전기영동

전기영동은 공간적으로 균일한 전기장의 영향을 받는 유체에 대한 분산된 입자의 운동입니다.^{[1][2][3][4][5][6][7]}양전하를 띤 입자(양이온)의 전기영동은 때로 카타포레시스라고 불리고 음전하를 띤 입자(양이온)의 전기영동은 때로 아나포레시스라고 불립니다.

전기영동의 전기동학적 현상은 1807년 모스크바 대학의 러시아 교수 피터 이바노비치 스트라호프와 페르디난트 프레데릭 로우스에 의해 처음으로 관찰되었는데,^[8] 그는 일정한 전기장의 적용이 물에 분산된 점토 입자를 이동시키는 것을 알아차렸습니다.이는 궁극적으로 입자 표면과 주변 유체 사이에 대전된 계면이 존재하기 때문에 발생합니다.그것은 크기, 전하 또는 결합 친화도에 의해 분자를 분리하는 화학에서 사용되는 분석 기술의 기초입니다.

전기영동은 크기에 따라 고분자를 분리하기 위해 실험실에서 사용됩니다.이 기술은 음전하를 적용하여 단백질이 양전하를 향해 이동하도록 합니다.전기영동은 DNA, RNA 및 단백질 분석에 광범위하게 사용됩니다.

역사

이론.

부유 입자는 표면 흡착종에 의해 강한 영향을 받는 표면 전하를 가지고 있으며,^[10] 외부 전기장은 정전 쿨롱 힘을 발휘합니다.이중층 이론에 따르면 유체의 모든 표면 전하는 표면 전하에 대해 동일한 절대 전하를 가지지만 반대 부호를 가진 이온 확산층에 의해 가려집니다.전기장은 표면 전하에 작용하는 방향과 반대 방향인 확산층의 이온에도 힘을 작용합니다.이 후자의 힘은 실제로 입자에 가해진 것이 아니라 입자 표면에서 어느 정도 떨어진 곳에 위치한 확산층의 이온에 가해지고, 그 일부는 점성 응력을 통해 입자 표면까지 전달됩니다.이 힘의 부분은 전기영동 지연력, 줄여서 ERF라고도 불립니다.전기장이 인가되고 분석 대상 하전 입자가 확산층을 통해 정상적으로 이동할 때 총 결과 힘은 0입니다.

${\displaystyle F_{tot}=0=F_{el}+F_{f}+F_{ret}}$

분산제의 점도에 의한 이동 입자의 항력을 고려하면, 낮은 레이놀즈 수와 적당한 전계 강도 E의 경우, 분산 입자 v의 드리프트 속도는 단순히 인가된 전계에 비례하며, 이는 다음과 같이 정의되는_e 전기영동 이동도 μ를 남깁니다.^[11]

${\displaystyle \mu _{e}= {v \over E}}$

가장 잘 알려지고 널리 사용되는 전기영동 이론은 1903년 스몰루쇼스키에 의해 개발되었습니다.^[12]

${\displaystyle {}_{\mu }}$ $=$ ${\displaystyle \frac{r_{}}{}{\epsilon }_{}\frac{0_{}}{}}$ ζ η ${\displaystyle \mu$} = {\$frac${\$varepsilon _{r}\varepsilon _{0}\zeta}{\eta$

여기서 ε은 분산매의 유전율이고, ε은 자유 공간의 유전율(C² N m)이고, η은 분산매(Pas)의 동적 점도이며, ζ은 제타 퍼텐셜(즉, 이중층의 미끄러짐 면의 전기 운동학적 퍼텐셜, 단위 mV 또는 V)입니다.

스몰루쇼스키 이론은 어떤 농도에서도 어떤 형태의 분산된 입자에도 적용되기 때문에 매우 강력합니다.그것은 타당성에 한계가 있습니다.예를 들어, Debye length κ(단위 m)은 포함하지 않습니다.그러나 전기영동을 위해서는 그림 2의 "전기영동 지연의 예시"에서 즉시 다음과 같이 데바이 길이가 중요해야 합니다.이중 층(DL)의 두께가 증가하면 입자 표면에서 더 멀리 위상차의 지점을 제거할 수 있습니다.DL이 두꺼울수록 위상차 힘이 작아져야 합니다.

