Принцип работы электрофорной машины: принцип действия, как работает, конструкция, устройство и применение

Электрофорная машина: конструкция, индукционные нейтрализаторы

Содержание

• 1 Конструкция
  • 1.1 Общая идея
• 2 Объяснение принципа работы
• 3 Индукционные нейтрализаторы
• 4 Вместо заключения
• 5 Благодарности

Электрофорная машина – это генератор статического заряда, состоящий из двух колес, вращающихся во взаимно противоположных направлениях. Часто используется учителями на уроках физики для устрашения занимающихся силой электрической дуги.

Конструкция

Конструкция изобретения Джеймса Вимхерста описана плохо в открытых источниках, часто люди не в силах объяснить, как работает электрофорная машина.

Общая идея

Два вращающихся друг против друга соосных диска несут простейшие конденсаторы из секторов алюминия. За счет случайных процессов в начальный момент на одном из сегментов – равномерно расположенных по кругу – образуется заряд. Это вызвано процессами трения о воздух либо прочими причинами. Причем, поскольку конструкция симметричная, знак заранее не предсказуем. Не рекомендуется ставить в электрофорную машину электролитические конденсаторы.

Вместо этого применяются две лейденские банки. Их внешние обкладки из фольги объединены, чтобы создать единую систему из последовательно включенных конденсаторов. Так уменьшаются требования к рабочему напряжению каждой емкости в два раза. Номиналы подбираются по возможности одинаковыми. В противном случае требования к рабочему напряжению распределятся неравномерно, что приводит к негативным последствиям.

Напряжение с сегментов дисков снимается при помощи индукционных нейтрализаторов. Ниже описан принцип действия. По сути конструкция, напоминающая металлический гребень, на некоторой высоте парит над диском. Нейтрализаторы спаренные, в точку съема заряда оба диска приходят с эквивалентным знаком на внешней поверхности. После разгрузки заряд сегментов сильно падает. Это обусловлено особой конструкцией индукционных нейтрализаторов, оставляющих поверхностную плотность заряда в районе 0,2 – 6 мкКл на метр в квадрате. В избранных конструкциях щетка слегка касается краем диска.

Прогрессивный рост поверхностной плотности заряда на сегментах в точке съема обусловлен тем, что навстречу друг другу движутся системы, создающие электрические поля, чьи напряженности направлены в противоположные стороны. Получается, что собственной рукой оператор (либо за счет силы электрического привода) отталкивающиеся системы насильно сближает. Взаимодействующие заряды пытаются расположиться подальше друг от друга. Это вызывает резкий рост поверхностной плотности зарядов в точках съема.

От гребенок нейтрализаторов электричество собирается в лейденские банки. Напряжение быстро растет, чтобы избежать выхода системы из строя вследствие превышения допустимых параметров конденсаторов, к двум электродам прикреплен разрядник. Дистанция между ними, как правило, регулируется, что позволяет получить дугу различной силы. Чем больше напряженность поля между разрядниками, тем более шумным эффектом сопровождается процесс опустошения лейденских банок.

После точки съема заряда сегменты остаются пустыми. Через 30 градусов по ходу движения диска стоят уравнители потенциала, называемые нейтрализаторами по принципу действия. Авторы обзора назвали бы уравнителями. Противоположные стороны диска отдали уже заряд у разных щеток. Следовательно, после прохождения точки съема знаки остатков заряда на них неизменно различны. И кусок толстой медной проволоки с щетками из тонких проволочек, трущих сегменты или парящих на малой высоте, замыкают накоротко указанные противоположности. В результате заряд на обоих сегментах становится равным нулю, энергия превращается по закону Джоуля-Ленца в тепло, выделяющееся на толстой медной жиле.

После обнуления диски продолжают двигаться во встречном направлении. Получается, освобожденный от заряда сегмент одного круга вращения оказывается напротив полупустого сегмента другого. Заряд между емкостями немедленно делится поровну, ведь диски сконструированы по одинаковым чертежам. Следовательно, кажутся идентичными. Первый диск отдает половину заряда, идет на точку съема. Второй достигает точки уравнителя потенциала первого и там отдает половину заряда.

Порой люди интересуются принципом работы прибора, ведь первый диск отдал остаточный заряд на уравнителе, второй поступил аналогично. Где взять энергию для смены знака?

Объяснение принципа работы

Энергия для смены знака на уравнителе берется из силы оператора. Помните, уже между щетками и уравнителями диски движутся друг другу навстречу со взаимным отталкиванием. Плотность заряда повышена. Принцип действия уравнителя не отличается от съемника. Более сильный заряд противолежащего диска буквально выталкивает через медную проволоку остатки на разряжаемом, и энергии хватает на смену знака.

В машине происходит съем заряда за счет повышения поверхностной плотности. В одной точке энергия запасается в лейденские банки, в другой служит для смены знака. Причём индукционные нейтрализаторы, видимо, некогда не отличались друг от друга. Оттого возникает путаница с названиями. По сути оба – нейтрализаторы. Если бы замыкающую проволоку из меди со съемными щетками назвали уравнителем, каламбур бы исчез. Повторим подробно:

1. В конструкции два типа конденсаторов. Во-первых, к указанному классу относятся лейденские банки как накопители заряда. Во-вторых, каждый сегмент обоих дисков считается конденсатором с алюминиевыми обкладками и диэлектриком между ними.
2. В машине два типа нейтрализаторов по сути их действия – понижающих заряд алюминиевых сегментов. Первый служит для заряда лейденских банок, второй – для поляризации (смены знака).

