságú folyadékkromatográfia (HPLC)

Vezetők elektrosztatikus térben

Elektromosság, áram, feszültség

Szűrés. Gyógyszertechnológiai alapműveletek. Pécsi Tudományegyetem Gyógyszertechnológia és Biofarmáciai Intézet

Mérés: Millikan olajcsepp-kísérlete

Az elektromos kettős réteg és speciális alakulásai. Bányai István DE Fizikai Kémiai Tanszék

A TÖMEGSPEKTROMETRIA ALAPJAI

Hidrosztatika, Hidrodinamika

Az elválasztás elméleti alapjai

Folyadékok és gázok áramlása

Diffúzió. Diffúzió. Diffúzió. Különféle anyagi részecskék anyagon belüli helyváltoztatása Az anyag lehet gáznemű, folyékony vagy szilárd

Elektromos töltés, áram, áramkör

Szabadentalpia nyomásfüggése

A diffúzió leírása az anyagmennyiség időbeli változásával A diffúzió leírása a koncentráció térbeli változásával

Fizika-Biofizika I. DIFFÚZIÓ OZMÓZIS Október 22. Vig Andrea PTE ÁOK Biofizikai Intézet

BIOFIZIKA I OZMÓZIS Bugyi Beáta (PTE ÁOK Biofizikai Intézet) OZMÓZIS

Folyadékok és gázok áramlása

Kromatográfiás módszerek

Transzportjelenségek

Anyagszerkezet vizsgálati módszerek

9. Hét. Műszeres analitika Folyadékkromatográfia Ionkromatográfia Gélkromatográfia Affinitás kromatográfia Gázkromatográfia. Dr.

Biofizika szeminárium. Diffúzió, ozmózis

Modern Fizika Labor. 2. Az elemi töltés meghatározása. Fizika BSc. A mérés dátuma: nov. 29. A mérés száma és címe: Értékelés:

13 Elektrokémia. Elektrokémia Dia 1 /52

Kolloidkémia 5. Előadás Kolloidstabilitás. Szőri Milán: Kolloidkémia

Anyagismeret 2016/17. Diffúzió. Dr. Mészáros István Diffúzió

Korszerű tömegspektrometria a. Szabó Pál MTA Kémiai Kutatóközpont

Biofizika I. DIFFÚZIÓ OZMÓZIS

Elektromos ellenállás, az áram hatásai, teljesítmény

Az adszorpció néhány alkalmazása. Kromatográfia: az analitika anyag rövid összefoglalása

OZMÓZIS. BIOFIZIKA I Október 25. Bugyi Beáta PTE ÁOK Biofizikai Intézet

Osztályozó vizsgatételek. Kémia - 9. évfolyam - I. félév

A kromatográfia típusai

Elektrosztatikai alapismeretek

Q 1 D Q 2 (D x) 2 (1.1)

Hagyományos HPLC. Powerpoint Templates Page 1

A +Q töltés egy L hosszúságú egyenes szakasz mentén oszlik el egyenletesen (ld ábra ábra

Gyakorlati Forduló Fizika, Kémia, Biológia

Az atom- olvasni. 1. ábra Az atom felépítése 1. Az atomot felépítő elemi részecskék. Proton, Jele: (p+) Neutron, Jele: (n o )

Mérési feladat: Illékony szerves komponensek meghatározása GC-MS módszerrel

Elektromos töltés, áram, áramkörök

1. ábra. 24B-19 feladat

mintasepcifikus mikrokapilláris elektroforézis Lab-on-Chip elektroforézis / elektrokinetikus elven DNS, RNS, mirns 12, fehérje 10, sejtes minta 6

1. A MÓDSZER RÖVID ÁTTEKINTÉSE

ELEKTROSZTATIKA. Ma igazán feltöltődhettek!

Fizika minta feladatsor

Bevezetés a talajtanba VIII. Talajkolloidok

Áttekintő tartalomjegyzék

Termodinamikai egyensúlyi potenciál (Nernst, Donnan). Diffúziós potenciál, Goldman-Hodgkin-Katz egyenlet.

