23. Электрохимические методы анализа (электрофорез и др.)

Электрохимические методы основаны на использовании электрохимических процессов, происходящих при взаимодействии электродов и электролитов. В электрохимических методах используется зависимость электрических параметров от концентрации, природы и структуры вещества, участвующего в электродной реакции или электрохимическом процессе переноса зарядов между электродами.

Электрохимические методы анализа используют либо для прямых измерений(изменение силы тока, напряжения или сопротивления в зависимости от состава раствора), либо для идентификации конечной точки титрования. Они позволяют определить концентрацию вещества в широком интервале(1- 10^-9моль/л) с достаточной точностью и могут быть легко автоматизированы.

Электрохимические методы анализа, совокупность методов качественного и количественного анализа, основанных на электрохимических явлениях, происходящих в исследуемой среде или на границе раздела фаз и связанных с изменением структуры, химического состава или концентрации анализируемого вещества. Э. м. а. делятся на пять основных групп: потенциометрию, вольтамперометрию, кулонометрию, кондуктометрию и диэлектрометрию.

Потенциометрия – метод определения различных физико-химических величин, основанный на измерении электродвижущей силы(разность электродных потенциалов) обратимых гальванических элементов. По данным потенциометрии вычисляют константы равновесия, константы диссоциации кислот и оснований, произведение растворимости, водородный показатель. Практическое применение – определение рН раствора со стеклянным электродом, определение концентраций ионов с помощью ионоселективных электродов. Достоинства метода – высокая точность и чувствительность, возможность проводить титрования в более разбавленных растворах, неподдающихся визуальным методам. Также этим методом можно определять несколько веществ в одном растворе без предварительного разделения и титрование мутных растворов и окрашенных сред. Потенциометрия объединяет методы, основанные на измерении эдс обратимых электрохимических цепей, когда потенциал рабочего электрода близок к равновесному значению (см. Электродный потенциал). Потенциометрия включает редоксметрию (см. Оксидиметрия), ионометрию и потенциометрическое титрование.

Вольтамперометрия основана на исследовании зависимости тока поляризации от напряжения, прикладываемого к электрохимической ячейке, когда потенциал рабочего электрода значительно отличается от равновесного значения (см. Поляризация электрохимическая). По разнообразию методов вольтамперометрия — самая многочисленная группа из всех Э. м. а., широко используемая для определения веществ в растворах и расплавах (например, полярография, амперометрия). Вольтамперометрия основана на изучении поляризационных кривых (кривые зависимости силы тока от напряжения), которые получаются, если при электролизе раствора анализируемого вещества постепенно повышать напряжение и фиксировать при этом силу тока.

Кулонометрия объединяет методы анализа, основанные на измерении количества вещества, выделяющегося на электроде в процессе электрохимической реакции в соответствии с Фарадея законами. При кулонометрии потенциал рабочего электрода отличается от равновесного значения. Различают потенциостатическую и гальваностатическую кулонометрию, причём последняя включает прямой и инверсионный методы, электроанализ и кулонометрическое титрование.

Кондуктометрия – метод определения различных физико-химических величин, основан на измерении электропроводности. Электропроводность – способность растворов электролитов проводить эл.ток под действием внешнего эл.поля.

К кондуктометрии относятся методы, в которых измеряют электропроводность электролитов (водных и неводных растворов, коллоидных систем, расплавов, твёрдых веществ). Кондуктометрический анализ основан на изменении концентрации вещества или химического состава среды в межэлектродном пространстве; он не связан с потенциалом электрода, который обычно близок к равновесному значению. Кондуктометрия включает прямые методы анализа (используемые, например, в солемерах) и косвенные (например, в газовом анализе) с применением постоянного или переменного тока (низкой и высокой частоты), а также хронокондуктометрию, низкочастотное и высокочастотное титрование.

Диэлектрометрия объединяет методы анализа, основанные на измерении диэлектрической проницаемости вещества, обусловленной ориентацией в электрическом поле частиц (молекул, ионов), обладающих дипольным моментом. Методы диэлектрометрии применяют для контроля чистоты диэлектриков, например для определения малых количеств влаги. Диэлектрометрическое титрование используют для анализа растворов.

Электрофорез – движение заряженных коллоидных частиц в постоянном эл.токе к противоположно заряженному электроду. Электрофорез основан на разделении ионов(частиц), отличающихся отношением заряда к массе при движении в растворе под действием эл.поля. Скорость движения молекул в эл.поле возрастает с увеличением суммарного эл.заряда. На электрофоретическую активность белков влияют:

- форма и величина молекул белков

- электрическое поле(сила тока, напряжение, сопротивление)

- характер буфера(конц. 0,005 – 0,1 моль/л) и его ионная сила

- природа носителя(на бумаге, в геле)

Электрофорез на бумаге - самый простой из форетических методов, носитель – хроматографическая бумага, после фореза белки высушивают и красят. Но бумага не являетя абсолютно инертным носителем и может адсорбировать некоторые вещества, что нежелательно. Поэтому в качестве носителя стали применять ацетат целлюлозы – менее гидрофильный и удерживает меньшее количество буферного раствора, правда он дороже бумаги. Данный метод целесообразно применять для разделения малых количеств веществ.

Электрофорез в гелях (крахмальный, агаровый, полиакриламидный гели) – отличается большой разрешающей способностью, движение молекул зависит от размера пор в геле, ценен для разделения смесей молекул с одинаковыми зарядами, но различающихся по массе.

ПААГ – имеет большие преимущества: прозрачен, обладает значительной механической прочностью, однороден по составу, химически инертен. Получают путем полимеризации акриламида и метиленбисакриламида, чем больше концентрация второго, тем более плотным получается гель. Достоинства электрофореза в ПААГе – можно менять размер пор, исследовать растворы разной концентрации, проводить разделение бастро, в течение 60-70мин, ПААГ имеет очень небольшую адсорбцию, не поглощает УФ – можно рассматривать процесс разделения. Имеется несколько вариантов проведения электрофореза в ПААГе (вертикальный горизонтальный, в трубках и на пластинах). Чаще используется вертикальный – сочетает 2 системы полиакриламидных гелей: верхний (крупнопористый) – происходит отделение клеточного материала, нижний (мелкопористый) – разделение белков.

Оптимальное количество белка, вносимое в одну колонку – от 10 до 100 мкг. После нанесения белков, колонки заполняют трис-глициновым буфером. Электрофорез проводят в специальных кюветах с закрепленными электродами. После разделения гелевые колонки окрашивают, для фиксации зон разделения белков гелевые колонки помещают в раствор уксусной кислоты, а потом отмывают от красителя и смотрят результаты разделения.

Применяется: диагностика заболеваний (изучение белков и ферментов органов и тканей в норме и при патологии), разделение белков сыворотки крови, выявление мутаций и тд.