Вся энергия в конечном итоге берется не от электризации воздухом или трением меди и алюминия, их расстыковки. Нет! Энергия получается за счет принудительного наполнения конденсаторов силой кручения дисков. А выполняются процессы за счет резкого повышения поверхностной плотности зарядов в точках съема.

Индукционные нейтрализаторы

Нейтрализаторы в процессе работы способны загрязняться. Следовательно, периодически требуется чистить, иначе снижается эффективность. В машине Вимхерста факт уменьшения КПД мало играет роли. Если машина не работает, стоит проверить чистоту игл. В конструкции используется четыре индукционных нейтрализатора:

1. Сдвоенные уравнители лежат практически перпендикулярно друг другу.
2. По одному съемнику – на каждую лейденскую банку.

Представляют собой щетку из тонкой проволоки либо острых зубчатых плоских гребней (расчесок). Основа бывает металлической, что используется в машине Вимхерста, и деревянной. Острия всегда металлические, назначение – по возможности быстро отводить заряд на заземление. Принцип действия: по мере приближения остриев к заряженной плоскости линии напряженности смыкаются на них, образуя высокие значения.

Для справки. Плотность линий поля прямо пропорциональная напряженности в данной точке.

Повышенная плотность в районе острия способствует ионизации воздуха (без искры) и образованию зарядов обоих знаков, проводящих ток в нужном направлении. Параметры нейтрализаторов сильно зависят от расстояния между остриями и уменьшением радиуса их кривизны (заточкой). Применяемые в машине Вимхерста проволочные нейтрализаторы в виде щеток наименее эффективны. На съемниках стоят гребенки либо иглы. Считается, что для последних нейтрализаторов максимальная результативность достигается при указанных условиях:

• Соотношение высоты игл к расстоянию между ними от 0,6 до 1,8.
• Длина игл 12 – 50 мм и более.
• Диаметр игл 0,5 – 1 мм.

Уменьшение угла заточки за 60 градусов (повышение кривизны) в этом случае слабо влияет на свойства нейтрализатора. Иглы желательно поднести на расстояние от 5 мм к поверхности. Чем ближе, тем быстрее происходит съем заряда. Фактически минимальное расстояние до плоскости зависит исключительно от собственных вибраций диска. Касание не приведет к отказу системы, но резко снизится срок эксплуатации за счет механического разрушения отдельных элементов.

В противовес общепринятому мнению, созданному от бесконечных демонстраций машины, иглы лучше крепить на диэлектрическом основании. Предпринятым шагом уменьшается ёмкость между диском и гребнем, чем повышается плотность заряда: С = q/U. Заряд уже априорно задан, понижение емкости повышает разницу потенциалов (напряжение), чем облегчается процесс ионизации.

Для безопасности нейтрализатор снабжается кожухом. Нелишне напомнить, что прочие части (помимо ручки вращения) машины Вимхерста в период работы трогать нельзя. Края кожуха удалены от игл нейтрализатора не менее 50 мм.

Индукционным тип приборов назван за действие на расстоянии. Процесс носит название электростатической индукции. Это значит, что один заряженный предмет на расстоянии влияет на второй, без заряда. В металле электроны слабо связаны с решеткой, легко идут в сторону, куда увлекаются полем. Эффект носит поверхностный характер по понятной причине – линии напряженности не могут проникнуть в металл. По-другому: заряды в толще проводника перераспределяются, пока не нейтрализуют полностью внешнее поле.

В результате на поверхности иглы индуцируется заряд. Линии напряженности поля замыкаются на нем, одновременно сходясь отовсюду, как показано на рисунке. Разница потенциалов неизмеримо вырастает, вызывается ионизация воздуха. Она умеренная, при работе машины Вимхерста на щетках, как правило, нет искрения.

Вместо заключения

Индукционные нейтрализаторы возможно использовать иным способом – снимая заряд с жидких диэлектриков. К примеру, нефти. На производстве любая искра вызовет негативные последствия. Достаточно вспомнить о взрыве на скважине в Мексиканском заливе.

Таким образом, гребенка способна скользить по диску. В ранних конструкциях изготавливался единым, без секторов, однородным и из плотного материала (см. рис.). Работал без алюминиевых конденсаторов. Физики, хорошо разобравшиеся с машиной, смогли ее усовершенствовать.

Благодарности

Авторы сердечно благодарят заморского товарища Релаторио Финала за понятные и наглядные рисунки и фото. Оригинал работы выложен на всеобщее обозрение по адресу: ifi. unicamp.br/~lunazzi/F530_F590_F690_F809_F895/F809/F609_2013_sem1/AlexandreD-Mauro_RF2.pdf.

Без ютубовского канала магазина Чип&Дип авторы не увидели бы замечательных скринов: youtube.com/channel/UCUlNxWT1y3SmOmeYzqAKrWQ

Электрофорная машина « Попаданцев.нет

Когда-то электрофорную машину можно было увидеть в любом школьном кабинете физики.
Сейчас их тоже производят и тоже показывают школьникам — но далеко не везде. Все-таки сейчас впечатление от ее работы не настолько впечатляющее, чем было в начале прошлого века.

Однако, если ее продемонстрировать лет этак на тысячу раньше…

Принцип действия прост — два диэлектрических диска с нанесенными на их поверхность металлическими полосками.
Диски вращаются в противоположных направлениях, желательно побыстрее. Если в кусочки металла, пролетающие друг относительно друга, имеют хоть какую-то разницу потенциалов (а реальный мир такой — ничего поровну не дается), то при эта разница усиливается, нужно ее только снять.
Для этого существуют по две щетки для каждого диска, заряд накапливается в лейденских банках по бокам.