Határfelületi elektromos tulajdonságok ( tétel) Előadás: március 11

Tematika. Korszerű tömegspektrometria a. Ionforrás. Gyors atom bombázás. Szabó Pál MTA Kémiai Kutatóközpont. Cél: Töltött részecskék előállítása

Anyagvizsgálati módszerek Elektroanalitika. Anyagvizsgálati módszerek

Adatgyőjtés, mérési alapok, a környezetgazdálkodás fontosabb mőszerei

Általános Kémia, 2008 tavasz

Szénhidrátok elektrokémiai detektálása, fókuszban a laktóz

Az anyagi rendszer fogalma, csoportosítása

Abszorpciós spektroszkópia

Adatgyűjtés, mérési alapok, a környezetgazdálkodás fontosabb műszerei

Adszorpció folyadékelegyekből 2. Elektrolit oldat

Az áramlási citométer és sejtszorter felépítése és működése, diagnosztikai alkalmazásai

A kísérlet, mérés megnevezése célkitűzései: Váltakozó áramú körök vizsgálata, induktív ellenállás mérése, induktivitás értelmezése.

Magyarkuti András. Nanofizika szeminárium JC Március 29. 1

Fehérje meghatározás Western blottal

Mérés és adatgyűjtés

ATOMEMISSZIÓS SPEKTROSZKÓPIA

Diffúzió 2003 március 28

Elektromos alapjelenségek

Az expanziós ködkamra

Általános kémia képletgyűjtemény. Atomszerkezet Tömegszám (A) A = Z + N Rendszám (Z) Neutronok száma (N) Mólok száma (n)

Elektro-analitikai számítási feladatok 1. Potenciometria

A kettős réteg speciális alakulása

Elektromos áram. Vezetési jelenségek

Immunszerológia I. Agglutináció, Precipitáció. Immunológiai és Biotechnológiai Intézet PTE-KK

7 Elektrokémia. 7-1 Elektródpotenciálok mérése

Gépészmérnöki alapszak, Mérnöki fizika 2. ZH, december 05. Feladatok (maximum 3x6 pont=18 pont)

Méréstechnika. Hőmérséklet mérése

SEMMELWEIS EGYETEM. Biofizikai és Sugárbiológiai Intézet, Nanokémiai Kutatócsoport. Zrínyi Miklós

MŰSZAKI ISMERTETŐ INDUR CAST 200 SYSTEM

A fény tulajdonságai

Átírás:

Elektroforézis technikák Az elektroforézis olyan elválasztási technika, amelynek alapja az ionok elektromos térbeli mozgékonysága. A pozitív töltésű ionok a negatív elektród irányába vándorolnak, még a negatív töltésűek pedig a pozitív elektród felé. Gyakran biztonsági okokból az egyik elektród a földre van kötve, és a másik potenciálját ehhez képest állítják pozitívra, vagy negatívra. Az ionok vándorlási sebessége különböző, ezért lehetséges az elválasztásuk. a vándorlási sebességet az ion teljes töltése, a mérete és formája befolyásolja. Az elektroforézishez szükséges: erősáramú tápegység, elektródák, puffer és egy közeg, ami a puffert tartalmazza. Ez a közeg lehet szűrőpapír, cellulóz-acetát csík, többféle gél vagy kapilláris cső. Maga az elválasztás művelete hasonlít a centrifugálásra, illetve az ülepedésre leírás szempontjából, mert itt is két erő hat egy adott molekulára. Az elektromos erő gyorsítja, a közegellenállás fékezi. Lesz egy adott vándorlási sebesség, mely függ: a töltéstől, a molekula méretétől és a rendszer viszkozitásától. Az elektroforetikus mozgékonyság: q µ = 3dπη ahol µ az elektroforetikus mozgékonyság q a töltés nagysága η a viszkozitás A képletből adódóan a különböző tulajdonságú molekulák különböző sebességgel mozognak, mely ennek az elválasztási technikának az alapja. Típusok: gélelektroforézis free flow elektroforézis kapilláris elektroforézis Free flow (szabad folyású) elektroforézis Ebben az esetben nincs gél, hanem folyadék van, így a berendezést, mellyel dolgozunk, folyadékcellának nevezik. A közeg, melyben dolgozunk teljesen inert, nem vándorolhat az elektromos tér hatására. Az elválasztást nem egyszerű megvalósítani, biztosítani kell a szinte teljes homogenitást, az elválasztandó anyag csak kvázi-laminárisan (nagyon lassan) mozoghat. Követelmény, hogy a cella vastagsága nagyon kicsi (kb. 2-3 mm) legyen, valamint, hogy a betáplálás és az elvétel is igen egyenletes legyen.

