Lecture 9Introduction to Capillary Electrophoresis
Lecture 9- PHCM662-SS2016
Dr. Rasha Hanafi
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© Dr. Rasha Hanafi, GUC
Lecture 9- PHCM662-SS2016
By the end of this session, the student should be able to:
1.Define general theory of capillary electrophoresis (CE).
2.Compare between CE and chromatography.
3.Define electrophoretic/electroosmotic mobilities, apparentmobilities, migration velocity.
4.Investigate the pumping mechanism in CE.
5.Compare between electroosmotic and hydrodynamic flowprofiles.
6.Investigate the effects of electrophoresis and electroosmosis onCE.
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LEARNING OUTCOMES
C:\Users\Rasha\AppData\Local\Microsoft\Windows\Temporary Internet Files\Content.IE5\0O0LMXLO\MC910217453[1].wmf
Electrophoresis is aseparation method based on thedifferential rate of migration ofions by attraction or repulsion inbuffer soln. across which hasbeen applied a dc electric field.
at steady speed:
Accelerating force = frictionalforce
qE = fvep
vep = (q/f)E=μepE
μep = Electrophoretic mobility
(α charge and inversely αhydrodynamic radius of ion)
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What is Electrophoresis?
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q.E
f.vep
q = charge of an ion.
E = field strength (V cm -1).
f= friction coefficient.
vep = migration velocity of charged particle in thepotential field (cm sec -1).
ep = electrophoretic mobility (cm2 V-1 sec-1).
V = applied voltage (V)  (E=V/L).
L = length of capillary (cm).
The ion in an electric field
When an ion of charge (coulombs) is placed in an electric field (VoltageV/ length of capillary m), the force on the ion is qE (newtons).
In solution, the retarding frictional force is  fvepwhere vep is the velocity ofthe ion and f is the friction coefficient.
The ion quickly reaches steady speed when the accelerating force equalsfrictional force.
Electrophoretic mobility ep is the constant of proportionality between thespeed of the ion and the strength of the electric field.
ep is proportional to the charge of the ion and inversely proportional tothe friction coefficient.
For molecules of similar size, the magnitude of mobility increases withcharge. The greater the radius the lower the mobility, i.e., athe radius ofthe hydrodynamic volume of the ion increases, “f” increases.
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Set up of capillary electrophoresis instrument
CE.jpg
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All ions move to the cathode.
All???even the anions???? How????
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The basic instrument is made of
1.fused silica capillary.
2.controllable high voltagepower supply.
3.electrode assemblies.
4.buffer reservoirs.
5.detector (ex: UV).
6.data acquisition system.
The ends of the capillary are placedin the buffer. After filling thecapillary with buffer, the sample canbe introduced by dipping the end ofthe capillary in the sample solution.Pressure, suction or application ofan electric field drives the sample inthe capillary.
In CE nothing is retained so theanalogous term to “retention time”is migration time.
How small is the capillary tube used in CE?
In typical CE instruments, the inner diameter of the capillary is25 to 150  μm, the length is usually  50 cm.
It also could be small enough to insert into a single, largeliving cell to analyze its contents (sensitivity of enzymeanalysis can reach zeptomol, 10-21 mol).
Smaller cells can be taken one at a time into the capillaries,burst open and analyzed.
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The inside wall of the capillary is covered by silanol groups (SiOH) that aredeprotonated at pH  SiO-.
SiO- attracts cations of the buffer solution which become tightly adsorbed andhence immobile (THE RIGID LAYER.
The following layer  is rich in cations  but still mobile (THE DIFFUSE LAYER).
These layers represent an “electrical double layer”.
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What happens in the capillary of CE?
Predominance of cations in the diffuse part produces ELECTROOSMOTICFLOW (EOF) towards the cathode, exceeding the opposite flow towards theanode.
i.e. Net flow occurs as solvated cations drag along the solution. The netflow becomes quite large for high pH situations – 50 mM pH buffer flowsthrough 50-cm capillary at cm/min with 25 kV applied potential.
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 Electroosmosis, the PUMP of CE…
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EOF contributes significantly to high resolutionunlike pressure-driven flow in LC and relatedtechniques, explain.
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Electroosmotic versus hydrodynamic Flow Profiles
Cathode
Anode
Electroosmotic flow profile
Hydrodynamic flow profile
High
Pressure
Low
Pressure
1.Driven by charge alongcapillary wall.
2.no pressure drop isencountered.
3.flow velocity is uniform acrossthe capillary.
1.Driven by pressure difference.
2.Frictional forces at thecolumn walls  causedifferences in flow velocityacross the capillary.
veo = μeo  E
μeo = Electroosmotic mobility  is
1.proportional to the surface charge density on silica.
2.inversely proportional to the square root of the ionic strength of buffer.
i.e. electroosmosis decreases at low pH and high ionic strength.
