电泳及等电现象 电泳现象证明胶体带电
时间：2019-02-05 03:24:02 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
摘要：着重阐述了电泳及等电现象，并探讨了电泳等电点在实际中的应用，表明等电点在表面改性中发挥了巨大作用。 关键词：电泳；蛋白质；等电点；表面改性 文章编号：1005－6629(2007)05－0056－03中图分类号：O648.12+3 文献标识码：E
1胶体中的电泳和等电现象
我们先来做这样一个实验：在盛有红褐色Fe(OH)3 胶体的 U形管的两个管口各插入一个电极, 通直流电后发现阴极附近的颜色逐渐变深， 阳极附近的颜色逐渐变浅。这表明Fe(OH)3胶体粒子带正电荷，在电场作用下向阴极移动。这种在外加电场作用下，胶体粒子在分散剂里向电极方向（阴极或阳极）作定向移动的现象叫做电泳。
胶粒在电场下，当电泳速度降低到接近于零或等于零时，其表面电荷正负值相等的状态为等电状态。因而出现两个名词即零电点（zero charge of point）及等电点（Isoelectric point）。常由滴定得到的用零电点（ZPC）表示，电泳得到的以等电点（IEP）表示。当离子强度接近于零时，等电点和零电点较为接近；当离子强度较大时，等电点和零电点不同。当改变外界条件如pH或某些离子的浓度时，固液界面的电动电位趋向于零，此时决定电位的外界条件的值即等电点。如果以pH值决定即以pH值表示；如果以某种离子浓度决定即以pM表示。外界条件改变还会使等电点发生移动。而能使氧化物的电荷转变（指等电点移动）的离子为特性吸附离子，反之为不相干离子。比如KClO3与KCl中的离子不能使Al2O3的等电点发生移动（经测定纯Al2O3的等电点是pH=7.1，而含KClO3或KCl的Al2O3等电点也是pH=7.1左右，并没有发生改变），这些离子为不相干离子。
确定带相反电荷离子在粒子表面上是否产生特性吸附最简便的方法是：在被研究的体系中加入该反离子并同时测量Zeta 电位，若能使粒子电荷反号，表明有特性吸附。例如，在含有高岭土的污水中（污水的pH值为7.5，高岭土的等电点为3.8）加入铝聚沉剂，当加入量超过40×10-6（质量分数）时，则电荷反号，Zeta 电位由负值转变为正值[1]；在pH值为8.9的白炭黑混悬液中加入阳离子表面活性剂，当其浓度超过3μmol/L时亦可使电荷反号[2]。这些结果都说明铝聚沉剂或阳离子表面活性剂可在荷负电的高岭土或白炭黑表面上发生特性吸附。实践证明特性吸附现象在应用等电点移动解决实际问题中起到关键性作用。
2 测定等电点的方法
颗粒表面的电荷性质与其大小影响颗粒之间、颗粒与表面活性剂分子及其它化学物质之间的静电作用力，因而影响颗粒之间的凝聚和分散特性以及表面改性剂在颗粒表面的吸附作用。
若颗粒表面带有某种电荷（如正电荷），其表面就会吸附相反符号的电荷（即负电荷），构成双电层。在溶液中与颗粒表面离子电荷相反的离子只有一部分紧密地排列在颗粒表面上，另一部分离子与固体表面的距离则可以从紧密层一直到本体溶液中，所以双电层实际上包括了紧密层和扩散层两部分。在电场作用下，当固液之间发生电动现象时，存在一个移动的切动面（切动面的位置略比紧密层离颗粒表面远），该处的电位与溶液内部的电位之差称为电动电势或Zeta电位。假如颗粒表面上的正电荷数与固定层吸附的负离子数相等，Zeta电位就变成了零，此时对应溶液的 pH 值称为等电点。测定颗粒悬浊液在不同pH值时的Zeta电位，并绘制pH～Zeta potential图，在pH～Zeta potential关系图上Zeta电位为零时所对应的pH值即为等电点（如图为ZnO的pH～Zeta potential图，从图上可看到ZnO的等电点为pH=8.2左右）。该方法是认识颗粒表面电性的重要方法，在表面处理中应用广泛。
中学对蛋白质（蛋白质是一种典型的大分子溶胶）了解较多，下面具体介绍一下测定蛋白质等电点的一种方法:蛋白质是两性电解质，蛋白质分子中可以解离的基团除N�端α�氨基与C�端α�羧基外，还有肽链上某些氨基酸残基的侧链基团，如酚基、巯基、胍基、咪唑基等基团，它们都能解离为带电基团。因此，在蛋白质溶液中存在下列平衡：
调节溶液的pH使蛋白质分子的酸性解离与碱性解离相等，即所带正负电荷相等，电荷为零，此时溶液的pH值称为蛋白质的等电点。在等电点时，蛋白质溶解度最小，溶液的混浊度最大，配制不同pH的缓冲液，观察蛋白质在这些缓冲液中的溶解情况即可确定蛋白质的等电点。