Előnyök: folytonos üzemben működtethető lehet a léptékét növelni (csak a felületet, a vastagságot nem! kialakítható hengerpalást formájában is) Hátrányok: a hatékony elválasztáshoz nagy feszültséget kell alkalmazni, melynek hatására azonban melegedés lép fel, ami a hővezetés egyenetlensége miatt sávszélesedést okoz az elválasztásban ha azonban az adott ph-n kis elektromos vezetőképességű pufferral dolgozunk, ez a probléma kiküszöbölhető a hőmozgás diffúziót okoz vagy hűteni kell a rendszert, vagy növelni kell az áramló közeg viszkozitását (pl. glicerin alkalmazása) elektroozmózis jelenségének fellépése: a 2 lap mentén elektromos megoszlás jön létre (nem a mintából, a pufferből!) és ezek az ionok az elektromos tér hatására vándolrolnak és viszik magukkal a rendszerben jelenlevő vizet is, mely keresztirányú káros áramlást okoz a cella falát (a fegyverzeteket nem!) be kell vonni valamely inert anyaggal, pl. teflonnal, mely megakadályozza ezt a jelenséget, és jó a káros adszorpciós jelenségek ellen is buborékok megjelenése a pufferban: ez is sávszélesedést okoz, ennek elkerülése érdekében vagy vákumozzuk az oldatokat, vagy pedig inert gázzal átöblítjük (He v. N 2 ) Gélelektroforézis Az elválasztandó komponenesek itt gélben vándorolnak, melynek anyaga az esetek döntő többségében poliakrilamid, illetve agaróz. Biztosítani kell, hogy a komponenesek egy irányba mozogjanak, mert a mintákat csak a gél egyik oldalára visszük fel. Ehhez meg kell változtatni a töltést, ekkor az elválasztás méret illetve alak alapján történik. Egyirányú mozgás biztosítása: ph állítás megtehetjük, hogy az egyik féle töltést nem vesszük figyelembe (pl. ha azt szeretnénk, hogy a fehérje a negatív fegyverzet irányából a pozitív felé haladjon, akkor a negatív oldalon felvisszük a mintát, ekkor a pozitív töltésűek nem vándorolnak, a negatív töltésűek pedig elindulnak a másik pólus felé ez azonban nem tökéletes megoldás) maszkírozás SDS-sel (nátrium dodecilszulfáttal): az SDS egy anionos detergens, mely azt jelenti, hogy van egy anionos poláros vége, illetve egy hosszú szénláncú apoláros vége. A fehérje felszínén vannak apoláros, pozitív illetve negatív régiók. Az apoláros részhez oda tud kapcsolódni az SDS másodlagos kötések segítségével, a pozitívan töltött régiókkal ionpárt alakít ki, a negatív régiókat pedig szabadon hagyja, melynek eredményeképp a fehérje anionos jellegűvé válik és

adott ph-n egy irányba fog vándorolni. Mivel azonban SDS-es maszkírozás hatására minden fehérje negatív töltésű lesz, a töltés szerinti elválasztás nem szignifikáns, helyette előtérbe kerül a méret, illetve molekulatömeg szerinti szeparálás. (A nagy lassú, a kicsi gyorsabb ) A folyamat nyomonkövetése színes markerral történik (brómtimolkék), mely a fehérjékhez képes kis móltömegű, így elöl fut a reakció során. Ha ez kiért a gél végére, akkor vége a folyamatnak, már csak elő kell hívni a gélben önmagukban nem látszó fehérjéket. Jellemzők és problémák: alkalmazott feszülség: 50 500V, a feladat igénye szerint teljesítmény: tömény puffer nagyobb áram nagyobb teljesítmény ez probléma, mert a nagy teljesítmény hatására a gél melegszik és ekkor nagyobb a diffúzió, ami miatt romlik a felbontás melegen gázbuborékok jelennek meg (ezért szokták a puffert gázmentesíteni) a melegedés sosem egyenletes össze vissza diffúziót v. áramlást okoz ezért általában kis teljesítménnyel dolgoznak, és hűtik a rendszert jellemző mennyiség: volt x óra (kül. rendszerek összehasonlítására)