상세한 이론적 분석을 통해 스몰루코프스키 이론은 입자 반경 a가 데바이 길이보다 훨씬 클 때 충분히 얇은 DL에만 유효하다는 것을 증명했습니다.

${\displaystyle \kappa }$ ≫ ${\displaystyle 1}$ ${\displaystyle$ a$\kappa \gg1$

이 "얇은 이중층" 모델은 전기영동 이론뿐만 아니라 다른 많은 전기동학 이론에도 엄청난 단순화를 제공합니다.이 모델은 데비 길이가 보통 수 나노미터에 불과한 대부분의 수성 시스템에 유효합니다.물에 가까운 이온 강도를 가진 용액 속 나노 콜로이드에 대해서만 깨집니다.

스몰루쇼스키 이론은 또한 표면 전도도의 기여를 무시합니다.이것은 현대 이론에서 작은 두힌 수의 조건으로 표현됩니다.

${\displaystyle Du\ll 1}$

전기영동 이론의 타당성 범위를 확장하기 위한 노력에서 데비 길이가 입자 반경보다 클 때 반대의 점근적인 경우를 고려했습니다.

<1 ${\displaystyle$ a$kappa <\!,1}$

"두꺼운^[13] 이중층"의 조건에서 휘켈은 전기영동 이동성에 대해 다음과 같은 관계를 예측했습니다.

$=$ ${\displaystyle 2{}_{}\frac{{}_{}}{}}$ ${\displaystyle \frac{r_{}}{}{}_{}\frac{{}_{}}{}}$ ${\displaystyle \frac{0_{}}{}{}_{}\frac{\zeta }{}}$ ${\displaystyle \frac{}{}}$ η ${\displaystyle \mu$}={\$frac {2\varepsilon$ _${r$}{3$\eta}}.$

이 모델은 일반적인 경우보다 데비 길이가 훨씬 더 큰 일부 나노 입자 및 비극성 유체에 유용할 수 있습니다.

오버비크에 의해 개척된 작은 두힌 수의 제약을 제거하고 표면 전도도를 통합하는 몇 가지 분석 이론이 있습니다.^[14]그리고 부스.^[15]현대적이고 엄격한 이론은 제타의 잠재력과 종종 대부분 두킨-세메니킨 이론에서 비롯된 κ에 대해 유효합니다.

얇은 이중층 한계에서, 이 이론들은 오브라이언과 화이트가 제공한 문제에 대한 수치적 해를 확인합니다.^[17]

보다 복잡한 시나리오를 모델링하려면 이러한 단순화가 부정확하게 되며, 전기장의 크기와 방향을 추적하여 공간적으로 모델링해야 합니다.이 공간적으로 변화하는 전기장을 모델링하는 데 포아송 방정식을 사용할 수 있습니다.유체 흐름에 미치는 영향은 스토크스 방정식으로 모델링할 수 있으며,^[18] 다른 이온의 수송은 네른스트-플랑크 방정식으로 모델링할 수 있습니다.이 결합된 접근 방식을 포아송-네른스트-플랑크-스토크스 방정식이라고 합니다.^[19]이 접근법은 입자의 전기영동이 검증되었습니다.^[19]

참고 항목

참고문헌

추가열람

• Voet and Voet (1990). Biochemistry. John Wiley & Sons.
• Jahn, G.C.; D.W. Hall; S.G. Zam (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.; R.C. Matthews (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. doi:10.1099/00207713-43-4-659. PMID 8240949.
• Barz, D.P.J.; P. Ehrhard (2005). "Model and verification of electrokinetic flow and transport in a micro-electrophoresis device". Lab Chip. 5 (9): 949–958. doi:10.1039/b503696h. PMID 16100579.
• Shim, J.; P. Dutta; C.F. Ivory (2007). "Modeling and simulation of IEF in 2-D microgeometries". Electrophoresis. 28 (4): 527–586. doi:10.1002/elps.200600402. PMID 17253629. S2CID 23274096.

외부 링크

• 상대 이동성 목록