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Elektrophorese 

Teil 1 

Skript zur Vorlesung „Grundlagen der Analytik I“ 

im MSc-Studiengang Analytik 

Prof. C. Vogt, Leibniz Universität Hannover 11.1.2007

Literatur 

„Analytical Isotachophoresis“ 

P. Bocek, M. Deml, P. Gebauer, V. Dolnik, VCH, Weinheim, 1988 

„Gelelektrophorese“ 

R. Westermeier, In Analytiker Taschenbuch, Bd. 7, Springer-Verlag, Berlin 

„Isoelektrische Fokussierung“ 

R. Westermeier, In Analytiker Taschenbuch, Bd. 7, Springer-Verlag, Berlin 

„Capillary Electrophoresis: Principle and Practice“ 

R. Kuhn, S. Hoffstetter-Kuhn, Springer Laboratory, Berlin, 1993 

„Handbook of Capillary Electrophoresis“ 

Ed. J. P. Landers, CRC Press, Boca Raton, 1997 

“Advances in Electrophoresis”, Serie, Band 1, 2 und 6 

Eds. A. Chrambach, M. J. Dunn, B. J. Radola, VCH, Weinheim, 1987-1993

Gliederung 

Grundlagen 

geschichtlicher Überblick 

wichtige Größen 

Trennprinzipien 

Zonenelektrophorese (ZE) 

Isotachophorese (ITP) 

Isoelektrische Fokussierung (IEF) 

technische Realisierungen 

Kapillarelektrophorese 

Aufbau, apparative Komponenten 

Puffersysteme und Additive 

Mizellare Elektrokinetische Kapillarchromatographie (MEKC) 

Gelelektrophorese

Historische Entwicklung 

1791 Faraday Elektrolysegesetze 

1853 Hittorf Überführungszahlen 

1877 Helmholtz Elektroosmose 

1887 Arrhenius Dissoziationstheorie 

1897 Kohlrausch Regulierungsfunktion 

1930 Tiselius Versuche zur Elektrophorese der wandernden 

Grenzflächen / erste reproduzierbar arbeitende 

Apparatur durch Kühleinheit / 1948 Nobelpreis 

1960 Hjerten Elektrophorese der wandernden Grenzflächen 

erstmals in Kapillaren (i.D. 0,3 cm) 

1967 Hjerten Theorie der trägerfreien Zonenelektrophorese 

1968 Everaerts erste kommerzielle Isotachophoreseapparatur 

1979 Mikkers Kapillarzonenelektrophorese 

1987 Fa. Beckman erste kommerzielle Kapillarzonenelektrophoreseapparatur

Elektrophoretische Trennverfahren 

Wanderung geladener Teilchen in einem elektrischen Feld 

Mobilität eines Teilchens hängt von Ladung und Radius ab 

Analyten mit unterschiedlichen Mobilitäten im Feld wandern 

unterschiedlich schnell und werden dadurch getrennt 

Trenneffekte sind vom Medium (Trennpuffer) abhängig 

Möglichkeit der Analyse neutraler Verbindungen durch WW 

mit geladenen Pufferzusätzen

Einteilung elektrophoretischer Verfahren 

Einteilungskriterium 

Getrennte Stoffmenge 

Trennprozess 

Stabilisierungsmethoden 

Trennprinzip 

Potentialgradient 

Trenntechnik 

analytisch, mikropreparativ, preparativ 

kontinuierlich, Stufenweise 

tragerfrei, mit Trägermedium, Kapillare, 

Gele 

nur Migration 

Migration und WW mit Trägermedium 

Migration, WW mit Trägermedium und 

Diffusion 

Migration und Verteilung 

Hochspannung, Niederspannung 

Zonen 

wandernde Grenzflächen 

Isotachophorese 

Fokussierung

Einteilung elektrophoretischer Verfahren 

Zonenelektrophorese 

Methode der wandernden Grenzflächen / Isotachophorese 

Isoelektrische Fokussierung 

Kombinationen mit weiteren Trenneffekten 

Mizellare Elektrokinetische Kapillarchromatographie 

Gelelektrophorese



(C)ZE 

Isoelektrische 

Fokussierung 

IEF 

Puffer homogene ZSS Gemisch von 

Ampholyten 

E / pH homogen Kontinuierlicher 

Gradient 


ITP 

Zwei Elektrolyte 

Stufenförmiger 

Gradient 

Probe 

Keine Begrenzung 

Für Molekulargewicht 

Kationen, Anionen, 

Neutralverbindungen 

Ampholyte, pI 

µ T 

< µ S 

< µ L 

nur eine Ionenart 

Wichtige Verfahren in kapillaren Trennsystemen: 

