Các hiện tượng điện động học

CÁC HIỆN TƯỢNG ĐIỆN ĐỘNG HỌC MỞ ĐẦU Các tế bào, các tổ chức của hệ thống sống là 1 hệ keo dị thể, bao gồm nhiều pha khác nhau. 1. Đặt vào hệ 1 điện trường không đổi  xuất hiện sự chuyển động của các pha trong hệ. 2. Khi các pha trong hệ chuyển động cơ học  tạo nên 1 điện thế trong hệ Các hiện tượng điện động học xuất hiện khi: Khái niệm: - dung dịch, dung môi và chất hòa tan - hệ dị thể, pha phân tán & môi trường phân tán Chuyển dịch của nước 1908, Reis là người đầu tiên phát hiện thấy các hiện tượng điện động học khi nghiên cứu sự chuyển động của các hạt đất sét dưới tác dụng của dòng điện 1 chiều Thí nghiệm của Reis I. PHÂN LOẠI CÁC HIỆN TƯỢNG ĐIỆN ĐỘNG HỌC Điện di Điện thẩm 3. Điện thế chảy 4. Điện thế lắng Các pha của hệ dị thể chuyển động khi đặt vào hệ một điện trường Bản thân sự chuyển động tương đối của các pha trong hệ dị thể tạo ra 1 điện trường trong hệ 1. Điện di Sự chuyển động của các hạt của pha phân tán trong điện trường hướng tới điện cực trái dấu – hiện tượng điện di. 2. Điện thẩm Hiện tượng chuyển động của môi trường phân tán dưới tác dụng của điện trường tới điện cực cùng dấu – điện thẩm Đặt lên hệ dị thể 1 điện trường không đổi, các pha của hệ sẽ chuyển động 3. Điện thế chảy Xuất hiện khi chất lỏng chuyển động do tác dụng của áp suất thuỷ tĩnh qua các mao quản, hoặc qua các lỗ mà thành lỗ mang điện tích  sự chuyển động của môi trường phân tán tạo nên 1 điện thế trong hệ. Đây là hiện tượng ngược với hiện tượng điện thẩm P 4. Điện thế lắng Xuất hiện giữa lớp trên và lớp dưới của hệ dị thể trong quá trình lắng các hạt của pha phân tán dưới tác dụng của trọng lực. Tất cả các hiện tượng điện động đều dẫn đến việc hình thành điện thế giữa pha phân tán và môi trường phân tán  điện thế động P Quá trình lắng máu Các ion dương dễ bị hydrate hóa hơn nên khó lắng hơn II. BẢN CHẤT ĐIỆN THẾ ĐỘNG 1. Nguồn gốc điện tích bề mặt. Việc xuất hiện của điện thế động có liên quan tới sự tồn tại của các điện tích tự do trên bề mặt của pha phân tán. Theo 2 cơ chế: Ion hoá các nhóm phân ly thường xảy ra trên bề mặt của phân tử protein or phân tử hữu cơ do sự có mặt của các nhóm hydroxyl, cacboxyl, amin… Ion nghịch: là những ion rời bỏ hạt phân tán và đi vào dung dịch Ion tạo thế: là các ion cố định trên bề mặt của hạt phân tán, và chúng sẽ xác định dấu của điện tích bề mặt. 2. Hấp phụ các ion lên bề mặt của pha phân tán Xét phân tử protein: Do sự có mặt cùng lúc của nhóm acid cũng như nhóm kiềm, nên phân tử protein là phân tử lưỡng cực. Trong dung dịch acid, phân tử protein giữ vai trò là ion dương Trong dung dịch kiềm, phân tử protein giữ vai trò là 1 ion âm, + Cl- Kết quả của quá trình ion hoá các nhóm –NH2 và –COOH tạo ra 2 loại ion:  1. Ion tạo thế, nằm trên bề mặt pha phân tán2. Ion nghịch nằm trong môi trường phân tán >>> Xuất hiện lớp điện kép, các điện tích đã bị phân ly mặc dù toàn bộ hệ vẫn trung hoà về điện. + 2. Cấu trúc lớp điện kép Toàn bộ ion tạo thế nằm trên bề mặt hạt keo Những ion ngược dấu chia thành 2 lớp: lớp thứ nhất cách bề mặt hạt keo 1 khoảng d cỡ kích thước phân tử, và được giữ sát bề mặt hạt keo nhờ lực hút tĩnh điện – tạo nên lớp hấp phụ. Lớp thứ hai: chuyển động tự do trong môi trường phân tán, tạo thành lớp khuếch