Вот современная школьная модель с прозрачными дисками, тут видно устройство:

Конкретно эта модель имеет размер диска в 30 см, расстояние между дисками — от 2.5 до 7 мм (диски не сделаны с высокой точностью). Высота ее лейденских банок по 12 см. И этого всего хватает, чтобы в сухом воздухе получить искру в 55 мм! Да, при этом скорость вращения 120 оборотов в минуту, но скажите мне — что в этой машине невозможно построить в том же Древнем Египте? Подшипник скольжения, который не несет нагрузок? Ременная передача вместо шестеренок? (кстати, на верхнем фото ремень). Диэлектрические диски? Кусочки металлической фольги без разницы какого металла? Лейденские банки?

Главное отличие использования такой штуки где-нибудь в Древней Греции — в горячем и влажном воздухе искра будет в полтора раза меньше.
Но искра ведь запасается в лейденской банке, и для попаданца выгоднее будет сделать простой конденсатор, куда более емкий. Ведь конструкция такой машины фактически не изменилась со времен ее изобретения, тут есть что совершенствовать.

Когда в 1865 году эта штука была изобретена, она применялась для развлечения — выстраивался ряд людей, держащихся за руки и через эту цепь пропускался заряд. Удар электрическим током был незабываемым опытом, желающих хватало, а кардиоэлектростимуляторов, которые бы позагинались от такого развлечения, тогда еще не придумали.

Если попаданец все же решится основать религию, то такая девайсина ему крайне пригодится.
По сравнению гальванической батареей она дает не пол-вольта, а десятки тысяч вольт. Пяти-сантиметровая искра в полутемном храме это нечто! Да и бьюшие током иконы тоже неплохо.
При этом — никаких сложных элементов, заряд накапливает за считанные секунды и заряд солидный.
Кроме всего прочего — позволяет легко намагнитить компас.

И последнее — будете строить электрофорную машину в древности, стройте из благородных металлов, красного дерева, перламутра и прочего. Вплоть до рога единорога. Это ведь не паровая машина, пыхтящая в темном закоулке технологического помещения, это вещь, которая должна внушать!

Введение в электрофорез — наука о поведении

 

Электрофорез — это метод разделения молекул в их жидком состоянии на основе их способности двигаться в электрическом поле. Различные формы и виды электрофореза стали ведущими методами анализа биомолекул в биохимии и молекулярной биологии, включая такие генетические материалы, как ДНК или РНК, белки и полисахариды.

Принцип электрофореза

Электрофорез основан на том явлении, что большинство биомолекул существуют в виде электрически заряженных частиц, обладающих ионизируемыми функциональными группами. Биомолекулы в растворе при данном рН будут существовать в виде положительно или отрицательно заряженных ионов.

При воздействии электрического поля ионизированные биомолекулы будут мигрировать с различной скоростью, в зависимости от массы и суммарного заряда каждой частицы в растворе — отрицательно заряженные частицы, анионы , будут мигрировать к положительно заряженному электроду, или катод , и катионы , или положительно заряженные частицы будут притягиваться к отрицательно заряженному электроду, называемому анодом .

Различия в скорости и направлении каждой заряженной частицы приведут к характеру миграции, уникальному для ее индивидуальных свойств, что приведет к выделению компонентов биомолекул, обладающих сходными характеристиками (Эндрюс, 1986, как указано в Westermeier, et al. , 2005, p. 3).

Теории, связанные с электрофорезом

Электрофоретическое разделение происходит при приложении электрического поля между двумя электродами, катодом и анодом, погруженными в буферный раствор. Следующие уравнения описывают явления, происходящие во время электрофореза, то есть факторы, влияющие на электрофоретическое разделение (Westermeier, et al. , 2005; Walker, 2010).

а. Параметр электрофореза определяет скорость и направление разделяемых частиц

При приложении электрического поля возникает v напряжение (В) или разность электрических потенциалов . Он представляет собой разницу в работе , необходимой для перемещения единицы заряженной частицы на определенное расстояние (d) без создания ускорения. Соотношение между приложенным электрическим полем (Е) , напряжением (В), и расстоянием (d) при электрофоретическом разделении выражается как:

E=V/d

(1)

суммарный заряд этой частицы в этом конкретном электрическом поле:

F=qE

(2)

Во время электрофореза скорость (v) заряженной частицы а, с которой она движется в определенном направлении в электрическом поле, выражается как:

v=qE/f

(3)

где f – коэффициент трения, зависящий от формы и размера частиц электрофореза. на размер пор среды и скорость буферного раствора, используемого в электрофорезе.

электрическая подвижность (мк) , которая представляет собой способность заряженной частицы двигаться в ответ на приложенное электрическое поле (e) , можно выразить со скоростью (v) заряженных частиц следующим образом:

60911111111111111111111111111111111191119119619661

1111111111111911119619619619619619619619619619619619106196191061961

(4). В уравнении (1)-(4) электрическая подвижность (µ) заряженной частицы пропорциональна ее скорости (v) и суммарному заряду частицы (q) , но обратно пропорциональна коэффициент трения (f) . На основе этих уравнений показано, что при любом данном электрофорезе частицы, обладающие разными размерами и зарядами, будут двигаться с разной скоростью и направлением, соответственно, при условии, что приложенное электрическое поле является однородным.

