Versuch 6 Elektrophorese

Ähnliche Dokumente
= n + + Thermodynamik von Elektrolytlösungen. Wdhlg: Chemisches Potential einer Teilchenart: Für Elektrolytlösungen gilt: wobei : und

1.1.2 Aufladen und Entladen eines Kondensators; elektrische Ladung; Definition der Kapazität

Physik-Department. Ferienkurs zur Experimentalphysik 2 - Aufgaben

Elektromagnetische Felder und Wellen

UNIVERSITÄT BIELEFELD

Skalarfelder. 1-1 Ma 2 Lubov Vassilevskaya

Elektromagnetische Felder und Wellen: Klausur

Experimentalphysik 2

18. Vorlesung III. Elektrizität und Magnetismus

Experimentalphysik 2

Physikalische Chemie Praktikum. Elektrolyte: Dissoziationskonstante von Essigsäure λ von NaCl ist zu ermitteln

Aufgabe 1 ( 5 Punkte) Aufgabe 2 ( 6 Punkte) Aufgabe 3 ( 12 Punkte) Lösung. Lösung. Elektromagnetische Felder und Wellen: Lösung zur Klausur

r = F = q E Einheit: N/C oder V/m q

Das elektrische Potential

10. Elektrodynamik Das elektrische Potential. ti 10.5 Magnetische Kraft und Felder 1051M Magnetische Kraft

Elektrizitätslehre 2.

Potential und Spannung

Aufgabe 1 ( 3 Punkte)

Klausur zur Vorlesung Physikalische Chemie V Elektrochemie 6. bzw. 8. Fachsemester am , 10:00 bis 12:00 Uhr

Physik für Naturwissenschaften (HS 2016) Lösungen

2. Elektrisches Feld 2.2 Elektrostatisches Feld

Wiederholung: Elektrisches Feld und Feldlinien I Feld zwischen zwei Punktladungen (pos. und neg.)

Das elektrische Feld

2 Das elektrostatische Feld

2. Klausur in K1 am

Elektrisches Potenzial Kapitel 25

Ferienkurs - Experimentalphysik 2 - Übungsblatt - Lösungen

TE Thermische Emission

Inhalt. Kapitel 3: Elektrisches Feld


An welche Stichwörter von der letzten Vorlesung können Sie sich noch erinnern?

Physik. Abiturwiederholung. Das Elektrische Feld

Felder und Wellen WS 2016/2017

4. Beispiele für Kräfte

Physik-Department. Ferienkurs zur Experimentalphysik 2 - Musterlösung

2. Aufgabe (*) 2. r R 0 : (3R 2 0 r 2 ) φ(r) = Insgesamt ergibt sich: r > R 0 : Gegeben ist folgendes Vektorfeld in Zylinderkoordinaten: H R = 0

Anwendungsbericht Kolloidanalyse

Induktion und Polarisation

Grundpraktikum Physikalische Chemie

Einführung in die Physik II für Studierende der Naturwissenschaften und Zahnheilkunde. Sommersemester 2007

Elektrische Felder und Potentiale im Plattenkondensator (Artikelnr.: P )

5.5 Elektrisches Zentralfeld, Coulombsches Gesetz

Elektromagnetische Felder und Wellen. Klausur Frühjahr Aufgabe 1 (3 Punkte) Aufgabe 2 (5 Punkte) k 21. k 11 H 11

Aufgabe 1 Kondensatorformel

METTLER TOLEDO Prozessanalytik. Online-Prozessund Reinwassersysteme. Leitfaden für Online-Leitfähigkeitsmessungen Theorie und Praxis

Besprechung am

Elektrolytlösungen, Leitfähigkeit, Ionentransport. Teil I

An welche Stichwörter von der letzten Vorlesung können Sie sich noch erinnern?

4. Beispiele für Kräfte

Rechenübungen zum Physik Grundkurs 2 im SS 2010

Antworten zu Wiederholungsfragen Stand:

Name:...Vorname:... Seite 1 von 8. FH München, FB 03 Grundlagen der Elektrotechnik WS03/04. Studiengruppe:... Matrikelnr.:... Hörsaal:... Platz:...

