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電泳涂裝設備技術原理

摘要:南京科尚涂裝工程有限公司,1、電泳、遷移率電泳(Electrophoresis)是指溶液中帶電粒子在電場中向帶相反電荷的電極方向移動的現象。在生物科學中,電泳技術廣泛應用于蛋白質、核酸和氨基酸等物質的分離和鑒定。因為帶電粒子…

1、電泳、遷移率電泳(Electrophoresis)是指溶液中帶電粒子在電場中向帶相反電荷的電極方向移動的現象。在生物科學中,電泳技術廣泛應用于蛋白質、核酸和氨基酸等物質的分離和鑒定。因為帶電粒子的移動速度和電場強度有密切關系,所以為了表示不同物質有不同泳動速度的特性,通常使用“遷移率”(Mobility)的概念。帶電粒子在電泳時的遷移率,就是指在單位電場強度下粒子的移動速度( VX)。2、影響遷移率的因素在電泳過程中,帶電粒子的移動速度 v 除與粒子所帶電荷量 Q 及電場強度 X 有關外,還與粒子半徑 r 及介質的粘度η有關:QX6πrη式中 6 π是適用于球形帶電粒子的經驗數值,對橢圓形或半徑很大的粒子則數值有所不同??梢?,帶電粒子的移動速度和粒子的本身的性質有密切關系,粒子表面所帶電荷量和物質的組成結構有密切關系。此外,粒子的大?。ǚ肿恿浚┘傲W拥男螤畹纫灿兄匾挠绊?。所以,在一定電場強度下,不同種類的帶電物質在電泳時的移動速度就不能完全一致,這種移動速度的差異就是電泳技術的基本依據。(1)樣品帶電化合物的性質在幾個方面影響著它們的遷移率。(1)電荷:遷移率隨凈電荷的增加而增加。電荷的大小一般由 pH 決定。(2)分子大?。簩τ谳^大的分子,由于周圍介質所引起的摩擦力和靜電力的增加,遷移率下降。(3)形狀:同樣大小的,但是具有不同形狀的分子,如纖維狀的蛋白質和球狀蛋白質,因摩擦力作用不同,而表現有不同的遷移特征。(2)電場歐姆定律表示了電流 A(安培)、電壓 V(伏特)和電阻 (歐姆)之間的關系:A=V/。因此,離子在電場中的分離受到這三個因素的影響。

(1)電流:由于在二個電極之間溶液中的電流完全由緩沖液和樣品的離子來傳導,因此,遷移率與電流成正比。離子遷移的距離與通電時間成正比。因此,為了得到最好的重復性,在電泳時電流必須保持恒定。當然必須使用直流電。(2)電壓:電壓控制著電流,因此,遷移率與加在支持介質兩端的電位差成正比。這是電壓梯度,一般用伏特/厘米(V/cm)來表示(即,所加的電壓除以支持介質的長度)。可以使用低電壓(100-500 伏),或者高電壓(500-10,000 伏),電壓梯度分別可達 20 和200 伏/厘米。高電壓主要是用于分離小分子的化合物。(3)電阻:遷移率與電阻成反比,電阻由支持介質的類型和大小,以及緩沖液的離子強度所決定。電阻隨支持介質的長度而增加,隨支持介質的寬度和緩沖液離子強度的增加而降低。在電泳時以A2瓦特的比率產生熱,并且電阻隨溫度升高而下降。因此,如果電壓保持不變,那么這種溫度的升高將會引起電流的升高,并且促使了支持介質上溶劑的蒸發。為了盡可能得到可重復的結果,使用經過穩定的電源裝置,盡管由于溫度的波動,不可避免地會引起電阻的改變,但是這種電源能自動地保持電壓或者電流的恒定。用一個密閉的蓋子罩住電泳槽以減少蒸發。在電泳槽中附設一個冷卻系統,在高壓工作時起到外加冷卻的作用。(3)緩沖液緩沖液決定著并穩定著支持介質的 pH,并且通過很多途徑也影響著化合物的遷移率。(1)成分:通常所用的緩沖液是甲酸鹽、乙酸鹽、檸檬酸鹽、巴比妥鹽和磷酸鹽、Tris、EDTA 和吡啶。硼酸緩沖液經常用于碳水化合物的分離,因為它們能和碳水化合物產生帶電的復合物。因為緩沖液是樣品的溶劑,因此,不可避免的會有一定強度的樣品擴散。特別值得注意的是像氨基酸和糖一類的小分子。讓樣品走成很窄的帶,避免過量的加樣;在一個盡可能短的時間內使用高電壓;以及在分離完成后迅速地取出并干燥等都能縮小擴散的適度。(2)濃度:由于緩沖液離子強度的增加,緩沖液所載的分電流也隨之增加,樣品所載的電流則降低,因此而減緩了樣品的遷移率。增加緩沖液的離子強度也增加了總電流,因而增加了熱的產生。在低離子強度時,緩沖液所載的電流下降,樣品所載的電流增加,因此加速了樣品的遷移。低離子強度的緩沖液降低了總電流,結果減少了熱的產生,但是擴散較嚴重,使分辨力明顯的降低。所以,選擇離子強度時必須兩者兼顧,一般離子強度的選擇范圍在 0.02~0.2 之間。離子