Обратно пропорциональная зависимость между электрической подвижностью (µ) и коэффициентом трения (f) также предполагает, что более мелкие частицы будут мигрировать быстрее, чем более крупные. Таким образом, каждая частица будет разделена на основе ее суммарного заряда, размера и формы.

б. Во время электрофореза выделяется тепло

Помимо интересующей заряженной частицы, ионы в буферном растворе электрофореза также будут ионизированы и заряжены при приложении электрического поля. Эти ионы служат проводниками, переносящими электрические ток (I) между катодом и анодом. Связь между напряжением (В) и током (I) описывается законом Ома следующим образом:

µ = V/E = Q/F

(4)

R представляет собой электрическое сопротивление , которое определяется компонентами, используемыми в настройках электрофореза, такими как тип используемого буферного раствора и его общий объем. 92 R

(6)

где P – энергия в единицу времени, преобразованная из электрической в ​​тепловую энергию.

На основании уравнений (1) и (5) расстояние (d) электрофоретического разделения можно уменьшить, если увеличить напряжение (В), что также приведет к увеличению тока (I) и сопротивление (R) . Тем не менее, как указано в уравнении (6), увеличение либо текущего (I) или сопротивление (R) приведет к выработке электроэнергии (P) , которая может быть преобразована из электрической энергии в тепловую.

Чрезмерное выделение тепла во время электрофореза может привести к конвекционным потокам или передаче тепла образцам, испарению буферного раствора, изменению рН буферного раствора и термической нестабильности. Это может привести к смешиванию образцов, изменению настроек электрофореза и повреждению термочувствительных образцов.

Одной из популярных мер противодействия выделению тепла является использование стабилизированного источника питания, который может обеспечивать постоянное напряжение или ток. Тем не менее, согласно закону Ома в уравнениях (5) и (6), приложения постоянного напряжения или тока не могут устранить выделение тепла. Таким образом, идеальная настройка электрофореза должна быть компромиссом между мощностью, , т.е. настройками напряжения и тока, и временем разделения (Walker, 2010).

Формы электрофореза

В зависимости от типа буферного раствора и его влияния на подвижность заряженных частиц электрофорез можно условно разделить на четыре формы следующим образом (Jorgenson, 1986):

1.

Электрофорез с подвижной границей

Электрофорез с подвижной границей считается оригинальной формой электрофореза. Пробы для разделения отбираются в свободном растворе, в пробирках или капиллярах, при постоянном значении рН на протяжении всего процесса разделения.

Основным преимуществом электрофореза в свободном растворе является возможность измерения подвижности разделяющихся частиц без других промежуточных факторов, не связанных с разделяющимися частицами. Тем не менее, этот формат электрофореза уязвим для конвекционного тока, а разрешение разделения низкое из-за смешивания образцов в буферном растворе, что может привести к перекрытию компонентов или частиц, обладающих схожими характеристиками (Jorgenson, 19).86).

2. Зональный электрофорез (ZE)

Зональный электрофорез аналогичен электрофорезу с подвижной границей в том, что электрофоретическое разделение происходит в гомогенной буферной системе (Westermeier, et al. ., 2005). В этом формате часто используется поддерживающая среда или матрица для подавления конвекционного потока и предотвращения неконтролируемой диффузии образца. Матрица в большинстве случаев также обеспечивает дополнительный эффект просеивания , который оказывает влияние на электрофоретическое разделение, как показано в уравнении (3) (Jorgenson, 19).86; Уокер, 2010).

Образцы для ZE-разделения окружают буферным раствором для электрофореза и разделяют в матрице на определенное время разделения. При подаче электрического тока образцы движутся с разной скоростью, что определяется их массой и зарядом (q) . После завершения процесса разделения компоненты образца, обладающие сходными характеристиками, выделяются в отдельную зону (Becker, 1973) .

Гель-электрофорез является примером ZE, в котором в качестве опорной среды используется полимерная просеивающая матрица. Этот метод широко используется в исследованиях в области биохимии и молекулярной биологии, а также в рутинной работе благодаря своей простоте и универсальности (Westermeier, 2005). Из-за введения поддерживающей среды ZE не подходит ни для анализа подвижности интересующих заряженных частиц, ни для определения изоэлектрическая точка (pI) пептидов или белков.

3. Изотахоэлектрофорез или изотахофорез (ИТФ)

Изотахофорез или ИТФ представляет собой форму электрофореза, при которой все ионы мигрируют с одинаковой скоростью (v) . В ITP образцы помещают между двумя неоднородными буферными растворами, состоящими из ведущего электролита на одном электроде и завершающего электролита на другом конце (Becker, 1973). Оба электролита обладают тем же видом заряда, что и интересующая частица в образце. При подаче электрического тока наибольшую подвижность будет иметь ведущий электролит, за которым следуют заряженные частицы в образце и концевые электролиты соответственно.

По мере продолжения ITP заряженные частицы в образце будут смещаться в зависимости от их электрической подвижности (µ) и концентрации в порядке убывания подвижности, в результате чего образуется непрерывная область заряженных частиц с аналогичными характеристиками, окруженная областями, где ведущие и терминирующие ионы заняты (Becker, 1973; Jorgenson, 1986).

Информация изотахофореза передается в виде графиков зависимости напряженности электрического поля от времени, что представляет собой идентичность заряженной частицы, а длина каждой области представляет собой концентрацию заряженной частицы (Jorgenson, 1986).

Рисунок 1: Диаграмма, представляющая изотахофорезное разделение.