3 电泳和等电点的用途
3.1电泳现象的应用
通过电泳实验可以确定胶粒的电荷符号。实验表明氢氧化铁、氢氧化铝溶胶以及次甲蓝等碱性染料荷正电；金、银、铂、硫、三硫化二砷、硅酸等溶胶以及淀粉颗粒、微生物等常荷负电。要注意的是胶体颗粒所带电荷往往与溶胶制备的条件和介质的pH值有关，如碘化银溶胶，当AgNO3过量时，胶粒荷正电；当KI过量时，胶粒荷负电。而高分子电解质如蛋白质，当介质pH值大于等电点时荷负电，小于等电点时荷正电。
电泳的应用相当广泛，陶瓷工业中用的粘土，往往带有氧化铁，要除去氧化铁，可以把粘土和水一起搅拌成悬浮液，由于粘土粒子带负电荷，氧化铁粒子带正电荷，通电后在阳极附近会聚集出很纯净的粘土。工厂除尘也用到电泳，生物化学中常用电泳来分离各种氨基酸和蛋白质等，医学中利用血清的纸上电泳可以协助诊断患者是否有肝硬变。本世纪40年代末到50年代初相继发展利用支持物进行的电泳，如滤纸电泳、醋酸纤维素膜电泳、琼脂电泳；50年代末又出现淀粉凝胶电泳和聚丙烯酰胺凝胶电泳等。目前，电泳技术已广泛应用于分析化学、生物化学、临床化学、药理学、免疫学、微生物学、遗传学等科学中。
3.2 等电点的应用
等电理论的发展为金属氧化物的表面改性提供了方法。表面改性是用物理化学等方法对颗粒表面进行处理，有目的地改变颗粒表面的物理化学性能。表面改性技术可以改变颗粒的表面层原子结构、官能团、表面电性、疏水性吸附性能、催化性能以及机械性能等，使之在自组装、传感器、药物输送等特殊需要的用途上发挥更多更好的作用。其主要是根据需要在基体上引入一包覆层，经改性后的颗粒是由“核层” (core layer）和“壳层”（loating layer）组装的复合颗粒。表面改性的方法有：气相沉积法、等离子法、溶胶――凝胶法、化学吸附法、化学机械法等。下面着重介绍一下溶胶――凝胶法。
溶胶――凝胶法是无机前驱体通过各种反应形成三维网状结构或金属盐的水解，缩合反应形成金属氧化物。SiO2溶胶是常用的包覆材料，包覆在金属颗粒上可以提高交替稳定性；包覆在磁性材料上可以提高磁流体的稳定性；包覆在BaTiO3材料上可以防溶解、潮解；包覆在CdS表面上可以防止光解；包覆在羟基磷石灰上可以提高材料的生物相容性。还有正硅酸乙酯使氧化银表面硅烷基化起到包覆作用，能使纳米氧化银颗粒的表面上包一层硅化物，具有憎水性，易分散在玻璃、聚合物等非水介质中。汽车玻璃采用这种改性，可以使司机在雨天驾驶避免因前面的玻璃被雨水淋湿视线受挡而发生交通事故。
生活中有很多利用表面改性技术的实例：水泥桥很容易风化，往往在水泥中加入CaCO3, 并且增大Ca2+的浓度，使其等电点接近于大气的等电点（大气的等电点为5-6）。改性后的水泥桥在等电点时对杂质的吸附最小，对同离子的吸附最多，即水泥桥在这种情况下不容易解离，因而也不容易风化。中南海的建筑为红色，外层涂有HgO，而HgO为有毒物质，建筑物的涂料在雨水冲刷下渗透到中南海中，污染了水体，对水中的生物造成很大的危害，所以用Si包覆在HgO表面进行改性，或者用红棕色的Fe2O3来代替HgO。
等电点在生产中也有广泛的应用，可以起到监测、预测与设计的作用。例如二氧化钛有很强的光活性。若TiO2中含有少量的Fe2O3、Cr2O3、NiO2等，在阳光下一两分钟就会变成褐色，停止暴光就会恢复原色。为了降低光活性对 TiO2的影响，对TiO2进行包膜处理，使之表面改性，并提高与基质的相容性，由等电点移动可以确定包膜是否成功。将TiCl3 与草酸及水合肼混合可得棕色的粉状草酸钛（III）, 放置在磁舟中在N2中加热分解可制得黑色的氧化钛。黑色的氧化钛可以做无毒的黑色颜料，用于化妆品及精细化工具。变价氧化钛是否制备成功可以由等电点移动测得。纯TiO2等电点在4.98-5.6之间，按等电理论其等电点向酸性方向移动。而实际测得的氧化钛的等电点是pH=3.6，与理论值一致。在云母片上涂上不同厚度的TiO2，由于其对光的折射和反射不一致，所以会有不同的色彩产生，这就是我们经常提起的珠光粉。云母片上沉积TiO2后，其等电点向pH高的方向移动。为了改善珠光粉的表面抗粉化，提高耐气候性能，进一步提高与基体的相容性，还可以进一步表面改性，在珠光粉上包SiO2，由于SiO2可以接收紫外光，所以包SiO2可以减少紫外线对TiO2的影响。还可以在珠光粉上包Al2O3及三乙醇胺进行处理，Al2O3可以提高其抵抗气候变化的能力，三乙醇胺可以与塑料相容。
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