رحلان كهربائي

الرحلان الكهربائي Electrophoresis هوحركة جسيمات مشتتة بالنسبة لمائع تحت تأثير مجال كهربائي منتظم فراغياً. وهذه الظاهرة كهروتحريكية لاحظها لأول مرة في عام 1807، ف.ف. رويس، الذي لاحظ حتى اقامة مجال كهربائي جعل حبيبات الطمي المتناثرة في الماء تتحرك. وذلك مرده النهائي هة وجود اتصال مشحون بين سطح الجسيمات والمائع المحيط.

تستخدم تقنية الرحلان الكهربي لفصل المادة الوراثية (دي ان اية) اوالريبي (الرنا) اولفصل البروتينات عن طريق تطبيق مجال كهربي في وسط هلامي، ويتم غالبا فصل المادة الوراثية بعد مضاعفتها ونتيجة وجود مجمل شحنة سالبة علي المادة الوراثية ترحل من القطب السالب الي القضب الموجب

Illustration of electrophoresis

Illustration of electrophoresis retardation

عملية الفصل

يتم استخدام هلام بولي أكريلوأميد آفي عملية الفصل، ويتم اختيار هجريب ومثامية البوليمر طبقا لوزن وهجريب الهدف المطلوب تحليلة

الوصف

تثبت الورقة الكروماتوغرافية بحيث توصل إحدى نهايتيها بحجرة الكاتود والنهاية الأخرى بحجرة الأنود. تحمل العينات على نقاط محددة مسبقاً وتملأ حجرتا الأنود والكاتود بالمحلول الموقي الذي يصعد في الورقة بفضل الخاصة الشعرية. يوصل المسريان بمنبع للتيار المستمر DC وتراقب عملية الرحلان. يلعب المحلول الموقي دور الناقل الكهربائي، بينما تقوم الورقة الكروماتوغرافية بدور الجسر الذي يصل بين حجرتي الأنود والكاتود. ويتم فصل المركبات بفضل تفاوت سرعة الجسيم أوالأيون في الحقل الكهربائي المطبَّق. تستخدم هذه التقنية على نطاق واسع مع الجسيمات الغروية المشحونة وأيونات الجزيئات المكروية، مثل البروتينات والحموض النووية وعديدات السكاريد polysaccharides. تسلك المركبات في طريقة الرحلان الكهربائي سلوكاً مختلفاً بحسب طبيعة الرابطة السائدة فيها مثل: ـ الرابطة الأيونية: كما في الحموض والأسس والأملاح اللاعضوية التي توجد بشكل متأين، NaCl مثلاً، وحمض الخل (CH3COO)- H+ ومتيل هيدروكسيد الأمونيوم (CH3NH3)+OH- وأسيتات البيريدين ـ الرابطة التكافؤية: لا تظهر المركبات ذات الرابطة التكافؤية أي نشاط في الرحلان الكهربائي لأنها لا تتأين، كما في مركّب رباعي كلوريد الكربون CCl4، وتبقى هذه الطريقة حصراً على المركبات القابلة للتأين.