Наибольшей подвижностью обладают ионы ведущего электролита (LE), за ними следуют частицы B, A и C образца соответственно. Ионы в терминирующем электролите (ТЭ) обладают наименьшей подвижностью. В ITP идентичность заряженных частиц отражается в напряжении или напряженности электрического поля, изображенных на оси y . Концентрация каждой частицы отражается в продолжительности времени ее обнаружения (L). На этом рисунке частица А имеет наибольшую концентрацию в образце, за ней следуют частицы В и С соответственно.

Одним из основных недостатков этого формата является то, что в одной настройке можно определить только один вид заряженных частиц, и для получения информации о заряженных частицах другого вида потребуется еще один раунд ITP.

4. Изоэлектрофокусировка (ИЭФ)

Изоэлектрофокусировка или ИЭФ – это электрофорез, который проводится в градиенте рН, который идет от низкого к высокому – от анода к катоду. IEF применим только к амфотерным молекулам, потому что они могут отдавать и получать протоны, действуя как кислота и основание. Примерами амфотерных биомолекул являются пептиды и белки, содержащие аминогруппы и карбоксильные группы (Walker, 2010).

После установления градиента pH и подачи электрического тока амфотерный образец будет мигрировать либо к аноду, либо к катоду, в зависимости от суммарного заряда образца. В изоэлектрической точке (pI) , где суммарный заряд образца равен нулю, скорость (v) и электрическая подвижность (µ) амфотерной молекулы становятся равными нулю, что останавливает миграцию (Джоргенсон , 1986).

Все четыре формата электрофореза можно проводить как в одномерном, так и в двухмерном (2D) измерениях. Двумерный электрофорез осуществляют путем проведения первого электрофореза с последующим вторым электрофоретическим разделением в направлении, перпендикулярном первому измерению. 2D-электрофорез может дать больше информации и разрешения, что особенно полезно для клинических или полевых образцов, которые часто требуют интенсивного анализа и характеристики, но даются только в ограниченном количестве (Jellum & Thorsurd, 19).82; Сюй, 2008 г.).

Типы электрофореза

Различные формы электрофореза были преобразованы в несколько типов электрофореза, которые используются для разделения различных типов биомолекул, анализа их характеристик и изучения их взаимодействия с интересующей молекулой. Ниже приведены избранные методы электрофореза, основанные на различных форматах электрофореза.

1. Гель-электрофорез

Гель-электрофорез представляет собой форму ZE, в которой используется гель, нежидкая сшитая полимерная сеть, в качестве поддерживающей среды для поддержания стабильного значения pH в буферном растворе, действующий как антиконвективный стабилизатор . Он также служит разделительной матрицей из-за своей пористой природы, которая фильтрует крупные частицы и препятствует более мелким во время электрофоретического разделения (Jorgenson, 19). 86).

Гель отливается в полоски или пластины с прорезями или лунками для образцов . После полной полимеризации гель погружают в буферный раствор для электрофореза и образцы загружают в каждую лунку перед подачей электрического тока для инициирования электрофоретического разделения (Walker, 2010). В конце гель-электрофореза компоненты в образцах будут разделены в зависимости от их массы (Westermeier, 2005).

Как упоминалось ранее, гель-электрофорез является одним из наиболее часто используемых видов электрофореза в исследованиях и рутинной диагностике благодаря простоте использования и универсальности. Его можно адаптировать для разделения различных биомолекул, изменив тип полимеров, используемых для отливки геля, и отрегулировав состав полимера, изменив размер пор геля (Xu, 2008; Chung, 9).0011 и др. , 2014).

Типы гелей

• Полиакриламид — прозрачный и прозрачный гель, полученный сополимеризацией мономеров акриламида в присутствии сшивающего агента, N, N- метилен-бисакриламид, обычно называемый бис-акриламид». Реакция полимеризации катализируется персульфатом аммония (APS) и N, N, N’, N’ -тетраметилендиамином (TEMED). Размер пор полиакриламидных гелей определяется концентрацией акриламида, которая должна быть пропорциональна его сшивающему агенту. Как правило, для разделения ДНК и белков используется небольшой процент акриламидного геля (3-15%). Более высокий процент акриламидного геля (10-20%) обычно используется при электрофорезе в полиакриламидном геле с додецилсульфатом натрия (ДСН), при котором белки разделяются в денатурированных условиях в зависимости от их размера (Walker, 2010). ; Чанг, 9 лет0011 и др., 2014).
• Агароза , природный линейный полисахарид, состоящий из цепей галактозы и 3,6-ангидрогалактозы, экстрагированный из агара, выделенного из красных морских водорослей (Westermeier, et al. ., 2005). Агарозу, как и агар, хранят в виде сухого порошка. Чтобы отлить агарозный гель, порошок агарозы растворяют в соответствующем буферном растворе, нагревают и дают остыть до комнатной температуры. Подобно полиакриламидному гелю, концентрация агарозы в буферном растворе определяет размер пор геля. Агарозный гель обычно используется в концентрации от 0,8% (вес/объем) до 5% (вес/объем) для разделения молекул ДНК и РНК (Walker, 2010). Агарозу можно использовать в сочетании с SDS для разделения высокомолекулярных белков, которые могут быть проблематичными при разделении с помощью SDS-PAGE (Greaser 9).0011 и др. , 2012).

2. Гель-электрофорез в импульсном поле (PFGE)

Гель-электрофорез в импульсном поле (PFGE) представляет собой вариант гель-электрофореза, при котором два электрических поля периодически воздействуют по очереди на гель-электрофорез под разными углами. Этот тип электрофореза специально разработан для разделения хромосом, которые представляют собой высокомолекулярные молекулы ДНК размером более 20 тысяч оснований.

