Các loại điện di mao quản

Điện di mao quản (CE) là một kỹ thuật tách phân tích hiệu quả cao được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực hóa học, công nghệ sinh học và dược phẩm để tách các hạt mang điện dựa trên kích thước và điện tích của chúng. Bài viết này giải thích các nguyên tắc cơ bản của điện di mao quản, các kỹ thuật khác nhau của nó và phạm vi ứng dụng rộng rãi khiến nó trở thành một công cụ mạnh mẽ trong khoa học phân tích hiện đại.

Quá trình phát triển

Điện di mao quản là một kỹ thuật phân tích giúp tách các ion và phân tử trong một điện trường bên trong một ống mao quản hẹp chứa đầy dung dịch điện giải. Các hạt mang điện di chuyển dựa trên độ linh động điện di của chúng, cho phép tách chính xác theo tỷ lệ kích thước trên điện tích.

Người đặt nền móng cho kỹ thuật này là nhà hóa sinh người Thụy Điển Arne Tiselius vào năm 1930 khi giới thiệu phương pháp “ranh giới chuyển động” (moving boundary) để tách các protein trong huyết thanh. Ông phát triển thiết bị sử dụng điện trường cao trong các ống thủy tinh để tách các hạt keo, giúp phân biệt rõ các thành phần protein. Vì những nghiên cứu của ông về điện di và phân tích hấp phụ, đặc biệt là những phát hiện của ông về bản chất phức tạp của protein huyết thanh, ông đã được trao tặng giải Nobel Hóa học năm 1948.

  Arne Tiselius (1902- 1971)

Vào những năm 1950, các nhà khoa học, bao gồm cả nhà hóa sinh người Thụy Điển Stellan Hjertén , đã giới thiệu việc sử dụng ống mao quản sắc ký vào các kỹ thuật điện di để đáp ứng nhu cầu sử dụng lượng mẫu nhỏ hơn và cải thiện hiệu quả tách.

Qua nhiều năm, những tiến bộ như việc sử dụng mao quản silica nung chảy vào những năm 1980 đã cải thiện đáng kể hiệu suất và mức độ phổ biến của kỹ thuật này. Ngày nay, các nhà khoa học sử dụng rộng rãi điện di mao quản để tách và phân tích nhiều hợp chất khác nhau, bao gồm peptit, protein và axit nucleic.

Các cột mốc lịch sử trong sự phát triển của CE

Cơ chế tách của điện di mao quản

Sơ đồ một hệ thống điện di mao quản

CE tách các ion bằng cách sử dụng điện áp đặt vào dựa trên độ linh động điện di, phụ thuộc vào bán kính nguyên tử, điện tích và độ nhớt của một phân tử cụ thể. Tốc độ di chuyển của các hạt phụ thuộc vào điện trường đặt vào. Khi cường độ điện trường tăng lên, độ linh động của các hạt tăng lên và bị ảnh hưởng bởi điện tích của các hạt; tuy nhiên, các hạt trung tính vẫn không bị ảnh hưởng. Trong đó, các ion mang điện tích di chuyển dưới tác dụng của điện trường đặt vào. Nếu có hai ion có kích thước tương tự nhau, ion có điện tích lớn hơn sẽ di chuyển nhanh hơn; trong trường hợp các ion có điện tích tương tự nhau, các ion có kích thước nhỏ hơn có ma sát ít hơn và tốc độ di chuyển nhanh hơn. Cation di chuyển về phía catốt và anion di chuyển về phía anốt.

Xem thêm nguyên lý tại https://vietnguyenco.vn/nguyen-ly-va-cau-tao-cua-thiet-bi-dien-di-mao-quan/. 

Các loại điện di mao quản

Các loại điện di mao quản khác nhau bao gồm: điện di mao quản vùng (CZE), điện di mao quản gel (CGE), sắc ký mao quản mixen điện động (MEKC), sắc ký điện mao quản (CEC), điện di đẳng điện mao quản (CIEF) và điện di đẳng tốc mao quản (CITP). Chúng có thể được phân loại thành hệ thống liên tục và hệ thống gián đoạn. Hệ thống liên tục có chất điện giải nền hoạt động xuyên suốt mao dẫn như một chất đệm. Hệ thống gián đoạn giữ mẫu trong các vùng riêng biệt được phân tách bởi hai chất điện giải khác nhau.