強度= 12 ∑ CZ 2,C是離子的克分子濃度,Z是它所帶的電荷。(3)pH:像無機鹽那樣的完全離子化的化合物,pH 的作用不大。但是對于有機化合物,pH 決定了它的電離程度。有機酸的電離隨 pH 的增加而增加,有機堿則相反;因此,它們的遷移程度由 pH 決定。對于像氨基酸一類既有堿性也有酸性的化合物(兩性電解質),兩種作用都有。因此,兩性電介質遷移的方向以及遷移的程度由 pH 決定,根據分離的需要可以使用 pH從 1-11 范圍內的緩沖液。在兩個蓄水槽中的緩沖液一般是相同的,用來飽和支持介質,但是,在凝膠電泳中,緩沖液是支持介質的一部分,因此,在凝膠中經常使用一種與緩沖液槽中不相同的緩沖液。這樣能使電泳得到很好的分辨率。(4)支持介質雖然使用了比較惰性的材料作為支持介質,但是介質的精確結構對一種化合物的遷移率有很多影響,而對介質的選擇取決于所用的樣品類型。(1)吸附:正如吸附層析一樣,這是支持介質對樣品分子的滯留作用。它導致了樣品的拖尾,使樣品的移動像一個彗星,不能形成一條很清晰的帶,因而降低了分離的分辨率。吸附也降低了總的遷移率。紙的吸附最大,但使用醋酸纖維素實際上可以消除這種作用。(2)電滲(電內滲):這種現象是由緩沖液的水分子和支持介質的表面之間所產生的一種相關電荷引起的。由于支持介質中基團的電離作用以及對緩沖液離子的表面吸附作用,通常由水分子產生水合氫離子(H3O+)。由于這些離子是帶正電荷的。因此它們帶著溶解的中性物質移向陰極,加速了陽離子的前進、而阻滯了陰離子的移動。這種作用一般可以忽略不計,但是,如果在測定化合物的等電點時,這種作用必須被考慮,一般通過對一種中性的分子(如脲或葡萄糖)進行電泳,測定它們遷移的程度來決定。醋酸纖維素或聚丙烯酰胺凝膠的電滲作用沒有紙或淀粉膠那么明顯。(3)分子篩:這是凝膠電泳的一個特性。在這種電泳中,半剛性支持介質(凝膠)的分子篩特性有助于蛋白質一類不但在電泳移動率方面有所區別,而且在大小、形狀上也有所不同的大的離子化合物的分離。凝膠是由分布于整個凝膠的自由纏繞的分子鏈組成,這些分子鏈使凝膠成為

