Keemia osakond

Kapillaarelektroforees analüütilises keemias

Instrumentaalanalüüsi meetodite seas on viimastel aastakümnetel kapillaarelektroforees (CE) erilist tähelepanu pälvinud nii analüütilise lahutusmeetodina laborites kui ka uurimisvaldkonnana. Elektroforeesi protsess viiakse läbi 25-100 μm sisediameetriga kvarts-, klaas- või polümeerses kapillaaris, mis on täidetud töölahusega ja millele rakendatakse kõrgepinge 10-30 kV. Proovi sisestamise järel hakkavad selle komponendid elektriväljas liikuma erinevate kiirustega, mistõttu toimub nende lahutamine tsoonideks. Detekteerimispunktis (enimkasutatavad on UV detektorid) registreeritakse komponentide kontsentratsioonile vastavad signaalid (piigid) ajalises järjestuses.

Meetodi eelised

Võrreldes mitmete teiste analüüsi meetoditega, on kapillaarelektroforeesil märkimisväärseid eeliseid: lihtne protseduur, väga väikesed proovi kogused (nanoliitrites), analüüside kiirus, hea lahutusvõime, meetod on kvantitatiivne, meetodi eri variatsioonid on rakendatavad alates väikestest ioonidest kuni suurte biomolekulideni ja isegi rakkudeni, enamasti ei ole vajalik proovi töötlemine, ühe analüüsi käigus on võimalik lahutada katioone, anioone ja neutraalseid komponente jm. Kapillaarelektroforeesi proovisisestuse protseduurid ja tulemuste töötlus on kergesti kompuuterjuhtimisega automatiseeritavad. Kõik see annab suurepärased võimalused rakendada meetodit protsesside seireks reaalajas.
Lisaks eeltoodule saab kapillaarelektroforeesi ühendada ja kombineerida erinevate a) proovi sisestusseadmetega ja b) detekteerimissüstemidega ning c) teiste instrumentaalanalüüsi meetoditega.

Meetodi modifikatsioone

Kapillaari sisu modifitseerimine loob võimalusi meetodi kasutusala oluliseks avardamiseks. Nii on kapillaarelektroforees osutunud efektiivseks meetodiks orgaaniliste biomakromolekulide nagu nukleiinhapped, peptiidid, proteiinid, süsivesikud, lipiidid jm lahutamisel. Kapillaarelektroforeetiline lahutamine ületab vedelikkromatograafia (HPLC) võimalusi kui tegu on suurte molekulidega või kui saadava proovi hulk on väga väike.
Alljärgnevalt lühiiseloomustus enamkasutatavate kapillaarelektroforeesi modifikatsioonide kohta, mis erinevad kas lahutusmehhanismi või selektiivsuse poolest:

• klassikaline kapillaarne tsoonelektroforees (CZE): kapillaaris on puhvri vesilahus - võimaldab lahutada ioone ja laetud molekule;
• mitsellaarne elektrokineetiline kromatograafia (MECC): kapillaaris on puhvri vesilahus, millele on lisatud pindaktiivset ainet, mis moodustab agregaadid (mitsellid) - võimaldab lahutada ka neutraalseid orgaanilisi ühendeid;
• kapillaarne geelelektroforees (CGE): kapillaari on tekitatud geel, milles väikesed molekulid liiguvad kiiremini kui suured - võimaldab lahutada proteiine, nukleiinhappeid jm;
• kapillaarne isoelektriline fokusseerimine (CIEF): kapillaaris on geel, milles tekitatakse pH gradient - võimaldab lahutada valkusid;
• afiinsuskapillaarelektroforees (ACE): kapillaaris toimib interaktsioon lahutatavate ainete ja spetsiaalselt lisatud ühendite vahel (näit ensüüm-substraat, ravim-proteiin, antigeen-antikeha interaktsioonid). Kasutatakse bioloogiliselt aktiivsete ainete analüüsimiseks;
• kapillaarne elektrokromatograafia (CEC) ühendab kapillaarelektroforeesi ja vedelikkromatograafia iseloomu: kapillaaris on kromatograafiline täidis ja eluent-elektrolüüt - võimaldab lahutada väga erinevaid ühendeid;
• mittevesikeskkonnaline kapillaarelektroforees (NACE): kapillaaris on orgaaniline solvent (metanool, atsetonitriil), mille elektrijuhtivuse suurendamiseks võib lisada mõnd vedelat soola - võimaldab lahutada vees mittelahustuvaid orgaanilisi ühendeid;
• elektroforeetiliselt vahendatud mikroanalüüs (EMMA). Siin kujutab kapillaar endast mikroreaktorit, milles toimub reaktsiooniprotsess ja sellele järgnev reaktsioonisegu komponentide lahutamine. Sel juhul on kapillaari eelnevalt sisestatud substraadi ja reagendi tsoonid. Võimaldab läbi viia aktiivsusteste ja määrata kineetilisi konstante.

TTÜ keemiainstituudi analüütilise keemia õppetoolis on prof Mihkel Kaljuranna juhendamisel välja töötatud kapillaarelektroforeesi automatiseerimise ja komputeriseerimise süsteeme, spetsiifilisi proovi sisestamise süsteeme, sidussüsteeme teiste meetoditega kombineerimiseks (LC-CE, CE-MS). Uuritud on kapillaaris kasutatavaid spetsiifilisi töökeskkondasid, ja kapillaarelektroforeesi rakendusi (biofenoolide) antioksüdatiivse aktiivsuse määramiseks ning mitmesuguste protsesside seireks nagu fenoolide degradatsioon, mikroorganismide kasv (orgaaniliste hapete määramise kaudu), ATP/ADP konversioon jt.

Ülalnimetatud õppetoolis on välja töötatud ja valmistatud portatiivne kapillaar-elektroforeesi aparaat, mis vajab toiteks 12V pingeallikat (näit. auto aku) ja millega on võimalik välitingimustes analüüse läbi viia. Ainete detekteerimiseks kasutatakse kontaktita elektrijuhtivuse mõõtmismeetodit, mis võimaldab kasutada ka mitteläbipaistvaid plastmasskapillaare. Tulemuste visualiseerimine ja salvestamine toimub sülearvuti kaudu (läbi RS 232 pordi).

Elektroforeetilise lahutusmeetodi teoreetilisi aluseid käsitlevad loengumaterjalid

Koostas Elvi Muks