В отличие от более мелких молекул ДНК, высокомолекулярные молекулы ДНК находятся в сжатой конформации, что заставляет их двигаться независимо от размера. Во время приложения первого электрического поля свернутые молекулы ДНК растягиваются и будут двигаться через гель. Однако прекращение и изменение направления электрического поля заставляют эти большие молекулы ДНК переориентироваться, прежде чем миграция сможет возобновиться.

Более крупные высокомолекулярные молекулы будут медленнее в процессе переориентации и обновления миграции по сравнению с более мелкими высокомолекулярными молекулами из-за их более длительного времени вязкоупругой релаксации . Повторное приложение двух переменных электрических полей под разными углами в конечном итоге покажет дальнейшее расстояние миграции для более мелких молекул ДНК с высокой молекулярной массой и более короткое расстояние миграции для более крупных молекул ДНК с высокой молекулярной массой (Westermeier, 2005; Westermeier 9).0011 и др., 2005; Уокер, 2010).  

3. Капиллярный электрофорез (КЭ)

Капиллярный электрофорез, также известный как высокоэффективный капиллярный электрофорез (ВКЭ), представляет собой тип электрофореза, проводимый в узком капилляре, погруженном в буферный электролит. Это единственный тип электрофореза, способный выполнять все четыре типа электрофореза (Heiger, 2000). Капилляр обычно имеет длину 20-30 сантиметров и внутренний диаметр 25-75 микрометров.

Электрофоретическое разделение начинается, когда образец вводится в капилляр либо под высоким напряжением, либо под давлением, и к капилляру прикладывают сильные электрические поля (Heiger, 2000; Westermeier, et al. , 2005). Компоненты в образце разделяются по длине капилляра в зависимости от формата проводимого электрофореза. На другом конце капилляра отдельные компоненты обнаруживаются на детекторе , где время обнаружения или время удерживания записывается автоматически.

Поскольку КЭ выполняется в узком капилляре, для разделения требуется очень небольшой объем пробы. Еще одним важным преимуществом CE является автоматизированная система инструментов, позволяющая проводить высокопроизводительный анализ (Heiger, 2000).

4. Иммуноэлектрофорез

Иммуноэлектрофорез представляет собой тип электрофореза, который разделяет антигенов , включая белки и пептиды, на основе их реакции и специфичности к антитела 0011 или иммуноглобулины (Ig) . Связывание антигена с соответствующим ему антителом при определенном соотношении антиген/антитело или эквивалентной точке , приведет к преципитации комплекса антиген-антитело. Таким образом, антигены в интересующем образце можно разделить на основе их способности связываться с данным антителом (Nowotny, 1979).

Современные установки для иммуноэлектрофореза основаны на модификациях зонального электрофореза и гель-электрофореза. Иммуноэлектрофорез можно проводить в одномерном или двумерном режиме (Вестермайер и др., 2005; Уокер, 2010).

5. Аффинный электрофорез

Аффинный электрофорез – это тип электрофореза, при котором биомолекула взаимодействует или связывается с другой молекулой, к которой она имеет сродство. Он использует явление, согласно которому электрическая подвижность (µ) изменяется, когда биомолекула, включая нуклеиновые кислоты, белки, пептиды и полисахариды, связывается с другой молекулой, и это изменение электрической подвижности будет отражаться в электрофоретической картине. .

Таким образом, интересующие биомолекулы в образце могут быть выделены на основе их сродства к другой молекуле — независимо от того, склонны ли интересующие биомолекулы связываться с другой молекулой в большей степени, чем другая нежелательная биомолекула. Современные настройки аффинного электрофореза основаны либо на гель-электрофорезе, либо на капиллярном электрофорезе (Kinoshita et al., 2015).

Приборы

Все типы электрофореза разделяют заряженные частицы, когда они погружены в буферный раствор. Для всех форм электрофореза требуется источник питания и устройство для электрофореза, обычно называемое электрофорезом 9.0011 камера . Источник питания подает электрический ток в камеру, которая запускает электрофоретическое разделение. Камера состоит из двух противоположных электродов, катода и анода, и резервуара с буферным раствором, в котором происходит отбор проб и их разделение (Walker, 2010).

Использование источника питания и камеры для электрофореза также требуется для всех видов электрофореза. Однако каждый формат требует специального оборудования для организации процесса разделения. Например, лотки на колесиках, стеклянные пластины и гребни необходимы для гель-электрофореза. Капиллярный электрофорез требует внутренней системы охлаждения, которая эффективно подавляет чрезмерный нагрев и обеспечивает термически стабильные условия во время электрофореза.

Рисунок 2: Схемы блока электрофореза (А) гель-электрофореза и (Б) капиллярного электрофореза электрофорез – это разделение частиц или компонентов в образце, которые часто невидимы для человеческого глаза. Поэтому для интерпретации результатов, полученных электрофорезом, необходимы дополнительные методы обнаружения и анализа (Jorgenson, 19).86; Уокер, 2010).

Рисунок 3: Пример системы Gel Document System или Gel Doc, оснащенной источником УФ-излучения, подходящего для красителя, который испускает ультрафиолетовую флуоресценцию, когда окрашенные целевые биомолекулы подвергаются воздействию УФ-излучения. Gel Doc можно подключить к компьютерному блоку, что позволяет визуализировать окрашенные гели. (Взято из SynGene)

В случае гель-электрофореза, например, отделенные частицы остаются погруженными в гель, невидимыми при обычном освещении. Чтобы визуализировать характер миграции, гель окрашивают, а затем визуализируют с помощью Gel Documentation System , которая обеспечивает необходимый источник света. Система документации геля часто оснащена камерой, которая может визуализировать визуализацию геля для количественного определения или последующего анализа.