一種篩樣的結構。凝膠的孔徑可以在一定的范圍內有所不同,而使之適合于特殊的分析。瓊

脂、淀粉和聚丙烯酰胺凝膠的分子篩原理是,大分子的移動隨凝膠中交聯度的增加,孔徑的

減少,而阻力逐漸增加。如果使用Sephadex型的凝膠,情況正相反,因為它的特性對于小

分子遷移的阻礙作用要比大分子來得大。

(二)紙上電泳和醋酸纖維素薄膜電泳

紙上電泳和醋酸纖維素薄膜電泳就是利用濾紙或醋酸纖維素薄膜作為支持物的電泳技

術。

紙上電泳是在1940年前后和紙上層析一道發展起來的分離分析技術,由于它們都具有

簡便、迅速而且分離效果好等特點,到50年代已成為應用非常普遍的實驗室方法,并在這

基礎上發展了一批類似的使用固相支持物薄膜的分離方法,醋酸纖維素薄膜電泳就是其中發

展較早的一種常用技術。

紙上電泳所需的設備很簡單:一個供給穩壓直流電電源和一個簡單的電泳槽。電泳槽通

常由玻璃或有機玻璃等塑料制成,目前常用的是平臥式的電泳槽。它內部有兩個分隔的緩沖

液槽,分別裝有鉑絲或其它材料的電極。在這兩緩沖液槽中間的上部有支架,供放置(平放)

濾紙用,濾紙兩端分別浸入兩個槽內的緩沖液中。在電泳上部還有蓋,以減少液體蒸發,有

時還裝有適當的冷卻裝置,以減輕電泳對發熱所造成的影響。平臥式電泳槽不僅適用于紙上

電泳,而且也適用于醋酸纖維素薄膜及其它類型薄膜電泳,此外,瓊脂凝膠、淀粉凝膠等平

板凝膠電泳也可以適用。

圖 1-2 用于濾紙或醋酸纖維素薄膜電泳用的電泳槽適用于紙上電泳及醋酸纖維素薄膜電泳的緩沖液種類很多,對于蛋白質電泳多采用巴比妥緩沖液。例如血清蛋白質的電泳常用 pH 8.6 的巴比妥緩沖液,濃度可在 0.05~0.1M 之間選用。濃度較高的緩沖能力較強,可以保證電泳過程中濾紙上緩沖液不因鹽類的電解而姓過

份明顯的影響,但因離子強度較高,電泳的速度較慢,需要的電泳時間較長。反之,濃度較低的緩沖能力較弱,在電泳過程中因 pH 值的變化較大可能影響電泳的效果,但它的離子強度較低,電泳速度較快,需要電泳時間較短,適于進行快速鑒定。紙上電泳及醋酸纖維素薄膜電泳的基本過程包括如下幾個步驟:1、準備-將適當的緩沖液傾入電泳槽中,將濾紙或醋酸纖維素薄膜(經緩沖液濕潤的)用鉛筆在離一端一定距離處作好起點線記號后放在支架上,使濾紙兩端或醋酸纖維素薄膜兩端相連的濾紙橋浸入緩沖液中。將兩電極接連電源(如果是用 pH 8.6 緩沖液分離血清蛋白質,起點線側應接上負極)。2、點樣-用點樣器或毛細管將樣品點在起點線上,通常每個樣品的加樣寬度約 1~2厘米,加樣量約 10 微升(根據樣品濃度不同而異,可通過試驗確定)。3、通電-點樣后加蓋,打開電源的開關,調節電壓(或電流)達到要求的數值。通常電壓可在 1~10 伏/厘米范圍內選擇,電流可在 0.2~2 毫安/厘米(寬)的范圍內選擇。對于紙上電泳應選擇較低的電壓(或電流),而醋酸纖維素薄膜電泳則可選擇較高的電壓或電流,因此紙上電泳的通電時間相應要長一些,而醋酸纖維素薄膜電泳則相應要短一些。加以后者的電滲和吸附能力小,分離效果好,可以用較短的電泳距離(即較短的電泳薄膜條),所以電泳時間可縮短到 0.5~1 小時。4、染色-紙上電泳在染色前要先將濾紙條加熱烘干,而醋酸纖維素薄膜則可直接進行染色,不必事先烘干。染色劑的種類很多,要根據實驗材料及實驗目的來選擇。例如對于蛋白質,常用的染色劑溴酚藍、氨基黑 10B(Amido black 10B)、考馬斯亮藍(Coomassie brilliantBlue)和丙春紅 S(PonceaueS)等,后幾種的靈敏度較高,是醋酸纖維素薄膜電泳常用的顯色劑。染色后通常要用適當漂洗液(例如 5%醋酸)漂洗,經幾次換漂洗液直到背景漂洗清楚為止。5、定量-染色后,用剪刀將各蛋白色帶剪開,另在空白部分剪下一條(寬度相當于幾個色帶的平均寬度)作為空白對照,分別將各條放入有 4ml 1.5%NaOH 液的試管中,輕輕振動到各管中色條的顏色溶入溶液后,以空白對照管作為空白進行比色,即可根據各管光密度值推算出各部分蛋白質的含量百分比。對于醋酸纖維素薄膜電泳,還可以將干的薄膜條浸入新鮮配制透明液(3:7 比例混合的冰醋酸-無水乙醇溶液),經 10~20 分鐘,貼在玻璃板上,干后即成透明薄膜,可直接用光密計讀出各個色帶的顏色深淺,進一步推算各種蛋白質的含量百分比。對于脂蛋白、糖蛋白或核酸等,則可另選用適當的染色方法并進行定量。

