ook: kataforese of ionoforese, een scheidingsmethode waarmee geladen deeltjes in een elektrolyt kunnen worden gescheiden met behulp van een elektrisch veld; oorspronkelijk heeft men de naam elektroforese en kataforese gebruikt om de beweging van geladen colloïdale deeltjes te beschrijven; de naam ionoforese bleef gereserveerd voor de deeltjes van kleine molecuulmassa.
De ontwikkeling van de elektroforese in de laatste twintig jaar en het gebruik van identieke apparatuur voor de scheiding van zowel proteïnen met grote moleculen als eenvoudige metaalionen heeft ertoe geleid dat meestal toch de historische naam elektroforese wordt aangehouden voor dit soort scheidingen.
Onverbrekelijk verbonden met de elektroforetische scheidingstechnieken blijft de naam van de Zweed Arne Tiselius. Geladen deeltjes in een elektrolyt hebben een karakteristieke snelheid in een elektrisch veld indien de condities goed gekozen worden en constant te houden zijn. Er zijn vier hoofdkrachten aan te wijzen die de beweging van een elektrisch geladen deeltje bepalen (afb. 1): F1 is de kracht die op het deeltje wordt uitgeoefend door het aangelegde elektrische veld; F2 is de wrijvingskracht (wet van Stokes); F3 en F4 zijn over het algemeen kleine krachten die nader uitgelegd dienen te worden. De gestippelde cirkel in de afbeelding geeft de lading weer in de omgeving van elektrisch geladen deeltjes (ionatmosfeer); deze lading is tegengesteld aan de lading van het deeltje en compenseert deze. Door het aangelegde elektrische veld zal het deeltje de neiging vertonen weg te lopen uit het centrum van zijn ionatmosfeer. De verdeling van de ionen die het deeltje omgeven, zal verstoord worden waardoor er een coulombkracht F3 (relaxatiekracht) ontstaat die deze verandering teniet wil doen; evenals het deeltje zelf is de lading die het deeltje omgeeft gesolvateerd met het gevolg dat bij het aanleggen van een elektrisch veld de vloeistof om deze lading mee migreert. De vloeistofstroom, te vergelijken met elektro-endosmose, zal groter worden naarmate het deeltje groter is, meer ladingen bevat, en zal het deeltje vertragen (F4).
De snelheid van een elektrisch geladen deeltje in een elektrolyt kan weergegeven worden met de volgende vergelijking:
v = ƒ (𝜀𝜁E/𝜋𝜂)
waarin v de elektroforetische snelheid, ε de diëlektrische constante van het solvent, ζ de elektrokinetische potentiaal, E de veldsterkte en η de dynamische viscositeit van de oplossing is. De constante ƒ hangt onder meer af van de straal van het deeltje en de omvang van de ionatmosfeer. Meer karakteristiek voor een deeltje dan de elektroforetische snelheid v is de beweeglijkheid μ(SI: m2 V−1s−1):
μ = v/E
De beweeglijkheid is een functie van de soortelijke geleiding σ (S m−1):
μ = σv/J,
waarin J de stroomdichtheid (A m−2) is. Voor de soortelijke geleiding kan men de equivalent-geleiding substitueren:
μ∞ = Λ∞/F
waarin μ∞ de beweeglijkheid bij oneindig sterke verdunning, F het getal van Faraday en Λ∞ de equivalentgeleiding bij oneindig sterke verdunning is. De waarde van μ∞ in een solvent is voor iedere stof karakteristiek. De beweeglijkheden van de diverse deeltjes zijn op diverse manieren te beïnvloeden, nl. door de keuze van het solvent, de pH van de elektrolyt (deze beide zijn de voornaamste factoren), de concentratie van de verschillende elektrolyten, de viscositeit van de elektrolyt, de temperatuur van de elektrolyt, de adsorptie van het dragermateriaal en de eventuele complexvorming met reeds aanwezige ionen. De pH beïnvloedt de dissociatiegraad, m.a.w. de verhouding tussen het geladen en niet geladen gedeelte van een stof. Door de juiste keuze van een buffer kan men de optimale pH kiezen, waarbij een zo groot mogelijk verschil wordt verkregen in de effectieve beweeglijkheid van de aanwezige ionen.