 

Методы обнаружения

Существует несколько подходов к обнаружению и визуализации результатов электрофореза, каждый из которых отличается степенью чувствительности и сложности. Общие методы обнаружения следующие (Джоргенсон, 19 лет).86):

• Окрашивание   используются различные красители, которые могут связываться с интересующими молекулами. Например, окрашивание кумасси бриллиантовым синим или серебром может связываться с белками. Бромид этидия является примером красителя, который может внедряться между азотистыми основаниями и сильно флуоресцировать в коротковолновом ультрафиолетовом (УФ) свете. Этот подход является распространенным методом обнаружения для гель-электрофореза.
• Авторадиография   можно использовать для обнаружения, если интересующие молекулы помечены радиоизотопами. По сравнению с окрашиванием авторадиография более чувствительна.
• Онлайн-обнаружение , которое чаще всего является частью автоматизированного оборудования. Для онлайн-обнаружения можно использовать несколько механизмов обнаружения, таких как обнаружение УФ-поглощения, флуоресценции, электрического поля и проводимости. Капиллярный электрофорез и изотахофорез используют этот метод обнаружения.

Помимо авторадиографии, количественное определение разделенных компонентов производится относительно известных стандартов, подвергнутых тому же электрофоретическому разделению. В случае авторадиографии прямой количественный анализ можно провести с помощью денситометра.

Связанные методы

Несколько типов электрофореза могут быть объединены с другими методами либо для исследований, рутинной аналитики, либо для диагностических целей (Walker, 2010).

• Полимеразная цепная реакция (ПЦР) — это метод in vitro , используемый для создания множественных копий определенного участка ДНК. ПЦР-амплифицированные продукты в большинстве случаев разделяют гель-электрофорезом или капиллярным электрофорезом. ПЦР в сочетании с разделением и обнаружением с помощью капиллярного электрофореза стала стандартным рутинным методом судебно-медицинского анализа неизвестных образцов ДНК.
• Секвенирование по Сэнгеру — это метод секвенирования ДНК, основанный на включении дидезоксинуклеотидов, обрывающих цепь. Традиционно секвенирование по Сэнгеру разрешается с помощью электрофореза в полиакриламидном геле. В настоящее время секвенирование по Сэнгеру разрешается с помощью лазерно-индуцированного капиллярного электрофореза.
• Электроблоттинг относится к методу переноса нуклеиновых кислот (Нозерн-блоттинг для РНК и Саузерн-блоттинг для ДНК) или белков (Вестерн-блоттинг) на мембрану. Обычно его проводят в качестве последующей процедуры после гель-электрофореза, чтобы обеспечить дальнейший анализ разделенных компонентов.
• Профилирование белков с помощью масс-спектрофотометрии (МС) или протеомики — это метод, который пытается определить или идентифицировать белки в данном образце на основе отношения их массы к заряду ионов. Перед масс-спектрофотометрией образцы разделяют с помощью определенных форматов или видов электрофореза, обычно в 2D-модели. Затем интересующий компонент подвергается МС для идентификации.

В заключении

В целом электрофорез представляет собой метод разделения, который позволяет выделить интересующие биомолекулы или заряженные частицы на основании их подвижности в заданном электрическом поле. Подвижность может быть отражением характеристик интересующих биомолекул или частиц или результатом их взаимодействия с другой молекулой. В сочетании с другими методами электрофорез может стать мощным и универсальным инструментом, применимым для исследований, рутинного анализа и диагностики.

Ссылки

1. Беккерс, Дж. Л. (1973). Изотахофорез: некоторые фундаментальные аспекты. (Эйндховен: Technische Hogeschool Eindhoven). https://doi.org/10.6100/IR80190
2. Чанг М., Ким Д. и Херр А. Э. (2014). Полимерные просеивающие матрицы в микроаналитическом электрофорезе. Аналитик, 139 (22), 5635–5654. https://doi.org/10.1039/C4AN01179A
3. Гризер, М.Л., и Уоррен, К.М. (2012). Электрофорез белков в агарозных гелях для разделения высокомолекулярных белков. https://doi.org/10.1007/978-1-61779-821-4_10
4. Хейгер, Д. (2000). Высокоэффективный капиллярный электрофорез: введение. Технологии Эйджилент.
5. Джелум, Э., и Торсруд, А.К. (1982). Клинические применения двумерного электрофореза. Клиническая химия, 28(4), 876–883. https://doi.org/10.1093/clinchem/28.4.876
6. Jorgenson, JW (1986). Электрофорез. Аналитическая химия, 58(7), 743A-760A. https://doi.org/10.1021/ac00298a001
7. Киношита Э., Киношита-Кикута Э. и Койке Т. (2015). Новейшая технология аффинити-электрофореза. Протеомы, 3(1), 42–55. https://doi.org/10.3390/proteomes3010042
8. Новотны, А. (1979). Иммуноэлектрофорез. В «Основных упражнениях по иммунохимии» (стр. 235–237). https://doi.org/10.1007/978-3-642-67356-6_72
9. Уокер, Дж. М. (2010). 10 Электрофоретические методы. В К. Уилсон и Дж. М. Уокер (ред.), Принципы и методы биохимии и молекулярной биологии (7-е изд.). Кембридж: Издательство Кембриджского университета.
10. Вестермайер, Р. (2005). Гель-электрофорез. В ЭЛС. https://doi.org/10.1038/npg.els.0005335
11. Вестермайер, Р., Гронау, С., Бекет, П., Буэльес, Дж., Шикл, Х., и Тесселинг, Г. (2005). Электрофорез на практике: Руководство по методам и применению разделения ДНК и белков (4-е, исправленное издание). Wiley-VCH Верлаг.
12. Сюй, А. (2008 г.). Развитие электрофореза: прибор для двумерного гель-электрофореза разделения белков и применение капиллярного электрофореза в микробиоанализе (Университет штата Айова). Получено с https://lib.dr.iastate.edu/rtd/15688