العوامل المؤثرة في عملية الفصل

1- حجم الأيون ومقدار الشحنة: وهما عاملان متعاكسان فحدثا ازداد حجم الأيون كان رحيله أبطأ، وحدثا ازداد مقدار الشحنة ازدادت المسافة التي تبترها، مما يشكل قوتين متعاكستين، ولا يختلف العمل الناجم عنهما من مركّب لآخر. 2- فرق الكمون المطبق والتأثير الناجم عن ازدياد درجة الحرارة: تعتمد هجرة جميع مادة على فرق الكمون أوالحقل الكهربائي المطبق. ويعبر عن شدة الحقل الكهربائي بالفولط لكل سنتمتر الذي يراوح بين 500 فولط لكل سنتمتر وعدة آلاف من الفولطات لكل سنتمتر. ويستخدم الأخير للفصل العالي السرعة لمواد ذات وزن جزيئي منخفض. أما الجزيئات المكروية التي تتصف بحركية أيونية أقلّ فهي أصعب انقياداً لعمليات الفصل بفرق الكمون المرتفع. تؤدي الحرارة المتولدة إلى تبخر جزء من المحلول الموقي الذيقد يكون بطيئاً في فروق الكمون المنخفضة ويزداد بازديادها ويمكن حتى يصل إلى حد الجفاف. كما يؤدي التبخر إلى ازدياد هجريز المحلول الموقي في الورقة مؤدياً بدوره إلى إضعاف مقاومة الورقة الكروماتوغرافية. لذا يعد التبخر من المشاكل الأولى التي تعترض هذه الطريقة وللحصول على فصل جيد في فترة زمنية مقبولة دون ازدياد كبير في درجة الحرارة، يؤخذ بالحسبان جميع من العوامل الآتية: المقاومة - فرق الكمون – التيار- هجريز المحلول الموقي. 3- درجة حموضة المحلول الموقي: يلعب هذا العامل دوراً كبيراً في جودة فصل المركبات وخاصة المذبذبة amphoteric منها (أي التي تلعب دور الحموض والأسس). وتبين المعادلات تأثير درجة حموضة الوسط على فصل الحموض الأمينية. يدعى الشكل B بالأمفوليت، وهوالشكل المسيطر في قيمة الـ pH الموافقة لنقطة التعادل الكهربائي للحمض الأميني. وتعهد نقطة التعادل الكهربائي isoelectric point بأنها الـ pH الذي تكون فيه الشحنة المحصلة على الجزيء مساوية الصفر فلا يبدي أي حراك رحلاني. أما في المحاليـل الأكثـر حموضة فتأخذ CO2 - بروتوناً لتشكل كاتيوناً (الشكل A) ويتجه الأيون عندها نحوالكاتود، بينما في المحاليل الأكثر قلوية تفقد الزمرة - بروتوناً لتشكل أنيوناً (الشكل C) ويتجه الأيون في الحالة هذه نحوالأنود. إلى غير ذلك تتغير نقطة التعادل الكهربائي من حمض أميني إلى آخر وفقاً للحموضة والقلوية النسبية للزمر الكربوكسيلية وزمر الأمينو. وبهذه الطريقة يمكن إنجاز عمليات الفصل الزمروية المعتمدة على نقاط التعادل الكهربائية عن طريق التحكم في الـ pH.

4- العمل الأسموزي الكهربائي

5- عمل الانتشار diffusion الناجم عن حركة بعض المركّبات تحت تأثير المحلول الموقي قبل تطبيق التيار الكهربائي .

6- سرعة الرحلان وتقدر بـالسنتمتر/ثا لدى تطبيق حقل كهربائي شدته 1 فولط/سم.

7- الطاقة المطبقة.

أنواع الرحلان الكهربائي

1- الرحلان الكهربائي النطاقي zone electrophoresis: ويعد من أكثر طرائق الرحلان شيوعاً. يدعم البروتين على سبيل المثال هنا على جسم صلب، فتدخل إضافة إلى قوى الهجرة الكهربائية قوى الكروماتوغرافيا التقليدية في كفاءة الفصل. وهناك عدة أنواع من الرحلان الكهربائي النطاقي بحسب الأنواع المتنوعة من الدواعم المستعملة، وتتضمن هلامات النشاء وهلامات بولي الأكريل أميد ورغوة البولي يوريتان والورق.

وتعد تقنية الرحلان الكهربائي على هلامات النشاء من التقنيات المألوفة على الرغم من الاستعاضة عنها في الوقت الحاضر بهلامات بولي الأكريل أميد، التي تخفض من تأثيرات الانتشار والحمل إلى حدودها الدنيا. تحضَّر صفيحة أوكتلة من هلامة النشاء، ثم تطبق العينة على شكل شريط ضيق بعرض الصفيحة حوالي منتصف المسافة بين طرفيها اللذين يوصلان بمسريين في جسر الوصل. وعندما يمر التيار عبر الخلية تتحرك مكونات المزيج المتنوعة بسرعات تتوقف على شحنتها الكهربائية وحجومها وأشكالها. وبتقدُّم الرحلان تهاجر المكوِّنات المشحونة سلباً نحوالأنود والمشحونة إيجاباً نحوالكاتود، ونحصل بالنتيجة على سلسلة من العصابات المفصولة أوعلى خطوط من مكوّنات العينة التي يمكن إظهارها بملوِّن. - الرحلان الكهربائي الشعري النطاق Capillary zone electrophoresis (CZE): تمكّن هذه الطريقة من فصل كميات صغيرة جداً من المواد خلال زمن قصير نسبياً وبتفريق مرتفع، فهي توفر إمكانية تحليل حجم من العينة لا يتجاوز النانوليتر (10-9 ليتر)، كما توفر حساسية كشف للمكونات المحقونة تصل إلى سوية الأتومول ( 10-18مول).