Kapillarzonenelektrophorese (CZE), Micellare Elektrophoretische Kapillarchromatographie (MEKC), 

Kapillargelelektrophorese (CGE)


Trägermaterial → Papier oder Dünnschicht 

Celluloseacetat (Filterpapier) 

Nitrocellulose 

Ionenaustauscher 

Aluminiumoxid, Titaniumoxid 

Trägerfrei → Kapillare 

eindimensional / zweidimensional 

vom Trägermaterial verursachte Effekte 

Joul´sche Wärme 

Elektroosmose 

Adsorption 

Diffusion

Trägermaterialien für die Zonenelektrophorese 

Papier 

Filme 

Gele 

Papier- und Dünnschichtelektrophorese 

heute kaum noch gebräuchlich (bessere Trennung und höhere Beladbarkeit 

von Agarose- und PAA-Gelen) 

Silikagel-Platten in Puffertanks 

Celluloseacetatmembran (große Poren, daher schlechte Auftrennung für 

Proteine) – Trenneffekt basiert vollständig auf Ladungsdichte; aber 

einfaches Handling 

Ideal – einstellbare, regelmäßige Porengröße, chemische Inertheit, keine 

Elektroosmose 

Stärke (seit 1955) – 5-10 mm dick, geringe Reproduzierbarkeit, 

unpraktisches Handling der Gele 

Agarose – charakterisiert durch Schmelzpunkt und Ausmaß der 

auftretenden Elektroosmose, Porengröße abhängig von Konzentration (150- 

500 nm) 

Polyacrylamid – seit 1959, chemisch inert, mechanisch stabil, wenig 

Elektroosmose 

Kontrolle der Porengröße bei Synthese möglich


Trennprinzip für Trägersysteme (schematisch) 

v 

i 

= 

u 

i 

⋅E


Trennprinzip für trägerfreie Systeme (Kapillare) 

v 

i 

= 

u 

i 

⋅E


zwei Puffer - Leitelektrolyt (L) / Terminator (T) 

µ L,eff 

> µ i,eff 

> µ T,eff 

L 

Gesetz von Kohlrausch 

c x 

= c L 

⋅ 

µ 

x 

µ 

x 

− µ 

G 

⋅ 

µ 

L 

− µ 

µ 

G 

X … Probeion, G … Gegenion, L … Leition 

je geringer die Mobilität von x, desto geringer ist auch seine 

Konzentration in der entsprechenden Zone 

die Konzentration des Probeions in seiner Zone richtet sich nach der 

Konzentration des Leitions 

das Gegenion G ist in jeder Zone in entsprechender Menge vorhanden 

⎛ µ 

G,L 

⎞ ⎛ µ 

G, X 

⎞ ⎛ µ 

G,T 

⎞ 

c 

G ,L 

⋅⎜1− 

⎟ = c 

G, X 

⋅⎜1− 

⎟ = c ⎜ 

G,T 

⋅ 1− 

⎟ = 

⎝ µ 

L,L ⎠ ⎝ µ 

X, X ⎠ ⎝ µ 

T,T ⎠ 

konst.


Auswahl der Elektrolytlösungen 

 

Löslichkeit und Stabilität 

1-10 mM (wasserlöslich), alternativ Zugabe organischer LM 

Auswahl Gegenion – Redoxprozesse, Fällung vermeiden 

 

Ionisierung und Pufferung 

Dissoziationsgrad ≥ 10 % notwendig für ausreichenden µ eff 

-Effekt 

sinnvolle Grenze pH LE 

≈ pK A 

±1 und pK B 

±1


v 

i 

= 

u 

i 

⋅E


Trennung der Lanthaniden 

Elektrolytsystem: 

Leitelektrolyt: 2.7 mM KOH + 1.5 mM α-Hydroxyisobuttersäure + Essigsäure (pH 4.92) + 

