11.26 : Kapillarelektrophorese: Instrumentierung

Die Instrumentierung der Kapillarelektrophorese besteht normalerweise aus mehreren Schlüsselkomponenten. Eine Hochspannungsstromversorgung erzeugt das für die Trennung erforderliche elektrische Feld, indem sie eine Anode (die positiv geladene Elektrode) und eine Kathode (die negativ geladene Elektrode) verbindet, die sich in Pufferreservoirs an jedem Ende des Kapillarröhrchens befinden. Das System umfasst ein Probengefäß, ein mit Polyimid beschichtetes Quarzglaskapillarröhrchen zur mechanischen Festigkeit, durch das die Probenkomponenten während der Trennung wandern, und einen Detektor zur Analyse der getrennten Komponenten.

Um den Prozess zu starten, muss die Probe in das Kapillarröhrchen eingeführt werden. Hierfür wird ein Ende der Kapillare zusammen mit der zugehörigen Elektrode vom Pufferreservoir getrennt und in das Probengefäß getaucht. Die Probeneinführung kann durch die hydrodynamische Injektion erfolgen, bei der Druck auf das Probenfläschchen ausgeübt wird, oder durch die elektrokinetische Injektion, bei der ein elektrisches Feld die Probe in die Kapillare treibt.

Wenn Strom durch die Kapillare fließt, die eine leitfähige Pufferlösung enthält, führt dies aufgrund der engen Bohrung der Kapillarsäule und der relativen Dicke der Kapillarwände zur Jouleschen Wärme. Die Joulesche Wärme bezieht sich auf die Wärme, die erzeugt wird, wenn elektrischer Strom durch ein leitfähiges Medium fließt – in diesem Fall die Pufferlösung im Inneren der Kapillare. Sie steht in direktem Zusammenhang mit der Energieableitung in Form von Wärme, wie sie durch die Gleichung Q = I²Rt definiert ist, wobei Q die Wärmeenergie (in Joule), I der Strom, R der Widerstand und t die Zeit ist. Bei der Kapillarelektrophorese kann diese Erwärmung die Viskosität der Pufferlösung verändern, wodurch gelöste Stoffe in der Mitte der Kapillare schneller wandern als solche in der Nähe der Wände, was zu einer Bandverbreiterung und einer verschlechterten Trennung führt. Kapillaren mit kleinerem Innendurchmesser erzeugen weniger Joulesche Wärme, während solche mit größerem Außendurchmesser Wärme effektiver ableiten.

Zur Verbesserung der Nachweisempfindlichkeit bei niedrigen Probenkonzentrationen kann eine Stapeltechnik eingesetzt werden. Bei dieser Methode wird die Probe in eine Lösung mit geringerer Ionenstärke als die Pufferlösung injiziert, wodurch sich die Probenbestandteile an der Grenzfläche zwischen den beiden Lösungen konzentrieren.

Nachdem die Probe injiziert wurde, wird eine Hochspannung an das Puffersystem angelegt, wodurch geladene Spezies durch elektroosmotischen Fluss zur Kathode wandern. Die Trennung der Komponenten erfolgt auf Grundlage ihrer elektrophoretischen Mobilität innerhalb des elektrischen Felds.

Bei der Kapillarelektrophorese werden häufig verschiedene Detektoren wie Absorptions-, Fluoreszenz-, Leitfähigkeits- und massenspektrometrische Detektoren eingesetzt, um die getrennten Komponenten zu erkennen und zu analysieren.