Phân loại các kỹ thuật điện di mao quản

Điện di mao quản vùng (Capillary zone electrophoresis- CZE)

Điện di mao quản vùng (CZE), còn được gọi là điện di dung dịch tự do hay điện di mao quản dòng tự do, là kỹ thuật được sử dụng phổ biến nhất trong các phương pháp CE. Hỗn hợp trong dung dịch có thể được tách thành các thành phần riêng lẻ một cách nhanh chóng và dễ dàng. Cơ chế tách dựa trên sự thay khác biệt về tỷ lệ điện tích trên khối lượng. Nguyên tắc cơ bản của CZE là sự đồng nhất của dung dịch đệm và cường độ điện trường không đổi dọc theo chiều dài mao quản.

Độ linh động điện di (µep) theo tỷ lệ điện tích trên kích thước của ion được tính theo công thức:

µep = q/ 6πηR

(với q là điện tích tổng cộng, R là bán kính ion, η là độ nhớt)

Điện di mao quản vùng: A- Mẫu được đưa vào ống mao quản và di chuyển qua môi trường tích điện, trong đó các protein mang điện tích dương dễ dàng đi qua cột nhất. Có thể phát hiện các protein thông qua một cửa sổ trên cột. B- Mẫu protein thu được từ điện di vùng mao dẫn cho thấy hướng rửa giải từ cột

Các mao quản silica nung chảy có các nhóm silanol bị ion hóa trong dung dịch đệm. Các ion SiO⁻ mang điện tích âm hút các cation mang điện tích dương, tạo thành hai lớp: một lớp cation tĩnh và một lớp cation khuếch tán. Khi có điện trường tác dụng, lớp khuếch tán di chuyển về phía cực âm mang điện tích âm tạo ra dòng điện di – µep (Quá trình này kéo theo một lượng lớn dung môi.) Các anion trong dung dịch bị hút về phía cực dương mang điện tích dương, nhưng cũng bị cuốn về phía cực âm. Các cation có tỷ lệ điện tích trên khối lượng lớn nhất sẽ tách ra trước, tiếp theo là các cation có tỷ lệ thấp hơn, các chất trung tính, các anion có tỷ lệ điện tích trên khối lượng nhỏ hơn, và cuối cùng là các anion có tỷ lệ lớn hơn. Tốc độ điện thẩm thấu có thể được điều chỉnh bằng cách thay đổi độ pH, độ nhớt của dung môi, cường độ ion, điện áp và hằng số điện môi của dung dịch đệm.

Sơ đồ mô tả sự di chuyển của các chất hóa học xảy ra trong CE và sự phụ thuộc của nó vào điện tích và kích thước.

Đơn giản hơn, CZE tách dựa trên tỷ lệ điện tích trên khối lượng của hạt. Trong đó, những hạt có tỷ lệ điện tích trên khối lượng lớn sẽ tách ra trước. Tỷ lệ càng lớn thì quá trình tách càng nhanh. Ngoài ra, khả năng di chuyển điện di của các phân tử còn phụ thuộc và việc duy trì cường độ điện trường không đổi trong suốt mao quản và độ pH của dung dịch đệm. Trong trường hợp có sự khác biệt rất nhỏ về Pi (điểm đẳng điện) giữa các dạng protein thì CZE là một phương án tối ưu được lựa chọn để sử dụng.

Điện di mao quản gel (Capillary Gel Electrophoresis- CGE)

Điện di mao quản gel là một phương pháp mạnh mẽ để phân tích các polyme sinh học như DNA, RNA và protein bằng hiện tượng sàng lọc dựa trên kích thước (khối lượng phân tử). CGE phát triển từ điện di truyền thống với các tấm gel polyacrylamide hoặc agarose. Trong điện di mao quản gel, ống mao quản được đổ đầy gel agarose hoặc polyacrylamide tạo thành một mạng lưới polymer hoạt động như một cơ chế sàng lọc phân tử, đặc biệt là để tách các loài theo kích thước phân tử, trong đó các chất phân tích di chuyển qua các lỗ xốp của gel.

