11.27 : Kapillarelektrophorese: Anwendungen

Die kapillarelektrophoretischen Trennungen bieten verschiedene Modi mit jeweils einzigartigen Anwendungen. Diese Modi umfassen die Kapillarzonenelektrophorese, die Kapillargelelektrophorese, die Kapillar-Arrayelektrophorese, die Kapillarisoelektrische Fokussierung, die Kapillar-Isotachophorese, die mizellare elektrokinetische Chromatographie und die Kapillarelektrochromatographie.

Die Kapillarzonenelektrophorese (CZE) trennt ionische Komponenten auf der Grundlage ihrer elektrophoretischen Mobilität. Sie wird verwendet, um Proteine, Aminosäuren und Kohlenhydrate in kürzester Zeit zu trennen, was sie zu einer wichtigen Technik im schnell wachsenden Bereich der Proteomik macht. Sie wird beispielsweise zur Proteinanalyse in Urinproben verwendet, um chronische Nieren- und koronare Herzarterienerkrankungen zu diagnostizieren.

Die Kapillargelelektrophorese (CGE) wird in einer porösen Gelpolymermatrix durchgeführt. Sie bietet eine molekulare Siebwirkung, um Makromoleküle wie Proteine, DNA-Fragmente und Oligonukleotide zu trennen, die ähnliche Ladungen, aber unterschiedliche Größen haben. Die CGE spielt eine bedeutende Rolle bei der DNA-Sequenzierung, insbesondere im Rahmen des Humangenomprojekts.

Bei der Kapillar-Arrayelektrophorese (CAE) werden mehrere Kapillaren parallel zur DNA-Sequenzierung betrieben. Die DNA wird fragmentiert und mit fluoreszierenden Farbstoffen markiert, wobei die Sequenz durch die Farbstofffarbsequenz der eluierenden Fragmente bestimmt wird.

Der Modus der Kapillarisoelektrischen Fokussierung (CIF) trennt amphiprotische Spezies wie Aminosäuren und Proteine, die schwache Carboxyl- und Aminogruppen enthalten. Amphiprotische Verbindungen können Protonen abgeben oder aufnehmen; bei Aminosäuren führt dieses amphiprotische Verhalten zu einem Zwitterion mit sowohl positiven als auch negativen Ladungen. Bei einem pH-Wert, der dem isoelektrischen Punkt (pI) entspricht, migriert das Zwitterion nicht im elektrischen Feld, was den pI zu einem Schlüsselmerkmal bei der Trennung solcher Moleküle macht. Die Trennungen basieren auf Unterschieden in den Gleichgewichtseigenschaften der Analyten und nicht auf ihren Migrationsraten.

Der Trennmodus Kapillar-Isotachophorese (CITP) konzentriert sich auf die Migration aller Analytbänder mit gleicher Geschwindigkeit und trennt entweder Kationen oder Anionen, aber nicht beide. Die Analytionen wandern mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten und bilden benachbarte Bänder, die sich letztendlich mit der gleichen Geschwindigkeit bewegen.

Die Methode der mizellaren elektrokinetischen Chromatographie (MEKC) überwindet die Einschränkung der CZE, neutrale Spezies nicht trennen zu können, indem der Pufferlösung ein Tensid wie Natriumdodecylsulfat (SDS) zugesetzt wird. Der Trennmechanismus ähnelt der Flüssigkeitschromatographie (LC) und hängt von den Unterschieden in den Verteilungskonstanten zwischen der mobilen wässrigen Phase und der pseudostationären Kohlenwasserstoffphase ab. Die MEKC wird verwendet, um eine Vielzahl von Proben zu trennen, darunter Mischungen aus pharmazeutischen Verbindungen, Vitaminen und Sprengstoffen.

Eine alternative Methode zur Trennung neutraler Verbindungen ist die Kapillarelektrochromatographie (CEC). Bei der CEC werden Kapillarröhrchen verwendet, die mit Silica-Partikeln von 1,5 bis 3 mm Größe gefüllt und mit einer unpolaren stationären Phase beschichtet sind. Die Trennung neutraler Spezies erfolgt durch deren Verteilung zwischen der stationären Phase und der Pufferlösung, die aufgrund des elektroosmotischen Flusses als mobile Phase dient. Der Trennungsprozess ähnelt der Hochleistungsflüssigkeitschromatographie (HPLC), erfordert jedoch keine Hochdruckpumpen. Darüber hinaus bietet die CEC im Vergleich zur HPLC eine höhere Effizienz und kürzere Analysezeiten.

Diese verschiedenen Arten bzw. Modi der Kapillarelektrophorese bieten ein vielseitiges Anwendungsspektrum, von der Trennung geladener Spezies in der CZE bis zur Trennung neutraler Spezies in der MEKC und CEC sowie größenbasierter Trennungen in der CGE.