các hiện tượng động học

CHƯƠNG IV
CÁC HIỆN TƯỢNG ĐIỆN ĐỘNG HỌC


4.1.Phân loại các hiện tượng điện động học


4.2. Bản chất thế điện động

4.3.Các phương pháp điện di

4.4. Điện thế điện động học của các đối
tượng sinh vật.

4.5. Ứng dụng các hiện tượng điện động
học trong sinh hoc va y học
CHƯƠNG IV
CÁC HIỆN TƯỢNG ĐIỆN ĐỘNG HỌC


4.1.Phân loại các hiện tượng điện động học

4.1.1.Điện di
Nếu đặt một điện trường không đổi lên một hệ dị
thể, các pha của hệ sẽ chuyển động. Sự chuyển động
của các hạt của pha phân tán trong điện trường hướng
tới điện cực trái dấu gọi là điện di. Đất sét có điện tích
âm nên chuyển dịch về cực dương, do đó nước ở đây bị
đục, bên cực âm nước vẫn trong

4.1.2.Điện thẩm

Là sự chuyển động của môi trường phân tán tới
điện cực cùng dấu với điện tích bề mặt của pha phân
tán. Mực nước ở cực âm cao hơn cực dương và vẫn
trong do nước chuyển động đến cực âm. Quá trình điện
thẩm có thể xảy ra qua các tổ chức như da ếch, thành
các mao quản.
CÁC HIỆN TƯỢNG ĐIỆN ĐỘNG HỌC


4.1.3.Điện thế chảy

Điện thế chảy xuất hiện khi chất lỏng chuyển động
do tác dụng của áp suất thuỷ tĩnh qua các mao
quản hoặc các lỗ mà thành lỗ có màng điện tích.
hiện tượng này ngược với hiện tượng điện thẩm.
Ở đây sự chuyển động của môi trường phân tán
sẽ tạo nên một hiệu điện thế trong bản thân hệ.

Nếu tăng áp suất ở mức bình bên trái chất lỏng sẽ
chuyển động về bên phải bình, do đó giữa hai phía
của bình sẽ xuất hiện hiệu điện thế. Chất lỏng bên
phải màng ngăn có điện thế dương so với chất
lỏng ở phía bên trái.
CÁC HIỆN TƯỢNG ĐIỆN ĐỘNG HỌC


4.1.4.Điện thế lắng
Xuất hiện giữa lớp trên và lớp dưới của
hệ trong quá trình lắng các hạt của pha
phân tán dưới tác dụng của trọng lực.

Hiện tượng này ngược với điện di. Các
thành phần hữu hình của máu ( hồng
cầu, bạch cầu ) có trọng lượng riêng lớn
hơn huyết thanh nên sẽ lắng xuống đáy,
lúc này hình thành điện thế lắng. Các ion
dương sẽ tách ra khỏi sự chuyển động
của các thành phần hữu hình. Do vậy các
lớp dưới có diện tích âm còn lớp trên có
điện tích dương.
CÁC HIỆN TƯỢNG ĐIỆN ĐỘNG HỌC

4.2 Bản chất thế điện động

4.2.1.Nguồn gốc điện tích bề mặt
Sự xuất hiện điện tích trên bề mặt của các
hạt keo đặc biệt là trên bề mặt các đối
tượng sinh vật có thể do 2 cơ chế
-Cơ chế ion hoá các nhóm phân ly
-Cơ chế hấp phụ các ion của môi trường
phân tán trên bề mặt của pha phân tán.
CÁC HIỆN TƯỢNG ĐIỆN ĐỘNG HỌC
CÁC HIỆN TƯỢNG ĐIỆN ĐỘNG HỌC

a.Cơ chế ion hoá

Sự xuất hiện điện tích trên bề mặt các hạt do sự ion hoá
thường xảy ra ở các phân tử protein hoặc các phân tử
hữu cơ do sự có mặt của các nhóm cacboxyl, hydroxyl,
amin hoặc nhóm phân cực khác. Do quá trình ion hoá
các nhóm trong phân tử nên một số ion sẽ đi vào môi

trường phân tán, chúng được gọi là các ion nghịch. Các
ion còn lại sẽ cố định trên bề mặt pha phân tán, vì
chúng sẽ xác định dấu của điện tích bề mặt nên gọi là
các ion tạo thể.