Объяснить электрофорез, его принцип и факторы, влияющие на него

Q.5. (c) Объясните электрофорез, его принцип и факторы, определяющие его
Ответ 5. (c) Электрофорез: это метод, используемый для разделения и иногда очистки макромолекул, особенно белков и нуклеиновых кислот, которые различаются по размеру, заряду или конформации. Таким образом, это один из наиболее широко используемых методов в биохимии и молекулярной биологии.

Электрофорез определяется как миграция заряженных ионов в электрическом поле. В металлических проводниках электрический ток переносится движением электронов в основном по поверхности металла. В растворах электрический ток протекает между электродами и переносится ионами. Ионы, которые мигрируют к аноду из-за их анодной миграции, называются «анионами». Ионы, которые будут мигрировать к катоду, называются катионами.

Принцип: Когда заряженные молекулы помещаются в электрическое поле, они мигрируют либо к положительному, либо к отрицательному полюсу в зависимости от их заряда. В отличие от белков, которые могут иметь суммарный положительный или суммарный отрицательный заряд, нуклеиновые кислоты имеют постоянный отрицательный заряд, придаваемый их фосфатным остовом, и мигрируют к аноду.

Ион, помещенный в такое электрическое поле, будет испытывать силу:
Где,
F = электрофоретическая сила
K = константа
q = суммарный заряд белка (атомные заряды/белковая молекула)

Эта сила заставит белок ускоряться либо по направлению к катоду, либо к аноду, в зависимости от знака его заряда. Конечно, существуют и другие силы, такие как сила трения, когда ионы движутся в электрическом поле. Их влияние не может быть легко понято с помощью формулы, поэтому мы опускаем ее.
Электрофорез использует тот факт, что различные ионы обладают разной подвижностью в электрическом поле и поэтому могут быть разделены таким образом.

Белки и нуклеиновые кислоты подвергаются электрофорезу в матрице или «геле». Чаще всего гель отливается в виде тонкой пластины с лунками для загрузки образца. Гель погружают в буфер для электрофореза, который обеспечивает ионы для переноса тока, и некоторый тип буфера для поддержания pH на относительно постоянном уровне.

Сам гель состоит либо из агарозы, либо из полиакриламида, каждый из которых имеет свойства, подходящие для конкретных задач.

Факторы, влияющие на электрофорез:
Движение белков зависит от различных аспектов. Внутри геля молекулы должны проходить, поскольку они движутся от одного полюса к другому. Молекулы меньшего размера могут легче вплетаться в матрицу геля и выходить из нее по сравнению с молекулами большего размера. Как правило, молекулы движутся быстрее, если они имеют больший суммарный заряд, имеют форму шара и меньший диаметр

1) рН буфера
Он будет влиять на направление и скорость миграции белка.
Движение белков зависит от различных аспектов; один из них — заряды на белках. Белки представляют собой последовательность аминокислот, которые могут быть ионизированы в зависимости от их кислотного или основного характера. Суммарный электрический заряд белка представляет собой сумму электрических зарядов на поверхности молекулы в зависимости от окружающей среды.
Скорость миграции будет зависеть от силы их суммарных поверхностных зарядов: белок, несущий больше положительных зарядов, будет двигаться к катоду с большей скоростью. Наоборот, белок, несущий больше -5 зарядов, будет двигаться к аноду с большей скоростью. В связи с этим белки можно разделить на основе их электрических зарядов.
В зависимости от pH буфера белки в образце будут нести разные заряды. В pI (изоэлектрической точке) конкретного белка молекула белка не несет суммарного заряда и не мигрирует в электрическом поле. При pH выше pI белок имеет суммарный отрицательный заряд и мигрирует к аноду. При pH ниже pI белок приобретает суммарный положительный заряд на своей поверхности и мигрирует к катоду.

2) Ионная сила буфера
Влияет на долю тока, переносимого белками
При низкой ионной силе белки будут нести относительно большую часть тока и поэтому будут иметь относительно быструю миграцию. При высокой ионной силе большая часть тока будет переноситься буферными ионами, поэтому белки будут мигрировать относительно медленно. Аналогия может быть полезна для визуализации этого эффекта ионной силы. Представьте себе банк, в котором есть два счетчика — один для депозитов (анод) и один для снятия (= катод), где деньги — это электроны. Ионов можно рассматривать как клиентов, ожидающих обслуживания у любой стойки, которую можно представить себе как находящуюся в противоположных концах банковского зала.

Таким образом, при электрофорезе предпочтительна низкая ионная сила, поскольку она увеличивает скорость миграции белков. Низкая ионная сила также предпочтительна, поскольку она дает меньшее выделение тепла. Предполагая постоянное напряжение, если ионная сила увеличивается, электрическое сопротивление уменьшается, но ток увеличивается.