Подвижность ионов

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ МЕДИЦИНСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ г. СЕМЕЙ

Методическое пособие по теме:

Терапевтическая техника, основанная на применении постоянного тока

Электрофорез и гальванизация в медицинской практике.

Составители: Крылова Л.А.

Ковалева Л.В.

Подвижность ионов

Фазыгетерогенной системы придут в движение вследствие взаимодействия с электрическим полем, если к системе приложить постоянную разность потенциалов. Движение частиц дисперсной фазы в электрическом поле по направлению к противоположно заряженному электроду называется электрофорезом. Электрофорез был открыт Ф. Рейссом в 1807 г

Электрофорез это движение взвешенных частиц (пузырьков газа, коллоидных частиц и макромолекул) в жидкости под действием электрического поля. Метод, сочетающий воздействие на организм постоянного тока и введение лекарственных веществ, носит название лечебного электрофореза или ионогальванизации.

Профессор В. Виленский применил постоянный ток в сочетании с лекарственными веществами впервые в России в 1859 году, теоретические обоснования нашли подтверждение в исследованиях физика, невропатолога, психиатра А.Б. Щербака.

Электрофорез получил широкое применение в современной медицине в клинических исследованиях сыворотки крови, желудочного сока, мочи, спинно-мозговой жидкости. Электрофорез применяется в физиотерапии. Обычно применяются два основных метода - макроскопический и микроскопический электрофорез.

Макроскопический электрофорез используются для разделения веществ, находящихся в смеси, и их последующего выделения.

Микроскопический электрофорез используются для изучения подвижности ионов, клеток, частиц в электрическом поле, величины электрокинетического потенциала, а также электрохимических свойств поверхности исследуемых веществ.

Скорость передвижения частиц дисперсной фазы можно найти из уравнения Смолуховского: (1)

где υ - скорость передвижения частиц; ε- диэлектрическая проницаемость дисперсионной среды; Е – градиент потенциала электрического поля; ζ - электрокинетический потенциал; η -коэффициент вязкости дисперсионной среды.

Мы можем применить уравнение (1) для эритроцитов, лейкоцитов, микроорганизмов и других клеток. Электрофоретическая подвижность белковых молекул и коллоидных частиц зависит от их размера и формы. Коэффициент, зависящий от размера и формы частиц, вводится для расчетов в уравнение (1). Уравнение (1) применяется для вычисления величины электрокинетического потенциала. Для этого необходимо знать напряженность внешнего поля, диэлектрическую проницаемость и коэффициент вязкости среды, а также скорость движения дисперсной фазы. Один из методов электрофореза заключается в следующем. Исследуемую дисперсную систему помещают на дно V - образной трубки и наливают в боковые колена чистый буферный раствор. Между исследуемой жидкостью и буферным раствором должна быть отчетливая граница раздела. Электроды, соединенные с источником постоянного тока, погружаются в каждое колено V- образной трубки. Создаваемое электрическое поле вызывает перемещение дисперсной фазы исследуемого раствора, и граница между дисперсной системой и буферным раствором перемещается. Перемещение границы регистрируется с помощью длиннофокусной оптики. Если исследуемая смесь содержит несколько компонентов, то каждый компонент движется со скоростью, пропорциональной величине ξ потенциала. В результате смесь разделяется на ряд функций. При регистрации сигнала получается кривая, имеющая ряд пиков. Высота пиков служит количественным показателем данных функций. Затем выделяются и исследуются отдельные фракции белков кровяной плазмы. Данный метод распространился после разработки техники этого метода Тизелиусом.

На аппарате Тизелиуса можно получить результаты высокой точности, но это сложный и громоздкий прибор.

Рис. 1. Диаграмма электрофоретического анализа по Тизелиусу: I - нормальная сыворотка; II - плазма крови при миэломе; III – сыворотка при нефрозе.

Метод электрофореза на бумаге менее точный, но более простой. Этот метод, предложенный Виландом и Фишером, применяется в настоящее время. Он позволяет разделять белки, нуклеиновые кислоты, стерины и другие биологически важные вещества. Определенное количество исследуемого раствора наносится на специальную фильтровальную бумагу, смоченную буферным раствором. Концы этой полоски бумаги соединяются через ванночки, заполненные буферным раствором. Электроды соединяются с источником постоянного тока и опускаются в ванночки с буферным раствором. Компоненты исследуемой смеси перемещаются при включении тока. Подвижность отдельных компонентов зависит от величины ξ потенциала, в соответствии с уравнением (1). После окончания опыта, исследуемые вещества располагаются на различном расстоянии от линии старта. Ленту бумаги необходимо высушить и окрасить красителем, проявляющим исследуемые вещества. В дальнейшем разделенные компоненты подвергаются количественному анализу. Для разделения и исследования электрохимических свойств коллоидных растворов применяются макроскопические методы электрофореза. Микроскопические методы электрофореза используются для изучения электрохимических свойств суспензий различных клеток: эритроцитов, лейкоцитов, бактерий, половых клеток. Суспензии клеток в небольшом количестве помещаются в специальную камеру, заполненную буферным раствором. В эту камеру вводятся также электроды, соединенные с источником постоянного тока. Под действием электрического поля клетки начинают двигаться к противоположно заряженному электроду. Скорость перемещения клеток определяется с помощью микроскопа, снабженного окулярным микрометром.