Polarisierung und Magnetisierung

6.4.8 Induktion von Helmholtzspulen ******

Übungen zu Wellen und Elektrodynamik für Chemie- und Bioingenieure und Verfahrenstechniker WS 11/12

Elektromagnetische Felder und Wellen: Klausur

11. Elektrodynamik Das Gaußsche Gesetz 11.2 Kraft auf Ladungen Punktladung im elektrischen Feld Dipol im elektrischen Feld

Probeklausur. Bitte schreiben Sie Ihren Namen auf jede Seite und legen Sie Ihren Lichtbildausweis bereit.

= Dimension: = (Farad)

4. Beispiele für Kräfte

Technische Universität Kaiserslautern Lehrstuhl Entwurf Mikroelektronischer Systeme Prof. Dr.-Ing. N. Wehn. Probeklausur

Elektrolytische Leitfähigkeit

Elektrophorese. Herbstsemester ETH Zurich Dr. Thomas Schmid Dr. Martin Badertscher,

Kursstufe Physik / Aufgaben / 04 Teilchenbahnen im E Feld Kopetschke 2011 Teilchenbahnen im elektrischen Querfeld

Physikalische Chemie

6.2.6 Ohmsches Gesetz ******

Grundpraktikum Physikalische Chemie

2. Elektrostatik und Ströme

Spannungsquellen. Grundpraktikum I. Mittendorfer Stephan Matr. Nr Übungsdatum: Abgabetermin:

2 Elektrostatik. 2.1 Coulomb-Kraft und elektrische Ladung. 2.1 Coulomb-Kraft und elektrische Ladung

ELEKTRISCHE SPANNUNGSQUELLEN

Physik 4 Praktikum Auswertung Hall-Effekt

Elektrizität und Magnetismus - Einführung

Maßeinheiten der Elektrizität und des Magnetismus

Physik GK ph1, 2. Kursarbeit Elektromagnetismus Lösung =10V ein Strom von =2mA. Berechne R 0.

3. Diffusion und Brechungsindex

Einführung in die Physik II für Studierende der Naturwissenschaften und Zahnheilkunde. Sommersemester 2007

4 Flaschen mit Stammlösung (0,001 M HCl, 0,001 M NaCl, 0,1 M Essigsäure, 0,001 M Natriumacetat), demineralisiertes Wasser.

Einige Grundbegriffe der Elektrostatik. Elementarladung: e = C

2 Grundgrößen und -gesetze der Elektrodynamik

1 Elektrostatik TUM EM-Tutorübung SS 10. Formelsammlung EM SS Fabian Steiner, Paskal Kiefer

Rutherford Streuung F 1. r 12 F 2 q 2 = Z 2 e. q 1 = Z 1 e

E5: Faraday-Konstante

Experimentalphysik 2

11. Elektrodynamik Das Gaußsche Gesetz 11.2 Kraft auf Ladungen Punktladung im elektrischen Feld Dipol im elektrischen Feld

Elektrizitätslehre und Magnetismus

Elektromagnetische Felder und Wellen: Lösung zur Klausur

Physikalische Chemie II (PCII) Thermodynamik/Elektrochemie Vorlesung und Übung (LSF# & LSF#101277) - SWS: SoSe 2013

Elektromagnetische Feldtheorie 1

Basiskenntnistest - Physik

Elektrizitätslehre und Magnetismus

Elektrizitätslehre und Magnetismus

Elementarladung e = C. Kraft zwischen zwei elektrischen Ladungen:

Klausur 12/1 Physik LK Elsenbruch Di (4h) Thema: elektrische und magnetische Felder Hilfsmittel: Taschenrechner, Formelsammlung

Das resultierende elektrische Feld mehrerer Punktladungen? Superpositionsprinzip

Elektrophorese. Martin Lenders Freie Universität Berlin

4. Beispiele für Kräfte

2. VEKTORANALYSIS 2.1 Kurven Definition: Ein Weg ist eine stetige Abbildung aus einem Intervall I = [a; b] R in den R n : f : I R n

Elektrizität. Eledrisch is pradisch: wann'st 'as oreibst brennt's!

Wichtig!!!! Nur klare, übersichtliche Lösungen werden gewertet!!!!