(三)瓊脂及瓊脂糖凝膠電泳

瓊脂糖是瓊脂的主要成分,它的水溶液和瓊脂一樣可以制成凝膠,具有多孔網狀結構,

但它已除去含硫酸根的果膠成分,所以不象瓊脂那樣產生相當明顯的電滲現象,電泳的效果

更佳。

瓊脂或瓊脂糖凝膠電泳的基本原理和紙上電泳相同,只不過是固相支持物的材料不同。

這類電泳因凝膠含水量大(98~99%),近似自由電泳,受固相支持物的影響較小,電泳速度

快而且區帶整齊,分辯率高,所以應用得也很為廣泛。

這類凝膠電泳的基本過程和紙上電泳也很相似,只不過是要先配成1~2%溶液澆在玻璃

板上制成凝膠板(瓊脂糖的溶液濃度要低一些,0.5%左右即可制得滿意的凝膠板)。電泳所

需的電流較大,可達到2毫安/厘米(寬)甚至更高些,而電泳時間可以縮短,通常常在1

小時左右即可以達到良好的分離。瓊脂或瓊脂糖凝膠電泳完畢后,凝膠板要先烘干再進行染

色,為了避免在烘干過程中,各蛋白質區帶可能因擴散而變得模糊,要用酒精醋酸固定液處

理再進行烘干。至于染色、漂洗與定量等操作,基本上與紙上電泳或醋酸纖維素薄膜電泳相

似,這里不再作詳細介紹。

瓊脂凝膠電泳和瓊脂糖凝膠電泳的主要區別之一,就是瓊脂凝膠有相當大的電滲作用。

所謂電滲作用(electro-osmosis),如前所述,是指在電場影響下緩沖溶液緩慢地向一極移動

的現象,這種現象的發生,就是由于瓊脂的表面帶有大量負電荷(酸根),而周圍緩沖液中

帶正電荷的陽離子則受電場的影響而向負極移動,這種緩沖液的流動方向正好和蛋白質泳動

的方向相反,使蛋白質的顆粒泳動過程有如“逆水行舟”,表現出來的泳動速度減慢,特別是

對于泳動速度本來就是慢的蛋白質顆粒(如γ-球蛋白),甚至會被緩沖液沖到起點的后面

去,好象這些蛋白質向陰極泳動那樣,而與其它顆粒向陽極移動的表現不同。這種電滲現象

無疑要影響電泳的效果,降低分辯率,所以應用電滲作用弱的瓊脂糖凝膠作支持物,電泳效

果就會比瓊脂凝膠好。

帶正電的液層向負極移動

(四)聚丙烯酰胺凝膠電泳聚丙烯酰胺是丙烯酰胺和 N,N'-甲叉雙丙烯酰胺的高分子聚合物。單體丙烯酰胺(acrylamide 簡稱 Acr)及其交聯劑 N,N'-甲叉雙丙烯酰胺(N,N'-methylene-bis-acrylamide,簡稱 Bis)的結構式是:OAcr:CH2=CH—C—NH2O OBis : CH2=CH — C — NH — CH2 — NH — C — CH=CH2它們的聚合物有多孔的網狀結構,其網孔的大小可因單體及交聯劑的濃度、比例以及聚合的條件的不同而不同,這些網孔對電泳時大分子物質的穿行產生一定阻力,其阻力大小與大分子的大小、形狀有關,所以它具有一定“分子篩”的作用,從而使以它作支持物的電泳的分辨率得到提高。

——CH2-CH-(CH2-CH-)nCH2-CH-(CH2-CH-)nCH2-CH——