Mintaelőkészítés A gél általában úgy van kialakítva (vagy a gyártó által, vagy a felhasználónak célszerű így megcsinálnia), hogy a felső részén mintatartó zsebek vannak. Ebbe kerül a mérés során kb. 5µg minta zsebenként. A fehérjemintát általában úgy készítik el, hogy először SDS-sel és merkaptoetanollal vagy ditiotreitollal főzik 100 C-on 5 percig. Ezután szacharózt adnak hozzá, mely a sűrűséget szabályozza, de nem vándorol. Végül pedig hozzáadják a brómtimolkék festéket. A gél két legszélső zsebébe általában kalibráló oldatot tesznek. Ez ismert fehérjék keveréke, mely nagyság (molekulatömeg) szerint elválik, támpontot adva az ismeretlen minták analíziséhez. Ha ez meg van, megfuttatják a mintát; a folyamat végét a brómtimolkék festék megjelenése jelzi a gél alján; ekkor már csak elő kell hívni a különböző fehérjéket. Előhívás: festési eljárásokkal: az adott festék köt a fehérjéhez (adott töménységű festékoldat, adott phn), majd a mennyisége spektrofotometriás eljárással meghatározható. Típusok: Coomassie Blue kék Amido Black fekete Fast Green zöld Ha a mintákat megfestettük a felesleget ki kell mosni, a színt halványítani, majd fixálni kell. Egy különleges festési eljárás az Ezüst festés, ennek során ezüst-nitrátból kolloid ezüstöt választanak le, melyet a fehérjék adszorbeálnak. Ez két nagyságrenddel érzékenyebb detektálást tesz lehetővé, azonban nagyon tiszta körülményeket igényel. Gélek anyaga: poliakrilamid agaróz egyéb (elenyésző) Általában poliakrilamidot alkalmaznak a gyakorlatban, mert ez könnyen előállítható házilag, azaz laboratóriumi körülmények között is. Ennek előállításához az akrilamidot polimerizálják oxigén kizárása mellett (az iniciátor ammónium-perszulfát, a katalizátor tetraetilén-diamin), majd keresztkötéseket hoznak benne létre bisz-akrilamiddal. A keresztkötések száma megszabja a sűrűséget, mely minimum 3% és maximum 30%. (Általában 10-15%-ossal dolgoznak).

A futtatás eredménye Amint az ábrán is látható, lineáris gélek esetén az elválasztás nem tökéletes. A jobb elválasztás érdekében szoktak gradiens géleket alkalmazni. Gradiens gél: a futási úthossz mentén változik a sűrűsége, mely azt eredményezi, hogy amelyik fehérje nagyon előreszaladna a gélben, azt lefékezi a sűrűség okozta nagyobb ellenállás. Ennek előállítása hasonló a kromatográfiás eljárásokból ismert gradiens elúció kivitelezéséhez; a különböző sűrűségű géleket az adagolópumpa megfelelő módon egymáshoz keveri. Ugyanehhez az eredményhez homogén gélen 4 mérést kellene elvégezi. (A futási úthossz arányos az ln móltömeggel.) Izoelektromos fókuszálás (IEF) Az IEF egy speciális elektroforézises technika, mely során, a gélen belül ph gradienst hozunk létre. Ekkor a gél a fehérje izoelektromos pontja alapján választ el, mégpedig úgy, hogyha a fehérje abba az adott ph tartományba ér a gélben, ahol az izoelektromos pontja van, ott elveszti a töltését és megáll (fókuszálódik). Előnyök: jó felbontású (IEP szerint, 0.001 ph) koncentráló művelet egyszerű, egy oldat elég hozzá automatikus és preparatív elválasztásra egyaránt jó

A ph gradiens kialakítása A zöld vonal egy semleges anyag ph gradiensét mutatja. Ha ikerionos anyagot alkalmazunk (pl. glicint), a ph gradiensben (lila vonal) egy kis plató jelenik meg, mert a glicin ikerionos jellegű és van némi pufferkapacitása. Ha olyan anyagot alkalmazunk, mely sok ionizálható, mobilizálható csoportot tartalmaz, azaz nagy a pufferkapacitása (piros vonal), a ph gradiens olyan sok lépcsőből áll, hogy egy vonalnak tekinthető. Ilyen anyagok pl. az Ampholyte és a Pharmalite, melyek adott molekularendszerből nem teljesen randomszerű polimerizációval hozzák létre a gradiens gélt. (Komponenseik: glicin, epiklórhidrin és valamely amin.) Egy adott típus, egy adott ph zónára alkalmazható. Alkalmazás Feszültség hatására a gélben kialakul a ph profil, mely a feszültség elvételekor visszakeveredik. Ha meg van a ph gradiens, felvihető a fehérje minta. Az ábra magyarázata, példa az alkalmazásra: A gél ph=2-11 tartományban alkalmas fehérjék meghatározására. A mintát a rajzon látható helyen felvisszük a gélre (gyakorlatilag mindegy, hogy hová, a hely csak a vándorlási időt növelheti meg). A pozitív töltéssel rendelkező fehérje az ábrán felfelé halad az izoelektromos pontjáig, majd ott megáll. Ott elkezd diffundálni magasabb ph irányba, de ekkor a töltése negatív lesz, ami ellenkező irányba húzza vissza, mert a negatív töltésű fegyverzet taszítani kezdi. Hasonlóan, a negatív töltésű fehérje az ábrán lefelé indul el, majd az izoelektromos pontján megáll. Ott szintén megindul a diffúzió, de az