Важные данные, характеризующие электрохимические свойства биологических поверхностей, получены с помощью методов электрофореза. Живая протоплазматическая поверхность всегда заряжена отрицательно, все биологические поверхности обладают отрицательным электрокинетическим потенциалом. Это установлено на основе многочисленных экспериментов. Не известно ни одного примера положительного потенциала поверхности живого объекта.

Величина ξ- потенциала может иметь различные значения для разных клеток. У человека она составляет примерно 16,3 мВ. Потенциал эритроцитов очень стабильная величина. Например, нет различий в величине ξ- потенциала эритроцитов у людей различных рас и пола. Различий не наблюдаются также между представителями разных групп крови. Электрофоретическая подвижность эритроцитов не изменяется при ряде заболеваний крови, в том числе при многих формах анемий. Электрохимические свойства поверхности эритроцитов отличаются большой стойкостью и постоянством.

Ученые пришли к выводу, что электрокинетический потенциал эритроцитов обусловлен диссоциацией кислотных групп молекул фосфолипидов (кефалина) на поверхности эритроцитов и не связан с процессами адсорбции белков и ионов. Величина электрокинетического потенциала эритроцитов меняется в том случае, если происходит изменение физико-химического состава самой поверхности клетки. Это наблюдается при некоторых заболеваниях, например гемобластозах, лимфосаркоме. Для других форменных элементов крови ξ- потенциал изучен значительно слабее, чем для эритроцитов. Лейкоциты движутся к аноду при электрофорезе, как и эритроциты, но их подвижность примерно в 2 раза ниже подвижности эритроцитов. Электрофоретическая подвижность лейкоцитов весьма близка к подвижности кварцевых частиц. Явление электрофореза наблюдается при миграции лейкоцитов в воспалительные очаги. Электрокинетические явления могут способствовать миграции лейкоцитов. В воспаленных участках происходят процессы разрушения структур и накопления свободных молекул, главным образом органических кислот, что приводит к сдвигу pH в кислую сторону. В результате этих физико-химических изменений пограничный участок между воспаленной и невоспаленной тканью приобретает избыточный положительный потенциал величиной до 100-150 мВ. А так как лейкоциты обладают отрицательным электрокинетическим потенциалом, то они движутся через стенку капилляра в ткань по направлению к положительно заряженному воспаленному участку.

Бактериальные клетки обладают отрицательным ζ потенциалом, который может меняться в очень широких пределах: от нуля до десятков милливольт. Благодаря этим исследованиям большинство бактерий удалось разделить на две группы.

К первой группе принадлежат бактерии, поверхность которых имеет белковую природу. Диссоциация ионогенных групп белковых молекул обусловливает заряд и ζ- потенциал таких клеток. ζ - потенциал этих клеток меняется при изменении pH среды, так как степень диссоциации ионогенных групп зависит от pH.

Ко второй группе относятся бактерии, поверхность которых состоит из полисахаридов. Заряд клеток в данном случае обусловлен адсорбцией ионов из дисперсионной среды полисахаридами поверхности. Электрофоретическая подвижность таких клеток практически не зависит от pH среды. Однако такое деление оказывается довольно условным, т.к. свойства поверхности бактериальных клеток могут изменяться при изменении внешних условий существования. Так, например, ζ потенциал золотистого стафилококка при обычных условиях культивирования остается постоянным при большом изменении pH среды. Если же бактерии культивируются в среде, богатой глюкозой, то наблюдается зависимость ξ- потенциала от величины pH. Эта зависимость появляется вследствие накопления на поверхности клеток групп белковой природы. Таким образом, знание подвижности ионов, применение метода электрофореза является хорошим средством изучения электрохимических свойств биологических поверхностей: способности к ионизации и способности к адсорбции молекул и ионов.

Проводимость электролитов осуществляется за счет ионов, возникающих при растворении и расщеплении молекул веществ. Молекулы распадаются на положительно заряженные ионы - катионы и отрицательно заряженные ионы - анионы. Явление расщепления растворимого вещества на ионы называется электролитической диссоциацией.

Если два электрода погрузить в электролит и подвести к ним напряжение, то под действием электрического поля ионы с отрицательными зарядами (анионы) будут двигаться к аноду, а ионы с положительными зарядами (катионы)- к катоду. Если разность потенциалов на электродах, расположенных на расстоянии L друг от друга, равна φ₁-φ₂ , тогда напряженность электрического поля электролита определяется по формуле E= (φ₁-φ₂)/L

Электрическое поле действует на заряженные частицы с постоянной силой, заставляя их перемещаться к электродам с некоторой постоянной скоростью. Чем больше напряженность, тем быстрее будут перемещаться ионы. Скорость перемещения ионов прямо пропорциональна напряженности электрического поля, υ=υ₀E, где υ₀, - коэффициент пропорциональности, называемый подвижностью ионов: υ₀ = υ/E

Напряженность электрического поля измеряется в В/м, скорость движения ионов - в м/с. Подвижность ионов определенного вида выражается их скоростью перемещения в растворителе под действием электрического поля и измеряется в

Подвижность различных ионов при одинаковых условиях перемещения зависит от размеров ионов и валентности. Подвижность является величиной характерной для определенного вида ионов. По величине подвижности ионов можно определить вид иона или разделить смесь ионов электролитическим путем.