Transkript:

Versuch 6 Elektrophorese Till Biskup Matrikelnummer: 55567 2. Mai 2000 Einführung Ziel des Versuches ist es, die Zusammenhänge zwischen der elektristatischen Struktur auf Zelloberflächen und ihrem elektrokinetischen Verhalten aufzuzeigen. Am Beispiel der Messung der Ionenstärke Abhängigkeit der elektrophoretischen Beweglichkeit von Zellen wird die Existenz von elektrischen Überschußladungen auf Zelloberflächen nachgewiesen. Aufgaben. Berechnen Sie die mittleren elektrophoretischen Beweglichkeiten in den Versuchslösungen! 2. Berechnen Sie unter Berücksichtigung der verschiedenen Viskosität der Lösungen die Zetapotentiale und stellen Sie letztere graphisch als Funktion des DEBYE HÜCKEL Parameters dar. ηb ζ εε 0 ε 80 4 für H 2 O bei 20 C () ε 0 8 8542 0 2 F m Die isotonen Meßlösungen enthalten neben den angegebenen Salzkonzentrationen noch 5 8 mm Phosphatpuffer (Na 2 HPO 4 /NaH 2 PO 4 ). Berechnen Sie die Ionenstärke der Lösungen unter der Annahme, daß der Puffer nur als eineinwertiges Salz dissoziiert. 3. Berechnen Sie die Oberflächenladungsdichte, σ, über den vereinfachenden linearen Ansatz: σ bκη (2) In Gleichung (2) stehen b, κ und η für die Beweglichkeit, den DEBYE HÜCKEL Parameter und die Viskosität. 4. Berechnen Sie weiterhin den mittleren Abstand der Ladungen auf der Zelloberfläche. Gehen Sie dabei von der Gesamtanzahl der Ladungen auf der Erythrozytenoberfläche aus und schließen zunächst auf die einer Ladung zugeordnete Fläche! 5. Schätzen Sie ab, wie viele Elementarladungen pro Protein erfaßt werden, wenn man annimmt, daß ca. 5 Millionen Proteine auf der Erythrozytenoberfläche vorhanden sind. Die Oberfläche beträgt 37 µm 2. 6. Stellen Sie das Strömungsprofil der Lösung über den Kammerquerschnitt graphisch dar.

. Elektrophoretische Beweglichkeiten Die Berechnung der elektrophoretischen Beweglichkeiten erfolgte gemäß folgender Gleichung: b v E s t hin 2 E s t rück b elektrophoret. Beweglichkeit in m 2 s V v Geschwindigkeit in m s E elektrische Feldstärke in V m s t zurückgelegte Wegstrecke in 0 6 m Zeit in s (3) Da die Zeit jeweils für beide Wegstrecken gemeinsam gemessen wurde, ergibt sich aus Gleichung (3) folgende Vereinfachung: b v E 2 s 2 E t ges t ges t hin t rück (4) Durch Einsetzen der Werte in die Gleichung für s 40 µm, E 2 0 3 V, t siehe Tabelle ergaben sich die in der Tabelle dargestellten Werte für die mittlere elektrophoretische Beweglichkeit b. Messung t hin t rück c/mm Messung 2 3 4 5 6 7 8 9 0 0 3.2 3.68 3.72 3.55 3.70 3.76 3.32 3.22 3.70 3.50 30 4.44 4.4 4.27 4.26 4.20 4.04 4. 4.24 4.8 3.96 70 5.6 4.92 4.82 5.6 4.83 5.28 4.7 5.87 5.5 5.04 00 5.28 5.05 4.98 5.02 5.40 5.72 5.35 5.56 5.35 5.8 50 5.39 5.83 5.98 5.80 6.02 5.8 5.80 6.52 6.06 5.96 c/mm Mittlere elektrophoretische Beweglichkeiten b Messung (0 9 ) 2 3 4 5 6 7 8 9 0 b 0 6.4 5.43 5.38 5.63 5.4 5.32 6.02 6.2 5.4 5.7 5 7 0 30 4.50 4.83 4.68 4.69 4.76 4.95 4.87 4.72 4.78 5.05 4 78 0 05 70 3.88 4.07 4.5 3.88 4.4 3.79 4.25 3.4 3.88 3.97 3 94 0 08 00 3.79 3.96 4.02 3.98 3.70 3.50 3.74 3.60 3.74 3.86 3 79 0 05 50 3.7 3.43 3.34 3.45 3.32 3.44 3.45 3.07 3.30 3.36 3 39 0 05.2 Zetapotentiale Zetapotential ζ ηb εε 0 ζ Zetapotential in V η Viskosität in Pa s ε Dielektrizitätskonstante ε 0 Influenzkonstante: 8 8548787 0 2 C V m (5) 2