alacsonyabb ph tartományok felé, ám ez szintén töltésváltással jár, ami taszítást vált ki. Ez a jelenség maga a fókuszálás, a töltését vesztett fehérje egy helyben marad a térerő hatására. A fehérje miért nem csinál gradienst, ha az Ampholyte igen? Az Ampholyte -nak nagyobb a pufferkapacitása, valamint a fehérjének nagyobb a mólsúlya, mely összeségében azt eredményezi, hogy az Ampholyte komponensek gyorsabban diffundálnak, mint a fehérjék. Mitől függ a rendszer jósága? diffúzió: ha ez a hatás erős, szétkergeti a molekulákat (főleg keresztirányban), mely hatására romlik az érzékenység feszültséggradiens: minél meredekebb, annál erősebb erők hatnak a rendszerre (mekkora ph egységre esik) Kapilláris elektroforézis Az elektroforetikus elválasztás kapillárisban játszódik el. A kapillárisban lehet gél, az alap eljárás az, hogyha puffer van benne. Előnyei: nincs keresztirányú kitérés (1 dimenziós) vékony, nagy fajlagos felületű rendszer (a hő jól elvezethető, jobban terhelhető) több 10000V feszültség 100-500 V/cm térerősség (egy kapilláris hossza 50-100 cm) kicsi áramerősség, mert a kapilláris vékony (25-75 µm) gyors, jó felbontású mérés (1-3 perc alatt elvégezhtő) egyféle puffer van

A mintaadagolás úgy történik, hogy a kapilláriscső mindkét vége elektrolit oldatba ér. Az elektroozmotikus áramlás miatt minden mintakomponens a negatív elektród felé vándorol, ezért a kis mennyiségű mintát (1-5nl) a kapilláris pozitív végénél injektálják, és az elválasztott komponenseket a kapilláris negatív végénél detektálják. Szerencsés, ha a kapilláris üvegből vagy kvarcből készül, mert az átengedi a fényt, így a spektrofotometriás detektorok könnyen a rendszerbe építhetőek. Szóba jöhetnék még elektrokémián és tömegspektrometrián alapuló detektálási módszerek is, hasonlóan a HPLC-ben alkalmazottakhoz. Elektroozmózis jelensége A kapilláris belső felülete negatív töltésű, anyagából adódóan (üveg, kvarc), így a folyadékban a fal mellett pozitív töltésű határréteg alakul ki. Ez a térerő hatására függőlegesen elmozdul. Ha azonban ezek az ionok csúsznak, magukkal viszik a vizet is, mely áramlást okoz. Ez maga az elektroozmózis, azaz hogy feszültség hatására ionáramlás okozta áramlás jön létre. Az áramlás tökéletesen dugattyúszerű, nem parabolaszerű, mint a nyomáskülönbség létrehozta áramlás esetén, így nincs sávkiszélesedés sem.

Leírás: - a fehérjére F elektromos = F közegellenállás E q = 6π r η v E q v = 6π r η ebből az elektroforetikus mozgékonyság q µ e = 6π r η - a folyadékra: v EOF ε ζ = E η µ EOF ε ζ = η ez nem függ E-től, ahol E az elektromos térerősség ε a dielektromos állandó ζ a zéta potenciál nagysága η a viszkozitás

A töltött rétegek viselkedése függ a ph-tól, emiatt v EOF és µ EOF is. Az elválasztás alapja az, hogy minden oldott molekula vándorol egy adott sebességgel a katód felé, a pozitívak egy picit gyorsabban, mert őket segíti az elektroozmózis hatásán kívül a vonzás; a negatívak pedig kevéssé lemaradva a taszítás miatt. Az elektroozmózis szabályozása, befolyásoló tényezők: E csökkentése: nő a migrációs idő kiszélesednek a sávok E növelése: melegedés ph csökkentése: lassítja az áramlást megváltoztatja az egyes fehérjék töltését, szerkezetét ionerősség növelése lassul az elektroozmotikus áramlás megnő az áramerősség, és emiatt melegszik a rendszer ha nem egyezik a minta ionerősségével, deformálódik a csúcs viszkozitás növelése lassul az elektroozmotikus áramlás változik a komponensek mozgékonysága

Nincs retneciós idő, ellentétben van migrációs idő. Ez a töltött molekula vándorlási idejét mondja meg egy adott semleges molekulához viszonyítva. µ a l E = µ EOF ± µ e = t l L = t U melyből a migrációs idő l L t = µ U a ahol µ a a látszólagos mozgékonyság l a hossz a detektorig L a teljes úthossz, melyen a feszültség esik U a feszültség