0.0025 % PVA 

Terminator: β-Alanin 

Detektion: Potentialgradient 

Probe: 5 nmol je Element 

L 

4 

3 

1 2 

5 

6 

7 

8 

9 

10 

Methode des komplexierenden 

Gegenions 

L K + 

11 

12 

13 

14 

15 

E 

T 

t /min 

1 Na + 

2 La 3+ 

3 Ce 3+ 

4 Pr 3+ 

5 Nd 3+ 

6 Sm 3+ 

7 Eu 3+ 

8 Gd 3+ 

9 Tb 3+ 

10 Dy 3+ 

11 Ho 3+ 

12 Er 3+ 

13 Tm 3+ 

14 Yb 3+ 

15 Lu 3+ 

T β-Alanin

Elektrolytsysteme 

Kontinuierlich 

Diskontinuierlich 

E 2 

T 

E 1 

L 

v = µ . E


Ampholyte mit Isoelektrischem Punkt 

Immobilisiert oder frei 

1 

pH = ⋅ pK S + pK B 

2 

( ) 

Trägermaterial : Polyacrylamid (PAGE), Sephadex 

Kovalente Bindung der Ampholyte an die Gelmatrix 

pH bleibt über gesamte Trennung konstant 

Gradient vorausberechenbar - damit anpassbar an Analysenproblem 

extrem hohe Auflösung erreichbar (bis 0,01 pH/cm) 

Trägerfrei : 

Dichtegradienten (Sucrose), Freie Lösung


bei niedrigem pH 

R-COO - + H + → R-COOH 

R-NH 2 + H + → R-NH 3 

+ 

bei hohem pH R-COOH → R-COO - + H+ 

R-NH 3+ → R-NH 2 + H + 

pH = pI B 

pH = pI A


Entwicklung des pH-Gradienten für die IEF


Grundstrukturen von Trägerampholyten 

Polyamino-Polycarbonsäuren 

N N 

x 

freie Trägerampholyte 

R = H 

COOH 

NR 2 

COOH 

x = 2 oder 3 

Acrylamid-Derivate H 2 

C 

NH immobilisierte Ampholyte 

CH 3 O R 

R = R = 

N 

CH 3 

O 

SO H 

3 

COOH 

H 5 C 2 

N + C 2H 5 

C 2 H 5 

sauer 

basisch


Agarose-IEF mit Elektroden- und Probeaufgabe-Streifen 

Struktur der Agarose 

und des bei der 

Polymerisation 

gebildeten Gels


IEF von Isoformen des 

α-Antitrypsin (Protease-Inhibitor) 

in immobilisiertem pH-Gradient 

pH 4.0 – 5.0 

IEF von Kartoffelsaft 

unterschiedlicher 

Kartoffelarten in einem 

Polyacrylamidgel 

(angefärbt mit Coomassie 

Brilliant Blue)

Kombinierte Prinzipien - 2D 

Erste Dimension → IEF mit 

immobilisiertem pH-Gradienten 

pH 3-12 in 24 cm langem 

Gelstreifen 

Zweite Dimension → 

SDS-PAGE 

In 13%igem Gel 

Detektion durch 

Silberfärbung 

Erste Dimension 

Zweite Dimension

SDS-PAGE 

Sodium docecylsulfate polyacrylamide gel electrophoresis 

Polyacrylamid-Gelelektrophorese nach SDS-Zusatz 

SDS überdeckt Eigenladung des Proteins 

je Gramm Protein binden ca. 1.4 g SDS → Proteine im Gemisch mit 

konstanter Ladungsverteilung 

Sekundär- und Tertiärstrukturen werden in Vorbehandlung durch Brechen der 

Wasserstoffbrücken und Streckung des Moleküls aufgebrochen 

Disulfidbrücken werden durch Reduktion gespalten 

In anschließender Trennung spielt nur noch Größe eine Rolle



(C)ZE 

Isoelektrische 

Fokussierung 

IEF 

Puffer homogene ZSS Gemisch von 

Ampholyten 

E / pH homogen Kontinuierlicher 

Gradient 


ITP 

Zwei Elektrolyte 

Stufenförmiger 

Gradient 

Probe 

Keine Begrenzung 

Für Molekulargewicht 

Kationen, Anionen, 

Neutralverbindungen 

Ampholyte, pI 

µ T 

< µ S 

< µ L 

nur eine Ionenart 

Wichtige Verfahren in kapillaren Trennsystemen: 

Kapillarzonenelektrophorese (CZE), Micellare Elektrophoretische Kapillarchromatographie (MEKC), 

Kapillargelelektrophorese (CGE)

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