Phân tách theo kích thước thông qua ma trận polymer trong CGE. Khi các chất tích điện di chuyển qua mạng lưới polymer, chất có kích thước lớn hơn bị cản trở nhiều hơn các chất nhỏ hơn

CGE tăng cường khả năng tách bằng cách kết hợp ma trận sàng lọc, thường là polyme liên kết chéo trong mao quản. Ma trận này làm chậm sự di chuyển của các phân tử lớn hơn so với các phân tử nhỏ hơn, dẫn đến sự tách biệt có độ phân giải cao. 

Giống như CZE, CGE cũng yêu cầu cường độ điện trường không đổi và phụ thuộc vào độ pH của dung dịch đệm khi các hạt di chuyển qua gel.

CGE chủ yếu được sử dụng để tách protein, các phân tử sinh học lớn, các đoạn DNA và polynucleotide.

 Sắc ký mao quản mixen điện động (Micellar Electrokinetic Chromatography – MEKC)

Sơ đồ nguyên lý tách trong MEKC

Sắc ký mao quản mixen điện động (MEKC) là một kỹ thuật phân tách lai giữa điện di mao quản và sắc ký, sử dụng các mixen (chất hoạt động bề mặt) để phân tách các chất, đặc biệt là các hợp chất trung tính, dựa trên sự phân bố khác biệt giữa pha tĩnh giả (mixen) và pha động nước. MEKC cho phép phân tích hiệu quả các mẫu không mang điện mà điện di mao quản vùng thông thường không tách được.

–        Cơ chế: Dựa trên sự phân bố khác biệt của chất phân tích giữa các mixen (pha tĩnh giả) và dung dịch đệm (pha động).

–        Mixen (Micelles): Các chất hoạt động bề mặt (phổ biến nhất là Sodium Dodecyl Sulfate – SDS) được thêm vào đệm ở nồng độ cao hơn nồng độ mixen tới hạn (CMC).

–        Sự di chuyển: Các mixen mang điện tích (thường là âm) di chuyển ngược với dòng điện trường, chậm hơn dòng điện thẩm (EOF), tạo điều kiện cho các chất trung tính được tách dựa trên tính kỵ nước.

–        Ứng dụng: Thường được sử dụng để phân tích phẩm màu, dược phẩm, và các hợp chất hữu cơ/vô cơ trong phân tích hóa học.

Sắc ký điện mao quản (Capillary Electrochromatography- CEC)

Là kỹ thuật phân tách kết hợp giữa sắc ký lỏng hiệu năng cao và điện di mao quản. CEC sử dụng pha tĩnh trong mao quản, di chuyển pha động bằng dòng điện thẩm để tách các chất dựa trên cả ái lực phân bố và sự di chuyển ion, mang lại hiệu năng cao.

–        Cơ chế đẩy pha động: Sử dụng dòng điện thẩm tạo ra bởi điện trường thay vì bơm áp suất cao như HPLC.

–        Pha tĩnh: Mao quản thường được nhồi với các hạt pha tĩnh (tương tự cột HPLC) hoặc phủ lên thành mao quản.

–        Ưu điểm:

Hiệu năng phân tách rất cao: Kết hợp được cả cơ chế sắc ký và điện di.

Giảm tiêu thụ dung môi: Ít sử dụng dung môi hữu cơ độc hại, thân thiện với môi trường.

Tốc độ nhanh: dòng điện thẩm tạo ra dòng chảy đồng nhất, giảm thiểu sự giãn rộng pic.

–        Ứng dụng: Thường được sử dụng để phân tách các chất có cấu trúc tương tự nhau, các phân tử trung hòa hoặc ion hóa, đặc biệt hữu ích khi HPLC truyền thống khó tách.