DEBYE HÜCKEL Parameter κ 2F 2 I ε 0 εrt κ DEBYE HÜCKEL Parameter in m F FARADAY Konstante: 9 6485 0 4 A s mol I Ionenstärke in mol m 3 R Gaskonstante: 8 34 J K mol (6) Ionenstärke n I 2 c i z 2 i i Zetapotentiale c/mm η Pa s ζ/v 0 0.00332 0.00653 30 0.0028 0.0086095 70 0.00204 0.0066638 00 0.0050 0.00699 50 0.00074 0.00500 DEBYE HÜCKEL Parameter c/mm I mol m 3 κ 0 9 m 0 5.8.576 30 35.8 2.373 70 75.8 3.453 00 05.8 4.079 50 55.8 4.950 c i Konzentration in mol l z i Ladungszahl (7) Für die Darstellung der Zetapotentiale als Funktion des DEBYE HÜCKEL Parameters vgl. Abb. auf S. 4..3 Oberflächenladungsdichte Oberflächenladungsdichte σ bκη σ C m 2 (8) Oberflächenladungsdichte c/mm b κ 0 9 m η Pa s σ C m 2 0 5 7 0.576 0.003 0.02 30 4 78 0 05 2.373 0.003 0.05 70 3 94 0 08 3.453 0.002 0.06 00 3 79 0 05 4.079 0.002 0.08 50 3 39 0 05 4.950 0.00 0.08 3

0.00 / V ζ 0.005 0.000 0.0095 0.0090 0.0085 0.0080 0.0075 0.0070 0.0065 0.0060 0.0055 0.0050.5e09 2.0e09 2.5e09 3.0e09 3.5e09 4.0e09 4.5e09 5.0e09 κ / m - Abbildung : Zetapotentiale als Funktion des DEBYE HÜCKEL Parameters.4 Mittlerer Abstand der Ladungen auf der Zelloberfläche q ges σ 60277 0 9 Gesamtladung pro m 2 q ery q ges A ery Gesamtladung pro Erythrocyt A ery 37 0 6 µm Oberfläche Erythrocyt A q A ery q ery Fläche pro Ladung d q A ery q ery mittlerer Ladungsabstand Mittlerer Ladungsabstand c/mm q ges 0 7 e q ery 0 3 e A q 0 6 m 2 d q 0 7 m 0.92 2.62 5.22 2.28 30 2.33 3.9 4.29 2.07 70 2.62 3.60 3.8.95 00 2.85 3.90 3.5.87 50 2.89 3.95 3.47.86.5 Elementarladungen pro Protein q prot q ery A ery Elementarladungen pro Protein 4

e pro Protein c/mm 0 6 e 0 7.5 30 2.3 70 24.0 00 26.0 50 26.4.6 Strömungsprofil 3.0e-05 2.8e-05 / m/s v 2.6e-05 2.4e-05 2.2e-05 2.0e-05.8e-05.6e-05.4e-05.2e-05.0e-05 0.00 0.03 0.06 0.09 0.2 0.5 0.8 0.2 0.24 0.27 0.30 0.33 0.36 0.39 0.42 0.45 0.48 0.5 0.54 Abbildung 2: Strömungsprofil der Lösung d / 0-3 m 2 Fehlerdiskussion Eine konkrete Angabe von Fehlern für die einzelnen Werte gestaltet sich schwierig. Die Fehlerbereiche der Meßgeräte sind so klein das Konstantstromgerät hatte im Bereich von 0 ma einen Fehler von 0 ma, darüber von 0 5 ma, der Fehler der Skala zur Objektiveinstellung liegt geschätzt bei Skaleneinheit, daß sie in der Berechnung nicht weiter von Belang sein dürften. Größte Fehlerquelle war sicherlich die Messung der Bewegungszeit der Erythrocyten, Abweichungen in der Dimension 0 s sind durchaus wahrscheinlich. Hierin ist wahrscheinlich auch die Ursache für das deutlich zu spitze Strömungsprofil zu suchen. 5

