Nanočástice v kapilární elektroforéze

Mgr. Daniel BARON

Doctoral thesis

Nanoparticles in capillary electrophoresis

Abstract:

Předložená disertační práce je zaměřena na problematiku nanočástic v kapilárních elektromigračních analytických technikách. Nejprve bylo studováno, jak se nanočástice chovají na rozhraní dvou prostředí s různými specifickými vodivostmi. S tím souvisí tzv. "stacking" a "de-stacking" efekt. Oba tyto efekty byly pozorovány, pokud je iontová síla zóny, ve kterém jsou nanočástice dispergovány, rozdílná od iontové síly elektrolytu, do něhož jsou při analýze dávkovány. Při těchto efektech může rovněž docházet k agregaci nanočástic. Toto chování lze vysvětlit pomocí DLVO teorie, která předpokládá, že nanočástice agregují, pokud je překročena energetická bariéra definovaná elektrostatickými a Van der Waalsovými silami. Navíc bylo zjištěno, že za optimálních podmínek, lze vzorek nanočástic "stacking" efektem 76-krát zakoncentrovat (srovnání se standardním dávkováním). Další možností, jak prekoncentrační faktor nanočástic zvýšit, je kombinace "stacking" efektu s elektrokinetickým dávkováním vzorku. On-line elektrokinetická prekoncentrace karboxylovaných magnetitových nanočástic byla studována za "normálních" podmínek, a také v křemenných kapilárách, ve kterých je elektroosmotický tok obrácen nebo potlačen. Bylo zjištěno, že k reprodukovatelným analýzám vede pouze použití kapilár kovalentně pokrytých polyvinylalkoholem. Srovnáním s běžným hydrodynamickým dávkováním došlo tímto způsobem k 860-násobné prekoncentraci nanočástic. V poslední části práce jsou studovány pomocí afinitní kapilární elektroforézy interakce nanočástic s polypeptidovým antibiotikem (polymyxin B). Pro specifickou a citlivou detekci byla kapilární elektroforéza spojena s hmotnostní spektrometrií s indukčně vázaným plazmatem. Samotnému studiu interakcí tedy předcházelo testování funkčnosti spojení těchto dvou technik. Při interakční studii byla sestrojena závislost efektivní mobility nanočástic na koncentraci ligandu v základním elektrolytu. Analýzou naměřených dat (x-reciproká linearizace dle Scatcharda) byly zjištěny dvě různé interakční oblasti, jež se liší svými interakčními konstantami a rovněž stechiometrií vznikajícího komplexu. Tyto rozdíly mohou být opět vysvětleny začátkem agregace nanočástic, a to z důvodu snížení elektrostatického odpuzování nanočástic (záporný náboj je kompenzován polymyxinem B, takže se mění hodnota zeta potenciálu). Tato hypotéza je rovněž v souladu s tvary profilů nanočástic. Píky nanočástic jsou úzké při nízkých koncentracích ligandu, zatímco při vysokých koncentracích jsou rozšířeny.

Abstract:

The submitted dissertation thesis is focused on problematics of nanoparticles in capillary electromigration analytical techniques. Firstly, nanoparticles´ behaviour at the interface of two environments with different specific conductivities was explored. This is related to the stacking and de-stacking effects. Both of these effects have been observed when the ionic strength of the zone in which nanoparticles are dispersed differed from the ionic strength of the running electrolyte. These effects may also result in aggregation of nanoparticles. This behaviour can be explained by the DLVO theory, which assumes that nanoparticles aggregate when the energetic barrier defined by electrostatic and Van der Waals forces is exceeded. In addition, it has been found that under optimal conditions, stacking effect allowed 76-fold preconcentration of nanoparticles (compared to standard injection). Another way to increase the preconcentration factor of nanoparticles is combination of the stacking effect with the electrokinetic injection of the sample. On-line electrokinetic preconcentration of carboxylated magnetite nanoparticles has been studied in fused silica capillaries and also in silica capillaries with reversed or suppressed electroosmotic flow. It has been found that analyzes in polyvinylalcohol covalently coated capillaries were most reproducible. In comparison with the standard hydrodynamic injection, the electrokinetic injection allowed 860-fold preconcentration of nanoparticles. Lastly, the interaction study of nanoparticles with the polypeptide antibiotic (polymyxin B) via affinity capillary electrophoresis has been performed. For specific and sensitive detection, inductively coupled plasma mass spectrometry instument has been hyphenated to capillary electrophoresis instrument. After testing of the interface of these two techniques, interactions between nanoparticles and ligand were studied. The analysis of interaction data (x-reciprocal Scatchard linearization of dependence between effective mobility of nanoparticles and ligand concentration in running electrolyte) showed two distinct interaction regions. These regions differed in the strength of the interaction, and in the stoichiometry of emerging complex. These differences can be explained by the start of aggregation of nanoparticles due to the decrease of electrostatic repulsion of nanoparticles (nanoparticles´ negative charge is compensated by polymyxin B, so the value of zeta potential changes). This hypothesis is also in the agreement with the peak shapes of nanoparticles. Peaks are narrow at low ligand concentrations and broadened at high ligand concentrations.

Keywords

kapilární elektroforéza, nanočástice, on-line prekoncentrace, hmotnostní spektrometrie s indukčně vázaným plazmatem, elektroforetická mobilita, elektroosmotický tok, elektrokinetické dávkování, interakce, afinitní kapilární elektroforéza, agregace

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 5. 4. 2019

Thesis defence

• Supervisor: doc. RNDr. Jan Petr, Ph.D., doc. RNDr. Jan Petr, Ph.D.

Palacký University Olomouc

Faculty of Science

Doctoral programme / field:
Chemistry / Analytical Chemistry