Kapillarelektrophorese

Arbeitsgruppe Biochemische Analysesysteme

Die Fähigkeit der Trennung von einzelnen Substanzen eines Gemisches ist in der Chemie und der Biochemie von großer Bedeutung. Häufig kann der strukturelle und funktionale Charakter einer Substanz nur dann untersucht und verstanden werden, wenn sie in reiner Form vorliegt. Aus der Notwendigkeit neuer Trennmethoden für die ständig wachsende Zahl und Komplexität von Substanzen enstanden die Methoden der Zentrifugation, Chromatographie und Elektrophorese. Diese Separationsmethoden sind heute Stand der Technik und in jedem chemischen/biologischen Labor zu finden.

Abb. 1: Schematische Darstellung einer Kapillarelektrophorese

Sie machen sich die physikalischen Eigenschaften der zu untersuchenden Moleküle zunutze. Die Elektrophorese sticht durch ihr hohes Auflösungsvermögen hervor und ist vor allem für die Sequenzierung von DNS bekannt. Der Einsatz von Kapillaren als Elektrophoresekanal wurde erstmals zu Beginn der 80er Jahre erfolgreich durchgeführt. Seitdem hat sich ihre Verwendung zunehmend durchgesetzt. Die derzeit verwendeten Kapillaren haben einen Innendurchmesser zwischen 20 und 100 µm. Ihre Länge variiert je nach Analyseart zwischen 20 und 100 cm. Der große Vorteil der Kapillaren liegt in ihrem günstigen Verhältnis von Oberfläche zu Volumen. Aufgrund der durch die Geometrie bedingten guten Wärmeabfuhr, können Kapillarelektrophoresesysteme mit höheren elektrischen Feldstärken betrieben werden als es die herkömmlichen Dünnschichtanordnungen zulassen. Dies begünstigt eine kürzere Analysedauer und bessere Effizienz. Ebenfalls durch die Geometrie bedingt ist der geringe Verbrauch an Probenmaterial, der typischerweise bei einigen Nanolitern liegt. Abbildung 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau eines Elekrophoresesystems mit einer Kapillaren. Er besteht aus einer Hochspannungsquelle, der Kapillaren, einem geeigneten Detektor und zwei Reservoiren, die sowohl die Hochspannungselektroden als auch die Kapillarenden aufnehmen. Nach Anlegen der Spannung beginnt die Separation der Substanzen und der Flüssigkeitstransport in Richtung Kathode innerhalb der Kapillare. Dies wird durch die Überlagerung zweier Effekte erzielt, Elektrophorese und Elektroosmose. Abb. 2: Sequenz einer Probeninjektion (von links nach rechts) Die Injektion der Probe erfolgt in mikrotechnischen Systemen volumengsteuert durch eine doppel-T-förmige Kreuzung zweier Kanäle. In Abbildung 2 ist die Injektion einer geringen Probenmenge aus dem Injektionskanal (vertikal) in den eigentlichen Separationskanal (horizontal) sequentiell dargestellt. Die Detektion der Analyte erfolgt am Ende des Separationskanals und kann entweder elektrochemisch (Amperometrie) oder optisch (Laser Induzierte Fluoreszenz) integriert erfolgen (Abbildung 3). Abb. 3: Integrierte Detektion: optisch durch Laser Induzierte Fluoreszenz (links), elektrochemisch durch Amperometrie (rechts)