Apparent Mobility  μapp = μep + μeo
 
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 Electroosmosis, the pump of CE…
Electrophoretic mobility
Total apparent mobility
++
+
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- -
++
+
-
- -
Electroosmotic mobility
CATHODE
ANODE
Combining the two effects for migration velocity of an ion (also appliesto neutrals, but with ep = 0:
At pH 2, cations flow to cathode because of positive contributionsfrom both ep and eo.
At pH 2, anions flow to cathode  in spite of the negative contributionfrom epdue to the significant positive contribution from eo (if EOF isstrong enough). At low pH, eo is weak and anions may never reach thedetector, where ep predominates.
At pH 2, neutrals flow to the cathode because of eo only.
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Electrophoresis and Electroosmosis
Net EOF becomes large at higher pH:
50 mM pH buffer flows through 50-cm capillary at cm/min with 25kV applied potential
EOF can be quenched (stopped) by protection of silanols or low pH.
Uniform  EOF contributes to the high resolution of CE, by minimizing peakwidth.
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Silanols fullyionized abovepH = 9
Electroosmotic Flow Profile
Unprecedented resolution in CE! N= 50,000-500,000 routinely!!
WHY?????
Van Deemter Equation:
relates the plate height H to the velocity of the carrier gas orliquid mobile phase.
 
v_deem
Where A, B, C are constants,and a lower value of Hcorresponds to a higherseparation efficiency.
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CE versus chromatography (HPLC)
In CE, a very narrow open-tubular capillary is used
No A term (multipath) because there is NO stationary phase (fused silicais not a stationary phase, i.e. There is no retention).
No C term (mass transfer) because there is NO stationary phase.
Only the B term (longitudinal diffusion) remains:
Cross-section of a capillary:
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CE versus chromatography (HPLC)
The flow of ions in the capillary generates heat. “Joule heating” is aconsequence of the resistance of the solution to the flow of current.Typically, the centerline of the capillary channel is 0.02 to 0.3 hotterthan the edge of the channel.
 If heat is not sufficiently dissipated from the system the resultingtemperature and density gradients can reduce separation efficiency(effect on peak shape, how?viscosity is lower in the warmer regiondisturbing the flat electroosmotic profile of the fluid.
Heat dissipation is key to CE operationfor smaller capillaries (d=50μm) heat is already dissipated due to the large surface area tovolume ratio, yet it is serious problem if d>1 mm.
The ability to dissipate heat results in extremely fast separations  withexcellent resolution are possible by application of high potentials(30kV)
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Joule Heating
Detectors are placed at the cathode sinceunder common conditions, all species aredriven in this direction by EOF.
Detectors similar to those used in LC, typicallyUV absorption, fluorescence, and Massspectrometry.
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Detection and Quantitative Analysis
For quantitative analysis, normalized peak areas are used: analytes with differentapparent mobilities pass through the detector at different rates. The higher theapparent mobility, the shorter the migration time, and the less time the analytespends in the detector which may erroneously decrease the  detector’s response to it.Hence, normalization involves dividing each peak area by its migration time.
Remember? In chromatography, each analyte passes through the detector at thesame rate under the effect of pressure, so peak area is proportional to the quantity ofanalyte.
For maximum precision, mobilities are measured relative to an internal standard.Absolute variations from run to run should not affect relative mobilities.
Proteins  (enzymes at zeptomol level 10-21!), Peptides, Aminoacids.
Nucleic acids (RNA and DNA) also analyzed by slab gelelectrophoresis.
Inorganic ions.
Organic bases, acids.
Whole cells (if large cells, the capillary is introduced intothem!).
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Types of Molecules that can be Separated by CE
1.CE is based on the principles of Electrophoresis andElectroosmosis.
2.The speed of movement or migration of solutes in CE isdetermined by their electrophoretic mobility which dependson ions‘ charge and size.  Small highly charged solutes willmigrate more quickly then large less charged solutes. Also thepH and ionic strength of the buffer change theirelectroosmotic mobilities.
3.Bulk movement of solutes is caused by EOF.
4.The speed of EOF can be adjusted by changing the buffer pH.
5.The flow profile of EOF is flat, yielding high separationefficiencies.
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Conclusion
QUIZ 2
Quiz 2 will take place on 14-04-2016 at 4:00PM and will include lectures 6, 7 and 8 +tutorials 6,7.
No make up is offered for the quiz
Please respect locations of your groups.
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Hall
Date / Time
Groups
H3
Thursday ,
14-4-2016,
4:00-4:30
 1-4
H5
 6-9
H12
 10-13
H13
 14-17
H14
 18-20
Location and time of Quiz 2
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1.Textbook: Principles of instrumental analysis, Skoog et al.,chapter 30.
2.Textbook: Quantitative Chemical Analysis, Harris, chapter 26.
3.Capillary Electrokinetic Separations, lecture in University ofVillanova.
4.Extra resources on intranet folder:
V:\Faculties\Pharmacy & Biotechnology\PharmaceuticalChemistry\Instrumental Analysis II_ PHCM662_SS2014\Extra resources
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References