Ví dụ : Đối với phân tử protein điện tích trên bề mặt phụ
thuộc vào nhóm COOH và NH2 trong phân tử, bởi vậy
phân tử protein là phân tử lưỡng tính.
CÁC HIỆN TƯỢNG ĐIỆN ĐỘNG HỌC

b.Cơ chế hấp phụ:
Trên bề mặt các pha phân tán có khả
năng hấp phụ các ion (ví dụ các hạt keo),
âm hoặc dương, nhưng khả năng hấp phụ
các ion âm cao hơn vì ion âm ít bị hydrat
hoá hơn ion dương. Do đó năng lượng để
tách các ion âm ra khỏi dung dịch để hấp
phụ rất nhỏ.
CÁC HIỆN TƯỢNG ĐIỆN ĐỘNG HỌC

4.2.2.Cấu trúc lớp điện kép
Khi có quá trình ion hoá xảy ra thì toàn bộ
các ion tạo thế nằm trên bề mặt hạt keo, các ion
ngược dấu phân thành hai loại .
-Loại thứ nhất nằm cách bề mặt hạt keo một
khoảng cách rất nhỏ ( cỡ kích thước phân tử )
và được giữ thật sát bề mặt hạt keo nhờ lực hấp
phụ đặc biệt, chúng tạo thành lớp hấp phụ.
-Loại thứ hai chuyển động tự do trong môi
trường phân tán tạo thành lớp khuếch tán.

C u trúc l p i n képấ ớ đệ
(Double electric layer)
z
ρ
e
The Electrochemical Double Layer
neutral
bulk
electrolyte
+
+
+
solid
Ion concentrations
0
continuum region
Electrostatic potential
CÁC HIỆN TƯỢNG ĐIỆN ĐỘNG HỌC

+Khi hạt chuyển động, nếu tất cả các ion
ngược dấu đều tách ra khỏi hạt keo thì
trên mặt ngăn cách giữa hạt keo và dung
môi sẽ xuất hiện bước nhảy thế toàn bộ E
và được gọi là thế nhiệt động. Song thực
tế phần ion ngược dấu trong lớp hấp phụ
bao giờ cũng chuyển động cùng với hạt.
Vì vậy bước nhảy thế sẽ xuất hiện giữa
lớp hấp phụ và lớp khuếch tán. Bước nhảy
thế này gọi là thế điện động hay ζ điện
thế ( Zeta điện thế ) do đó ζ < E.

CÁC HIỆN TƯỢNG ĐIỆN ĐỘNG HỌC

+Khi hạt chuyển động, nếu tất cả các ion
ngược dấu đều tách ra khỏi hạt keo thì
trên mặt ngăn cách giữa hạt keo và dung
môi sẽ xuất hiện bước nhảy thế toàn bộ E
và được gọi là thế nhiệt động. Song thực
tế phần ion ngược dấu trong lớp hấp phụ
bao giờ cũng chuyển động cùng với hạt.
Vì vậy bước nhảy thế sẽ xuất hiện giữa
lớp hấp phụ và lớp khuếch tán. Bước nhảy
thế này gọi là thế điện động hay điện thế
( Zeta điện thế ) do đó ζ < E.
CÁC HIỆN TƯỢNG ĐIỆN ĐỘNG HỌC

+ Các Yếu tố ảnh hưởng đến cấu trúc lớp điện kép đều
làm thay đổi ζ điện thế .

-Tăng nồng độ ion làm cho độ dày lớp khuếch tán sẽ
giảm như vậy ζ giảm.

-Pha loãng thì lớp điện kép sẽ giãn ra do đó ζ điện thế
tăng.

Tuy nhiên có trường hợp khi pha loãng làm giảm sự hấp
phụ của ion tạo thế dẫn đến E giảm và ζ điện thế giảm.

-Thay đổi nhiệt độ sẽ thay đổi lớp điện kép. Khi nhiệt độ
tăng làm chuyển động nhiệt của các ion làm cho lớp
khuếch tán giãn ra và ζ điện thế tăng.


-Bản chất của môi trường phân tán cũng ảnh hưởng đến
ζ điện thế. Lớp điện kép chỉ có thể tồn tại trong môi
trường phân cực, độ phân cực càng yếu thì ζ điện thế
càng nhỏ.