3 Fragen. Wie ist das elektrische Potential definiert? Warum liegt in der Unendlichkeit ein geeignetes Bezugspotential vor? Wie mißt man Potentiale? 2. Erläutern Sie die elektrokinetischen Phänomene. 3. Wie ist die Beweglichkeit allgemein definiert? Erklären Sie die elektrophoretische Beweglichkeit. 4. Warum wird zur Erzeugung einer konstanten Feldstärke in der Meßküvette ein Konstantstromgerät verwendet? 5. Erläutern Sie die Entstehung einer stationären Ebene. 3. Elektrisches Potential Das elektrische Potential ψ ist ein Zustandsparameter eines bestimmten Punktes im Raum, der definiert ist durch die Arbeit, die erforderlich ist, um eine Ladung q ( Coulomb) aus unendlicher Entfernung an diesen Punkt zu bringen. Maßeinheit des elektrischen Potentials ψ ist das Volt (V). Punkte gleichen Potentials liegen auf derselben Äquipotentiallinie bzw. ebene. Im Falle des elektrischen Feldes um eine Punktladung q ist das elektrische Potential ψ eine Funktion der radialen Entfernung r: 3.2 Elektrokinetische Phänomene ψ q 4πε 0 εr Strömungspotential Als Strömungspotential bezeichnet man eine elektrische Potentialdifferenz, die in Strömungsrichtung an einer Oberfläche bzw. in einer engen Kapillare mit Festladungen entsteht. Die Ursache dafür ist die Überlagerung von Strömungsprofil und Ionengradient in der elektrischen Doppelschicht. Elektroosmose ist der umgekehrte Effekt des Strömungspotentials. Basierend auf den gleichen Grundprinzipien entsteht an einer Oberfläche oder in einem Rohr eine Strömung, wenn ein statisches elektrisches Feld angelegt wird. Sedimentationspotential auch DORN Effekt genannt. Läßt man geladene Teilchen im Schwerefeld sedimentieren, so bildet sich in Sedimentationsrichtung eine geringe elektrische Potentialdifferenz in der Flüssigkeit aus. Elektrophorese Gerichtete Bewegung von suspendierten geladenen Teilchen in einer nichtleitenden Flüssigkeit unter Einwirkung eines äußeren elektrischen Feldes. Die Ladung der suspendierten Teilchen influenziert eine Wolke entgegengesetzt geladener Ionen, die die Teilchen umgeben. Daher hängt die Kraft auf das Teilchen nicht allein von dessen Ladung, sondern auch von der Ionenkonzentration des Suspensionsmittels ab. 6

3.3 Beweglichkeit Die allgemeine Definition der Beweglichkeit w lautet: v v Geschwindigkeit in m w s F F Kraft in N Die elektrophoretische Beweglichkeit b ist definiert als: v v Geschwindigkeit in m b s E E elektrische Feldstärke in V m 3.4 Erzeugung einer konstanten Feldstärke Ein Konstantstromgerät hat die Eigenschaft, daß sich im Meßvolumen eine konstante Feldstärke ergibt, da hier das Medium homogen ist und das OHMsche Gesetz gilt. Außerdem erzeugt konstanter Strom einen konstanten Spannungsabfall und damit eine konstante Feldstärke. 3.5 Stationäre Ebene Durch die Wechselwirkung des Feldes mit den Ladungen des wässrigen Teils der Doppelschicht, die meist positiv geladen ist, entsteht am Rand der Lösung eine Strömung zur negativen Elektrode. Aus der Forderung nach einem verschwindenden Summenflux durch einen beliebigen Querschnitt mit geschlossener Kammer ergibt sich ein parabolisches Strömungsprofil mit einer rein hydrodynamisch erzeugten Rückströmung. Beide Strömungen heben sich bei etwa 2% der Kammertiefe der stationären Ebene auf. 7