جهاز الرحلان الكهربائي الشعري النطاق. يأخذ وسط الفصل شكل أنبوب شعري من السيليكا المصهورة (بقطر داخلي منعشرة إلى 100 ميكرومتر وطول 1م ) يحوي كهرليتاً مناسباً. وبعد حتى يدخل حجم صغير من العينة في إحدى نهايتيه، يوضع طرفا الأنبوب الشعري في محلول كهرليتي موق (هوعادة المحلول نفسه الموجود في الأنبوب الشعري). يوصل المسريان بعد غمسهما في المحلول بمنبع تيار مستمر قادر على تمرير تيار يصل حتى 250 ميكروأمبير، ويؤمن فروق كمون تراوح بين 1000 و30000 فولط. يتدفق المحلول عبر مكشاف فوق بنفسجي UV امتصاصي يوضع على إحدى نهايتي الأنبوب الشعري أوقريباً منها تهاجر الجزيئات المعتدلة معاً بالتناضح العكسي. فإذا ضمن الطور المتحرك منظفات تشكل مُذْيَلات micelle، فإن الجزيئات تتآثر بصورة متفاوتة مع هذه المُذْيَلات، فتفتقر عن بعضها بعضاً، كما تمنع امتزاز البروتينات مثلاً على الجدران. تدعى هذه التقنية عندئذ الكروماتوغرافيا الشعرية الإلكتروحركية المذيلة (MECC) micellar electrokinetic capillary chromatography.

تطبيقات الرحلان الكهربائي

تستخدم تقانة الرحلان الكهربائي على نطاق واسع في الطب. فمثلاً يظهر فصل بروتينات المصورة بالرحلان الكهربائي على هلامة النشاء وجود 18 مركباً. ويمكن استعمال مقياس الكثافة لقياس شدة النطاقات الملونة والحصول بذلك على معلومات كمية.

تحليل مكونات المصل (ألبومين albumine وغلوبولين globuline)، في حين يمثل الشكل (4) استخدام تقنية الرحلان الكهربائي في التحاليل الأنزيمية التي تلعب دوراً مهماً في التشخيص السقمي.

انظر أيضاً

Affinity electrophoresis
Capillary electrophoresis
Electroblotting
Electrophoretic display
Electrophoretic light scattering
Electrophoretogram
Gel electrophoresis
Isotachophoresis
Onsager reciprocal relations
Protein electrophoresis
SDS PAGE

المصادر

فرانسوا قره بيت. "الرَّحَلان الكهربائي". الموسوعة العربية.

الهامش

^ Lyklema, J. “Fundamentals of Interface and Colloid Science”, vol.2, page.3.208, 1995
^ Hunter, R.J. "Foundations of Colloid Science", Oxford University Press, 1989
^ Dukhin, S.S. & Derjaguin, B.V. "Electrokinetic Phenomena", J.Willey and Sons, 1974
^ Russel, W.B., Saville, D.A. and Schowalter, W.R. “Colloidal Dispersions”, Cambridge University Press,1989
^ Kruyt, H.R. “Colloid Science”, Elsevier: Volume 1, Irreversible systems, (1952)
^ Dukhin, A.S. and Goetz, P.J. "Ultrasound for characterizing colloids", Elsevier, 2002
^ Reuss, F.F. Mem.Soc.Imperiale Naturalistes de Moscow, 2, 327 1809

وصلات خارجية

List of relative mobilities

للاستزادة

http://gslc.genetics.utah.edu/units/activities/electrophoresis/
Voet and Voet (1990) Biochemistry. John Whiley & sons.
Jahn, G.C., Hall, D.W., and Zam, S.G. (1986) A comparison of the life cycles of two Amblyospora (Microspora: Amblyosporidae) in the mosquitoes Culex salinarius and Culex tarsalis Coquillett. J. Florida Anti-Mosquito Assoc. 57, 24–27.
Khattak M.N. and Matthews R.C. (1993) Genetic relatedness of Bordetella species as determined by macrorestriction digests resolved by pulsed-field gel electrophoresis. Int. J. Syst. Bacteriol. 43(4), 659-64.
Barz, D.P.J. and Ehrhard. P. (2005) Model and verification of electrokinetic flow and transport in a micro-electrophoresis device. Lab Chip 5, 949–958.
Shim, J., Dutta, P., and Ivory, C.F. (2007) Modeling and simulation of IEF in 2-D microgeometries. Electrophoresis 28, 527–586.