4.3. Các phương pháp điện di
4.3.1. Cơ sở của hiện tượng điện di

Một hạt mang điện tích q đặt trong điện trường đều có
cường độ E sẽ chịu tác dụng của một lực fε
fε = q.E (1)

Dưới tác dụng của điện trường hạt tích điện dương
chuyển động cùng chiều điện trường còn hạt tích điện âm
chuyển động ngược chiều điện trường. Sự chuyển động
của các hạt mang điện gọi là sự điện di hay điện chuyển.
Có hai loại hạt mang điện

-Các ion (+) hoặc (-) phân ly từ các phân tử chất điện ly
(axit, bazơ, muối tan trong nước )

-Các hạt keo, vi khuẩn, hồng cầu, tinh trùng, các phân tử
protein, ADN

CÁC HIỆN TƯỢNG ĐIỆN ĐỘNG HỌC

Khi đặt trong điện trường không đổi, hạt tích
điện chuyển động với vận tốc (v) :


v = x/t (2)

Trong đó x là quãng đường chuyển động

t là thời gian chuyển động

Ngoài ra còn có lực ma sát tác động lên hạt :

f
ms
= f.v (f là hệ số ma sát)

Khi hạt chuyển động đều thì lực điện trường
cân bằng với lực ma sát.

q.E = f.v

Do đó v = [q.E]/f (3)

Vậy vận tốc điện di phụ thuộc vào điện
tích q của hạt, vào hệ số ma sát (f) và
cường độ điện trường E ( hiệu thế).

Hệ số ma sát f lại phụ thuộc kích thước
hình dạng phân tử của hạt và độ nhớt
của môi trường. Nếu hạt ở dạng cầu ta
có công thức Stokes.

f = 6 πηr (4)


Trong đó r : bán kính của hạt

η : Độ nhớt của môi trường

+ Thay (4) vào (3) ta có :

v = [q.E]/6 πηr (5)

Đặt U =v/E = q/f và U gọi là độ linh
động điện di.

Độ linh động điện di U có giá trị bằng
vận tốc điện di khi E = 1.

+ Giữa điện tích q của hạt, bán kính r
của hạt, hằng số điện môi ε của dung
dịch và ζ điện thế có mối tương quan
như sau

ζ = q/ ε.r → ζε = q/r (6)

Thay (6) vào (5) ta có :
v= (ζεE)/ (6πη)

Hay
ζ= v. (6πη)/ (εE)

Và đây là công thức Smolukhovski


Như vậy nếu biết v, η, ε, E ta có thể
tính ζ đ iện thế của các hạt hình cầu
4.3.2. Điện di trong dung dịch tự do

Thiết bị chính là Cuvet hình chữ U, phần dưới
của Cuvet chứa dung dịch nghiên cứu, phần
trên chứa dung dịch đệm. Dung dịch đệm lựa
chọn sao cho giữa dung dịch đệm và dung
dịch nghiên cứu hình thành ranh giới không
trộn lẫn. Cuvet có cấu tạo đặc biệt cho phép
nạp các dung dịch dễ dàng mà không bị xáo
trộn. Hai đầu ống chữ U được nối với điện
cực, các điện cực

Thiết bi được nối với dòng điện một chiều ổn
định.
CÁC HIỆN TƯỢNG ĐIỆN ĐỘNG HỌC

+Dưới tác dụng của điện trường các hạt sẽ chuyển động
đến các điện cực ngược dấu với chúng. Do đó ranh giới
giữa dung dịch nghiên cứu và dung dịch đệm sẽ chuyển
động, vì vận tốc điện di phụ thuộc điện tích của hạt khác
nhau sẽ khác nhau. Mỗi loại hạt sẽ tương ứng với một
giới hạn riêng.

+Dòng điện sẽ làm nóng dung dịch không đều nên dẫn
đến xuất hiện dòng đối lưu chất lỏng từ đó ảnh hưởng
đến sự phân bố nồng độ. Người ta thường tiến hành điện
di ở nhiệt độ thấp (0
0

- 4
0
C).

+ Để quan sát sự dịch chuyển ranh giới ứng với mỗi loại
hạt nào đó trong dung dịch nghiên cứu cần chụp ảnh
Cuvet ở hai thời điểm t1 và t2, từ quãng đường dịch
chuyển ∆x ta tính được vận tốc điện di (v), từ v và các
tham số khác sẽ tính được độ linh động điện di.
CÁC HIỆN TƯỢNG ĐIỆN ĐỘNG HỌC

4.3.3.Điện di trên các chất giá

Trường hợp này các hạt nghiên cứu được đặt
trên các chất giá. Ưu điểm của phương pháp này
là loại bỏ được dòng đối lưu trong phương pháp
điện di trong dung dịch tự do.

Điện di trên giá có thể phân tích hỗn hợp protein
thành các vùng tương ứng với các cấu tử riêng
biệt chất giá có thể là giấy, tinh bột, thạch, gel
polyacrilamit

Ví dụ : Điện di trên giấy
Điện di ADN
Điện di đứng
Máy điện di nằm ngang