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聚丙烯酰胺凝膠和淀粉凝膠一樣都有分子篩的作用,但聚丙烯酰胺凝膠的機械強度及化學穩定性好,可以人工控制網孔的大小以適應不同分離目的的要求。聚丙烯酰胺凝膠電泳常用的方法是將凝膠裝在玻璃管中垂直進行電泳,稱為柱狀電泳,但也可以鋪成凝膠板,平臥或垂直進行電泳,稱為板狀電泳。聚丙烯酰胺凝膠電泳可以和一般電泳那樣采取緩沖液組成、pH 及孔徑大小都均勻的介質這樣的電泳方式稱為“連續系統”(continuous system)的電泳,例如紙上電泳,醋酸纖維素薄膜電泳及瓊脂凝膠電泳等都屬于這類。但聚丙烯酰胺凝膠電泳還可以采用緩沖液組成、pH 和孔徑都不均一的凝膠,這樣的電泳方式稱為“不連續系統”(dicontinuous system)的電泳。它具有非常高的分辨率,在柱狀電泳時每種蛋白質組分的色帶非常狹窄,呈圓盤(disc)狀,所以這類不連續系統柱狀電泳亦稱為盤狀電泳(disc-electro-phoresis),因為 disc 正好就是英文“不連續”這詞的字頭。目前,常用的聚丙烯酰胺凝膠電泳(PAG 電泳)主要就是采用這種盤狀電泳的技術。盤狀電泳所用的凝膠包括:(1)可利用凝膠分子篩效應及顆粒帶有不同數量電荷的效應而達到分離目的凝膠層,稱為分離膠(Separation gel)。這分離膠除了象普通電泳那樣要有適合緩沖液 pH 值(通常為 pH 8~9),而且它的網孔較小以便發揮其分子篩效應來提高分辨率,所以這層凝膠層亦稱為小孔膠(Smallpore gel)。(2)在分離膠前還要有可將樣品中蛋白質壓縮濃集成一扁層的凝膠層,稱為濃縮膠(Stacking gel)。這層凝膠的網孔很大,分子篩效應極微,所以這層膠是大孔膠(Large-pore gel)。濃縮膠可以將樣品壓縮成扁的窄帶,是盤狀泳具有很高分辨率的重要原因,這種濃縮效應和凝膠的組成有密切關系。濃縮膠除了網孔徑與分離膠不同外,它的緩沖液組成及pH值也和分離膠不同,即緩沖液組成、pH和網孔孔徑在這層凝膠中都是不連續的。濃縮膠的緩沖液pH值是偏酸的(pH6.7),而且含有HCl和甘氨酸,HCl幾乎完全電離成Cl-,而甘氨酸因接近等電點而極少電離,這樣在電場作用下,Cl-的泳動最快(先行離子),甘氨酸泳動最慢(隨后離子),而樣品中的蛋白質的泳動速度介于這兩種離子之間。當Cl-快速泳動時,在它的后面形成一個離子濃度低的低電導區,增大電位梯度,從而加速了蛋白質離子與甘氨酸離子的移動速度。就是這樣,蛋白質離子就被這兩種離子夾在中間迅速向前移動,濃縮成為一個薄層,直到遇到網孔小的分離膠為止。通過這種濃縮效應,可以使蛋白質濃縮好幾百倍,集中到厚度僅為 10~100微米的扁平區帶中。在這區帶中,由于各種蛋白質所帶電荷不同,泳動速度不同,所以也是按一定順序排列起來的。當電泳過程繼續進行,到達小孔分離膠界面后,蛋白質的泳動速度減慢,但甘氨酸的分

子量小就可以越過蛋白質而向前移動,而且由于分離膠的 pH 值偏堿,甘氨酸的電離能力增大,泳動速度大大超過蛋白質。所以在分離膠中上述濃縮效應即告消失,而是由電荷效應和分子篩效應進一步將各種蛋白質組分進行分離,完成電泳的分離過程。盤狀電泳的具體操作過程包括如下幾個基本步驟:1、儀器的準備-盤狀電泳所用的電泳槽分為上下兩槽,分別在中央裝有鉑絲電極,上槽底部開有若干安裝凝膠的小孔。凝膠管一般采用內徑 5~7 毫米,長為 8~10 厘米的管徑均勻的玻璃管,兩端用金鋼砂磨平。2、凝膠管的制備-首先將玻璃管下口用玻璃紙或其它材料封住,垂直固定在架上。然后按選擇好的配方制備凝膠。制備凝膠除需要一定濃度的單體和交聯劑外,還需要加入少量催化劑與加速劑。常用催化劑有兩種:(1)過硫酸銨,它能氧化單體生成游離基而促進聚合,這催化反應要在堿性及無氧條件下才易進行,所以要先將溶液減壓除氣再混合制膠;(2)核黃素,它在光線照射下可產生游離基,促進聚合反應的進行。常用的加速劑是 N,N,N',N'四甲基乙二胺(N,N,N',N'-tetramethyl ethylene diamine,簡寫為 TEMED),也可以用β-二甲基丙腈(β-dimethylamino-propionitile,簡稱 DMPN)或三乙醇胺代替。制備凝膠柱時,首先將制分離膠的溶液除氣混合好,迅速用滴管小心移入前面準備好的凝膠柱玻璃管內,再復以約 0.5 厘米的蒸餾水層(隔絕空氣并使膠面平整),靜置半~小時使聚合成凝膠。將蒸餾水吸棄后,再按同樣方法再在分離膠上注入濃縮膠液(約 1 厘米高的液柱,根據加樣的容量大小而適當增減注入量),上面再復以蒸餾水層。然后 在日光燈下照射(濃縮膠通常用核黃素作催化劑)使凝膠聚合,凝膠柱即告制成,可用橡皮墊(或橡皮塞)將柱安裝在上層電泳槽的底部小孔上,并使柱頂剛露出橡皮墊上。然后將凝膠柱插入盛有緩沖液的下電泳槽內。3、加樣-為了避免被緩沖液沖散,樣品通常要用濃縮膠液(以樣品液代替其中的蔗糖液)混合,按制備濃縮膠方式在濃縮膠層上面再鋪制樣品膠。也可以用分離膠的緩沖液和蔗糖將樣品適當稀釋和制成濃蔗糖液,這樣加到濃縮膠面上也可以有效地防止樣品的沖散。通常每根凝膠柱加樣量為 10~100 微克蛋白質,而且要求加樣液的離子強度要低,最好要和濃縮膠有相同的緩沖組成,pH 和離子強度,否則不能很好地發揮其濃縮效應,使分離的區帶模糊和松散,得不到良好的分離效果。4、通電-加樣后將電極槽緩沖液小心放在樣品層上(也可以放緩沖液,然后用長注射器針小心將樣品蔗糖注入緩沖液下面的凝膠面上),并在上電泳槽中傾入適量電極槽緩沖液,使液體足以和蓋上的鉑絲電極接觸。為了便于觀察,還要向上槽緩沖液中加入少量溴酚藍作

盤狀電泳不但分辨率高,而且靈敏度高,只要有蛋白質 1 微克甚至更少些即足以得到清晰可辨的一個染色帶,因此它已成為目前生物大分子研究的重要方法之一。


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