Điện di mao quản đẳng điện (Capillary Isoelectric Focusing- CIEF)

Điện di đẳng điện mao quản là kỹ thuật phân tích hiện đại, tách protein và peptide dựa trên điểm đẳng điện pI của chúng.

Nguyên lý của CIEF hai bước. a, Dung dịch catốt được bơm ngược qua điểm phát hiện và mẫu được đưa vào mao quản đã được phủ lớp. Bằng cách áp dụng điện áp cao, các thành phần protein được di chuyển và dừng lại ở các vùng pH tương ứng với giá trị pI của chúng. b, Sau khi quá trình tập trung mẫu hoàn tất, các thành phần mẫu được đẩy về phía đầu dò bằng cách thay đổi dung dịch anốt để buộc các dải đã tách ra vào cửa sổ phát hiện.

Các phân tử này được gọi là hợp chất lưỡng cực vì chúng chứa cả điện tích dương và âm. Điện tích phụ thuộc vào các nhóm chức gắn vào chuỗi chính và độ pH của môi trường xung quanh. Ngoài ra, mỗi phân tử có một điểm đẳng điện cụ thể. Khi độ pH xung quanh bằng với pI này, phân tử không mang điện tích. Ở pH thấp hơn pI, phân tử mang điện tích dương, và sau đó mang điện tích âm khi pH cao hơn pI. Vì điện tích thay đổi theo pH, nên có thể sử dụng gradient pH để tách các phân tử trong hỗn hợp. Trong quá trình tách CIEF, mao quản được đổ đầy mẫu trong dung dịch. Khi điện áp được đặt vào, các ion sẽ di chuyển đến vùng mà chúng trở nên trung tính (pH=pI). Đầu cực dương của mao quản nằm trong dung dịch axit (pH thấp), trong khi đầu cực âm nằm trong dung dịch kiềm (pH cao). Các hợp chất có điểm đẳng điện bằng nhau được “tập trung” thành các đoạn sắc nét và nằm trong vùng cụ thể của chúng, cho phép phát hiện chúng một cách riêng biệt. 

Điện di mao quản đẳng tốc (Capillary isotachophoresis – CITP)

CITP là phương pháp duy nhất được sử dụng trong hệ thống không liên tục. Các phân tử sử dụng kỹ thuật CITP di chuyển trong các vùng xác định. Các vùng này có thể được đo để định lượng mẫu. Về cơ bản, mẫu được thêm vào giữa hai dung dịch đệm khác nhau, một trong số đó có độ linh động cao hơn trong quá trình tách và được gọi là chất điện giải dẫn đầu.

Lớp đệm thứ hai là thành phần chậm nhất trong toàn bộ hệ thống, chậm hơn cả các phân tử mẫu. Trong CITP, kết quả xuất hiện dưới dạng các bậc thang không có đường nền và độ rộng vùng tỷ lệ thuận với lượng ion trong mẫu. CITP thường được sử dụng như một bước tiền cô đặc để làm đặc các mẫu loãng. CITP đặc biệt hiệu quả trong phép đo phổ khối siêu nhạy để phát hiện các dấu ấn sinh học trong phân tích protein.

Việt Nguyễn hiện là nhà phân phối chính thức dòng sản phẩm điện di mao quản hãng SCIEX tại Việt Nam với các model:

• Hệ thống điện di mao quản Biophase 8800
• Hệ thống điện di mao quản đầu dò khối phổ CESI 8000 Plus
• Hệ thống điện di mao quản PA 800 Plus
• Hệ thống điện di mao quản Intabio ZT

Hệ thống điện di mao quản hãng SCIEX mang đến các giải pháp tiên tiến nhất; cho phân tích tự động và định lượng về sinh học (biologics); nghiên cứu protein (proteomic), nghiên cứu chuyển hoá (metalolomic) hoặc nghiên cứu gen (genomic), hoặc các phân tích thực phẩm (food); các ứng dụng phân tích môi trường.

Quý khách có nhu cầu tư vấn, vui lòng liên hệ: