Elektroosmotischer Fluss in der Kapillare
Wie die geladene Kieselglaswand einen Fluss der gesamten Pufferlösung erzeugt, wovon seine Stärke abhängt und wie man ihn durch Wandmodifikation bremst oder umkehrt.
Das Wichtigste in Kürze
- Der elektroosmotische Fluss (EOF) ist die Strömung der gesamten Pufferlösung durch die Kapillare im elektrischen Feld und typisch für die Kapillarelektrophorese.
- Ursache ist die Deprotonierung der Silanolgruppen unbeschichteter Kieselglaskapillaren. Bei pH > 4 ist die Wand negativ, die Kationen der diffusen Schicht ziehen die Lösung zur Kathode.
- Der EOF hat ein flaches Pfropfenprofil, eine Druckströmung dagegen ein parabolisches Profil.
- Steigende Viskosität und Pufferkonzentration senken den EOF, steigende Temperatur und Spannung erhöhen ihn. Ein langsamerer EOF verlängert die Analysenzeit.
- Adsorbierte Kationen, kationische Polymere oder CTAB laden die Wand positiv und kehren den EOF zur Anode um. Polyacrylamid-Beschichtung unterdrückt den EOF, adsorbierte Proteine verändern das Zetapotential.
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Worum es geht
In der Kapillarelektrophorese wandern nicht nur die Ionen. Auch die gesamte Pufferlösung strömt durch die Kapillare, angetrieben von der geladenen Wand. Dieser elektroosmotische Fluss bestimmt Analysenzeit und Migrationsreihenfolge, etwa bei der Gehaltsbestimmung von Arzneistoffen per CE.
Kapillarelektrophorese im Überblick
Die Kapillarelektrophorese (CE) trennt geladene Teilchen in einer dünnen, pufferbefüllten Kapillare unter Hochspannung. Die Kapillare besteht meist aus Kieselglas (Quarzglas, fused silica). Sie hat einen Innendurchmesser von etwa 25 bis 100 µm und ist einige zehn Zentimeter lang.
Beide Enden tauchen in Puffergefäße mit je einer Platinelektrode. Eine Hochspannungsquelle legt typischerweise 10 bis 30 kV an. Kurz vor dem Auslassende misst ein Detektor, meist ein UV-Detektor, die vorbeiziehenden Zonen.
Jedes Ion wandert mit seiner eigenen elektrophoretischen Mobilität. Zusätzlich bewegt sich die gesamte Pufferlösung: der elektroosmotische Fluss. Polung, Injektion und Detektion im Detail behandelt die Einheit Messmethodik der Kapillarelektrophorese.
Entstehung des EOF
Der elektroosmotische Fluss (EOF) ist die Strömung der gesamten Pufferlösung durch die Kapillare im elektrischen Feld. Er ist ein charakteristisches Phänomen der Kapillarelektrophorese. Seine Ursache liegt in der Wand. Unbeschichtetes Kieselglas trägt an der Oberfläche Silanolgruppen, schwach saure Hydroxygruppen am Silicium.
\[\ce{Si-OH + H2O <=> Si-O^- + H3O+}\]
Oberhalb von etwa pH 4 dissoziieren sie merklich. Die Wand wird negativ geladen. Mit steigendem pH nimmt diese Ladung weiter zu.
Doppelschicht und Zetapotential
Die negative Wand zieht Kationen aus dem Puffer an. Ein Teil haftet fest als starre Schicht. Davor liegt eine bewegliche, diffuse Schicht mit Kationenüberschuss. An der Grenze zwischen beiden, der Scherebene, herrscht das Zetapotential (\(\zeta\)). Es gibt an, wie stark die Wandladung nach außen in die Lösung wirkt.
Liegt Spannung an, wandern die solvatisierten Kationen der diffusen Schicht zur Kathode. Sie schleppen ihre Hydrathülle und durch Reibung die ganze Lösung mit. Bei negativ geladener Oberfläche (pH > 4) ist der EOF daher kathodengerichtet, etwa bei pH 7 in einer unbeschichteten Quarzkapillare. Das wird im Examen gerne gefragt: Ursache ist die Deprotonierung der Silanolgruppen an der Wand, nicht die Wanderung der Analyten.
Strömungsprofil
Die treibende Kraft greift direkt an der Wand an, über den ganzen Umfang. Deshalb strömt die Lösung über den Querschnitt nahezu gleich schnell. Das Strömungsprofil ist flach wie ein Pfropfen, der durch ein Rohr geschoben wird. Bei einer Druckströmung wie in der HPLC bremst dagegen die Wand die Randbereiche, und das Profil wird parabolisch. Das Pfropfenprofil verbreitert die Zonen kaum und liefert scharfe Peaks.