tán. d- kích thước lớp điện képE – thế nhiệt động Dzeta-  điện thế - điện thế -hay còn gọi là điện thế điện động, chỉ xuất hiện do quá trình chuyển động của các pha trong hệ dị thể. d +  E - điện thế - hay bước nhảy thế xuất hiện giữa lớp hấp phụ và lớp khuếch tán Điện thế này hình thành trên ranh giới giữa màng dung môi cực mỏng (lớp hấp phụ) trên bề mặt của hạt và toàn bộ phần còn lại của chất lỏng Những yếu tố ảnh hưởng đến  điện thế Bất cứ yếu tố nào ảnh hưởng đến lớp điện kép đều ảnh hưởng đến  điện thế: Nồng độ các ion trong hệ Nhiệt độ dung dịch Bản chất môi trường phân tán: lớp điện kép chỉ có thể tồn tại trong môi trường phân cực và tỷ lệ thuận với mức độ phân cực của môi trường. III. NGUYÊN TẮC CỦA PP ĐIỆN DI Pp điện di dùng để: Tách chiết , phân tích thành phần hỗn hợp protein Nghiên cứu tính di động của các hạt, tế bào hoặc bào quan trong điện trường  tính chất điện hoá của bề mặt đối tượng nghiên cứu. Hiện tượng điện di: Một hạt mang điện tích q đặt trong điện trường đều E sẽ chịu lực tác dụng f f = qE Dưới tác dụng của điện trường, các hạt tích điện dương chuyển động cùng chiều điện trường, các hạt tích điện âm chuyển động ngược chiều. Có 2 loại hạt mang điện: Các ion dương hoặc âm phân ly từ các phân tử chất điện phân (acid, kiềm, muối tan trong nước) Các hạt keo, vi khuẩn, hồng cầu, bạch cầu, các phân tử protein… Vận tốc chuyển động của các hạt trong điện trường đều: x-quãng đường chuyển động, t- thời gian Tác dụng lên hạt còn có lực ma sát: fms=fv (f – hệ số ma sát, phụ thuộc vào kích thước, hình dạng phân tử và độ nhớt môi trường) Khi hạt chuyển động đều : qE = fv  v = qE/f Công thức Stokes (đối với hạt hình cầu), hệ số ma sát f=6r -độ nhớt; r-bán kính hạt Ta có: Hệ số U=v/E=q/f - độ linh động điện di Toác ñoä ñieän di tyû leä thuaän vôùi cöôøng ñoä ñieän tröôøng. Độ linh động U có giá trị bằng tốc độ điện di v khi cường độ điện trường E bằng 1 đơn vị. Maët khaùc, ta có mối liên hệ - hằng số điện môi của dung dịch, (2) (1) Thay (2) vào (1), ta có: Công thức Smolukhovski Theo đó, nếu biết tốc độ điện di v của hạt (các thông số , , E coi như đã biết), có thể tính được - điện thế . 2. Các phương pháp điện di Điện di trong dung dịch tự do 3. Điện di trên các chất giá 2. Vi điện di 1. Điện di trong dung dịch tự do Bộ phận chính: cuvet hình chữ U Dưới tác dụng của điện trường, các hạt sẽ chuyển động tới các điện cực trái dấu với chúng  ranh giới giữa dung dịch nghiên cứu và dung dịch đệm sẽ chuyển động. Quãng đường đi của mỗi loại hạt sẽ phụ thuộc vào điện tích của hạt  mỗi hạt sẽ ứng với 1 vị trí riêng. Chụp ảnh cuvet ở những thời điểm khác nhau (t1, t2)  ứng với quãng đường dịch chuyển trong thời gian Δt sẽ tính được vận tốc điện di  độ linh động điện di của hạt. Điện di trong dung dịch tự do cho phép xác định: Độ linh động Điểm đẳng điện Nhận dạng protein Phát hiện những thay đổi hóa học trong phân tử protein Điện di trong dung dịch tự do đóng vai trò quan trọng trong nghiên cứu protein. 