Parameter bei der Elektrophorese – der Crossover

Warum werden während einer Elektrophorese die einprogrammierten Parameter nicht erreicht?

Dies ist auf den Crossover-Effekt zurück zu führen, den wir in diesem Beitrag erklären wollen.

Als Beispiel soll ein Elektrophorese Read-Out unseres BluePower Stromgebers dienen. Aufgezeichnet wurde ein Elektrophoreselauf mit drei 2D HPE™ Large Gelen auf einem HPE™ BlueHorizon™ Triple Deck.

Die programmierten Parameter waren 1000 V, 120 mA, 90 W (siehe Bild rechts).

Die programmierten Parameter sind nicht die zu liefernden Werte. Vielmehr sind dies Limitierungen und demnach nur maximal erlaubte Werte. Zieht man die physikalische Formel zur Berechnung der Leistung heran, zeigt eine erste Berechnung, dass mit den einprogrammierten Spannungs- und Stromwerten die Leistung von 90W überschritten wird:

P = U x I = 1000 V x 0,120 A = 120 W

Warum wählt man eine geringere Leistung?

Die Watt sind gleichzusetzen mit der Joule’schen Wärmeentwicklung. Die Leistung wird so gewählt, dass die aktive oder passive Kühlung die Wärmeentwicklung kompensieren kann. Wird das Gel zu warm, trocknet es aus und kann kokeln (Flachbettgele) oder die Matrix schmilzt (Vertikalgele). Beides führt zu unschönen Trennungen. Theoretisch kann man drei prominente Zeitpunkte einer Elektrophorese benennen: Beginn, Crossover, Ende. Es wird Crossover genannt, da sich die Parameter als Konstante gegenseitig ablösen.

Beginn der Elektrophorese:

Der Strom steigt proportional zum Ionenfluss. Der Ionenfluss ist hoch, wenn viele Ionen vorhanden sind. Da zu Beginn der Elektrophorese noch alle Ionen im Puffer vorhanden sind, ist der Ionenfluss und somit auch der Stromwert maximal. Da die Begrenzung auf 120 mA programmiert ist, steigt der Strom sofort auf diesen Wert an. Volt und Watt gleichen sich passend an. In unserem Beispiel startet die Spannung bei ca. 380 V. Das Produkt aus Strom und Spannung ergibt dann einen Leistungswert von 45 W.

Crossover:

Der Ionenfluss nimmt stetig ab, da immer mehr Ionen des Puffers die Elektroden erreichen und dann dem System nicht mehr zur Verfügung stehen. An den Stromwerten ist das noch nicht erkennbar, denn die Begrenzung ist immer noch kleiner als der theoretisch mögliche Stromwert. Man erkennt aber, dass durch den stetig sinkenden Ionenfluss immer höhere Spannungen, und dadurch auch Watt, möglich werden. Die Volt- und Wattwerte steigen stetig an, bis die Leistung ihre Begrenzung (90 W) erreicht hat. Im Verlauf der Elektrophorese wird der Strom unter die Begrenzung sinken und die Werte stetig kleiner werden. Die Spannungswerte steigen weiter an. Mit oben genannter Formel kann man berechnen, ab welchem Stromwert bei konstanten Watt die Voltbegrenzung erreicht wird.

I = P / U = 90 W / 1000 V = 90 mA

Ende der Elektrophorese:

Sind noch genug Ionen vorhanden, dann wird die Begrenzung der Spannung erreicht und die Strom- und Leistungswerte sinken mit der Zeit. Je nach Elektrophorese-Applikation und -System, kann es aber auch sein, dass der Strom so langsam fällt, dass die Begrenzung der Spannung nicht erreicht wird. Da die Laufstrecke der Proteine proportional zur Spannung ist, ist es meist von Nöten, dass ein hoher Volt-Wert für eine gewisse Zeit erreicht wird. Man behilft sich durch die Programmierung eines weiteren Schritts, bei dem man die Parameterlimitierungen erhöht.