Einflussgrößen
Wie schnell der EOF ist, beschreibt die Helmholtz-Smoluchowski-Gleichung. Aus ihr lassen sich alle Einflussgrößen direkt ablesen.
\[v_{EOF} = \mu_{EOF} \cdot E = \frac{\varepsilon \cdot \zeta}{\eta} \cdot \frac{U}{L}\]
\(\varepsilon\) ist die Permittivität des Puffers in C/(V·m), \(\zeta\) das Zetapotential in V und \(\eta\) die Viskosität in Pa·s. \(U\) ist die angelegte Spannung in V, \(L\) die Kapillarlänge in m, ihr Quotient die Feldstärke \(E\).
| Größe steigt | Wirkung auf den EOF | Grund |
|---|---|---|
| Viskosität | sinkt | \(\eta\) steht im Nenner |
| Pufferkonzentration | sinkt | Doppelschicht wird dünner, \(\zeta\) sinkt |
| Temperatur | steigt | Viskosität nimmt ab |
| Spannung | steigt | Feldstärke \(E\) nimmt zu |
| Anteil organischer Lösungsmittel | verändert sich | \(\eta\), \(\varepsilon\) und \(\zeta\) ändern sich |
Niedrig konzentrierte Puffer unterdrücken den EOF also nicht, sie lassen ihn sogar schneller laufen. Ein warmer Puffer fließt leichter. Darum steigt der EOF mit der Temperatur, etwa durch Joule-Wärme. Methanol oder Acetonitril im Puffer verschieben den EOF ebenfalls, weil sie Viskosität, Permittivität und Wandladung zugleich ändern.
Der EOF trägt in der Regel alle Zonen zum Detektor. Ein langsamerer EOF verlängert deshalb die Analysenzeit. Wie sich EOF und Eigenbewegung der Ionen addieren, zeigt die Einheit Migration mit EOF.
Modifikation der Kapillarwand
Oft will man den EOF gezielt bremsen oder umdrehen. Dazu verändert man die Wand und damit ihr Zetapotential.
Das solltest du sicher können: Adsorbierte Kationen, kationische Polymere oder kationische Tenside wie CTAB machen die Wand positiv, der EOF fließt dann zur Anode. Eine Polyacrylamid-Beschichtung senkt den EOF dagegen, statt ihn zu erhöhen.
Beschichtete Kapillaren
Eine kovalente Beschichtung, etwa mit Polyacrylamid, deckt die Silanolgruppen ab. Das neutrale, hydrophile Polymer drückt das Zetapotential fast auf null. Der EOF wird so stark verringert und praktisch unterdrückt. Solche Kapillaren nutzt man zum Beispiel für Proteintrennungen und die isoelektrische Fokussierung.
Umkehr durch kationische Zusätze
Kationen, die fest an die Wand adsorbieren, neutralisieren deren negative Ladung. In ausreichender Menge laden sie die Wand sogar um. Ein Beispiel ist das kationische Tensid CTAB (Cetyltrimethylammoniumbromid). Die innere Lage bindet mit ihren Ammoniumköpfen an \(\ce{Si-O^-}\). Eine zweite Lage lagert sich Schwanz an Schwanz an und richtet ihre positiven Köpfe zur Lösung. Kationische Polymere wie Polybren wirken ähnlich.
Jetzt sammeln sich Anionen in der diffusen Schicht. Sie wandern zur Anode und ziehen die Lösung mit: Der EOF ist anodengerichtet. Kationische Detergentien als Mizellbildner verstärken den Fluss zur Kathode also nicht, sie schwächen oder kehren ihn um. Bei umgekehrter Polung erreichen Anionen so rasch den Detektor.
Der EOF läuft immer dorthin, wohin die Gegenionen der Wand wandern. Kationen vor negativer Wand ziehen zur Kathode, Anionen vor positiver Wand zur Anode.
Proteinadsorption
Proteine, besonders basische, haften leicht an der negativen Kieselglaswand. Sie verändern deren Ladung und damit Zetapotential und EOF. Die Folge sind schwankende Migrationszeiten und verbreiterte Peaks. Beschichtete Kapillaren verringern dieses Problem.
Quiz
Aussage 1
Eine an der Kapillarwand adsorbierte CTAB-Doppellage kehrt den EOF zur Anode um.
Die nach außen gerichteten Ammoniumköpfe machen die Wand positiv. Anionen bilden die diffuse Schicht und ziehen die Lösung zur Anode.
Aussage 2
Der EOF in einer unbeschichteten Kieselglaskapillare entsteht durch Deprotonierung der Silanolgruppen an der Kapillarwand.
Die dissoziierten \(\ce{Si-O^-}\)-Gruppen laden die Wand negativ. Die Kationen davor ziehen im Feld die Lösung mit.
Aussage 3
Eine Polyacrylamid-Beschichtung der Kieselglaskapillare verstärkt den EOF deutlich.
Die Beschichtung deckt die Silanolgruppen ab und senkt das Zetapotential. Der EOF wird praktisch unterdrückt.
Aussage 4
Der EOF zeigt wie eine druckgetriebene Strömung ein parabolisches Strömungsprofil.
Da die treibende Kraft an der Wand angreift, ist das Profil flach und pfropfenförmig. Parabolisch ist nur die Druckströmung.
Aussage 5
In einer unbeschichteten Quarzkapillare fließt der EOF bei pH 7 zur Anode.
Bei pH 7 ist die Wand negativ geladen. Die Kationen der diffusen Schicht wandern zur Kathode, der EOF ist kathodengerichtet.
Aussage 6
Wird die Temperatur des Puffers erhöht, nimmt der EOF zu, weil die Viskosität sinkt.
Die Viskosität steht in der Helmholtz-Smoluchowski-Gleichung im Nenner. Sinkt sie, steigt der EOF.
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