2. Điện di trên các chất giá Dung dịch nghiên cứu được làm ổn định trên các giá. Các giá ổn định là tinh bột, thạch, gel, polyacrilamit … Điện di trên giấy: phổ biến và có nhiều ứng dụng Nguyên lý của điện di trên giấy giống với điện di trong dung dịch tự do: dung dịch nghiên cứu được chấm trên giấy như một giá mang. Các hạt mang điện sẽ chuyển động về phía điện cực trái dấu. + - Nhuộm màu: Cố định và nhuộm màu bằng phẩm nhuộn thích hợp. Định tính và định lượng protein thông qua các vết protein trên giấy. Ứng dụng: phân tích các thành phần và tách chiết protein, DNA… Điện di mao quản Điện di mao quản – hệ thống giải trình tự CEQ 8000 Tách ADN trên cột mao quản và phát hiện bằng huỳnh quang Gel tách mẫu Hệ 8 mao quản, thành mao quản được phủ hóa chất giúp gỉam thiểu sự bám dính của ADN. Hoạt động tự động từ việc bơm gel tới phân tích kết quả. Ứng dụng: Giải trình tự ADN So sánh giải trình tự gen Định lượng ADN… 3.Vi điện di Có sự hỗ trợ của kính hiển vi. Được sử dụng để xác định thế điện động của các hạt có kích thước nhỏ (các hạt keo sinh vật, tế bào động thực vật, vi khuẩn, hồng cầu…) Qua kính hiển vi có thể quan sát được sự chuyển động của các hạt riêng lẻ  tính được tốc độ di chuyển của hạt dưới tác dụng của điện trường trong các điều kiện thí nghiệm cụ thể. ĐIỆN THẾ - ĐIỆN ĐỘNG HỌC CỦA CÁC ĐỐI TƯỢNG SINH VẬT Nhờ vi điện di, tính chất điện hoá học đặc trưng của màng tế bào or bề mặt các cấu trúc sinh vật khác đã được nghiên cứu. Ở một số loại tế bào, giá trị điện thế động rất ổn định. Tốc độ điện di của tế bào hồng cầu nguyên vẹn thường là 1 đại lượng cố định  thế điện động trên bề mặt hồng cầu được xác định bởi điện tích tự nhiên của bề mặt, và các loại protein thường không có khả năng hấp phụ lên bề mặt hồng cầu Giá trị thế điện động ở hồng cầu của cùng 1 loài thường có giá trị cố định. VD: hồng cầu của người da trắng, da vàng hay da đen đều giống nhau; nhưng giá trị này ở các loài khác nhau lại rất khác nhau. - điện thế - điện thế chỉ thay đổi khi có sự thay đổi thành phần hoá lý của chính bản thân bề mặt tế bào  Sự thay đổi giá trị thế điện động ở động vật thường là dấu hiệu bệnh lý - điện thế của hồng cầu ở các loài động vật có vú khác nhau trong dung dịch đệm photphat pH=7,4 đẳng trương Ở một số khác (vi sinh vật), - điện thế thay đổi phụ thuộc vào tính chất hoá lý của môi trường Điểm đẳng điện Phản ánh tính chất hoá lý của bề mặt tế bào Được xác định bằng phương pháp vi điện di. Điểm đẳng điện của hồng cầu ở pH= 1,7. Khi bị tổn thương hay bị thay đổi thành phần hoá học do sự hấp phụ của các loại protein  điểm đẳng điện của hồng cầu thay đổi. ỨNG DỤNG CÁC HIỆN TƯỢNG ĐIỆN ĐỘNG HỌC TRONG Y HỌC Cho tới nay, hiện tượng điện động học đã được sử dụng rộng rãi trong y học. Làm tăng khả năng thâm nhập thuốc qua da Ví dụ: Dùng dòng điện 1 chiều, trước hết tạo 1 dòng chất lỏng đi qua các lỗ của da (trước đó trong các lỗ này thường có điện tích và không khí). Khi các lỗ này được ngấm đầy dung dịch thuốc thì thuốc sẽ thâm nhập vào trong qua các lỗ bằng cách khuếch tán. Giải thích quá trình chuyển động của bạch cầu tới các vùng bị viêm Ở vùng bị viêm thường xảy ra các quá trình phân hủy cấu trúc tế bào (protein, hydratcacbon, lypoprotein…). Như vậy, lượng phân tử chủ yếu là các acid hữu cơ; tập trung nhiều ion K+  sự thay đổi pH môi trường. Vùng bị viêm sẽ tích điện dương so với vùng khác (100 -150 mV ). Bạch cầu trong mao quản ở sát vùng bị viêm sẽ đi ra khỏi thành mao quản vào mô và hướng về vùng bị viêm theo gradien điện thế…