De keuze van het solvent is belangrijk, omdat een ionogene stof op een karakteristieke manier gesolvateerd wordt. Hierdoor zal de beweeglijkheid van een stof in een verschillend solvent, onder identieke elektrolytcondities, een andere waarde hebben. Voor stoffen met grote moleculen is de viscositeit (of de poriëngrootte van het gebruikte dragermateriaal) belangrijk.
De elektroforetische technieken zijn in feite in vier elementaire technieken in te delen, en wel: de zone-elektroforese, de moving-boundary elektroforese, de isotacho(elektro)forese, en de isoelectric focussing. Uiteraard zijn er combinaties van deze modi mogelijk. De keuze van de elektrolyten in de beschikbare apparatuur bepaalt welk type elektroforese wordt uitgevoerd, niet de apparatuur zelf. Bij de beschrijving van de vier elementaire vormen wordt gebruik gemaakt van afb. 2, waarin deze modi schematisch zijn weergegeven. Van links naar rechts ziet men de kathoderuimte, de ruimte waarin de componenten worden gescheiden, en de anoderuimte.
Het principe van de zone-elektroforese is weergegeven onder a. De analysetijd, voor analytische toepassingen, ligt gemiddeld in de orde van uren, incl. de detectie. Voor preparatieve toepassingen kunnen de analysetijden oplopen tot dagen. De kwantitatieve informatie wordt verkregen uit de intensiteit van de kleuring. Speciale ijktabellen dienen hiervoor te worden gemaakt. Bij zone-elektroforese is de diffusie een limiterende factor. Alhoewel het scheidend vermogen niet groot is, behoort zone-elektroforese tot een van de meest toegepaste elektroforetische technieken.
Het principe van de moving-boundary wordt weergegeven in het tweede schema; met behulp van deze techniek kunnen alleen anionen of kationen worden gescheiden. Afhankelijk van de concentraties en mobiliteiten van de aanwezige ionen kan de analysetijd variëren van enkele minuten tot enkele uren. De detectie kan plaatsvinden met universele maar soms ook specifieke detectoren, daar de concentratie van de monsterionen van dezelfde ordegrootte is als van het basiselektrolyt EA. De detectie kan plaatsvinden gedurende de analyse. Niet zozeer voor het analyseren van stoffen, doch voor het bepalen van beweeglijkheden (transportgetallen) kan moving-boundary worden toegepast.
Het principe van de isotachoforese staat weergegeven onder c. Gedurende één analyse kunnen alleen of anionen of kationen worden gescheiden. De analysetijden worden bepaald door de verschillen in mobiliteit en de verschillen in concentratie van de monsterionen. Als regel kan men stellen dat 10 min voldoende is.
Alhoewel isoelectric focussing niet een zuivere vorm van elektroforese is, wordt deze techniek in het algemeen toch tot de elektroforetische technieken gerekend vanwege de grote overeenkomst ermee. De analysetijden zijn relatief erg groot. De methode leent zich bij uitstek voor de scheiding en karakterisering van proteïnen. Water, zelf een amfolyt met een klein geleidingsvermogen voor elektrische stroom, kan de analyseresultaten nadelig beïnvloeden. De detectie vindt plaats, meestal, na de analyse door de scheidingsruimte leeg te pompen door een optische meetcel. Doordat de te scheiden amfolyten opgemengd zijn met de amfolyten die de pH-gradiënt opbouwen, zijn universele detectoren minder geschikt. Speciale apparatuur is ontwikkeld om tijdens de analyse te detecteren: de scanning densitometer.