Die mizellare elektrokinetische Chromatographie (MEKC) ist ein von Shigeru Terabe im Jahr 1984 eingeführter Modus der Kapillarelektrophorese (CE), der die Trennfähigkeiten der CE auf neutrale Analyten erweitert. Bei der MEKC lagern sich Tensidmoleküle, die dem Laufpuffer in Konzentrationen oberhalb der kritischen Mizellbildungskonzentration (CMC) zugesetzt werden, zu Mizellen zusammen, die als pseudostationäre Phase fungieren. Die Analyttrennung beruht auf der unterschiedlichen Verteilung der gelösten Stoffe zwischen dem wässrigen Puffer (mobilen Phase) und dem hydrophoben Inneren der Mizellen (pseudostationären Phase), kombiniert mit der unterschiedlichen Migration der geladenen Mizellen im angelegten elektrischen Feld. Die MEKC überbrückt die Lücke zwischen der klassischen Elektrophorese, die geladene Analyten erfordert, und der Chromatographie, die auf differentieller Verteilung zwischen Phasen beruht.

Das Prinzip der mizellaren Solubilisierung und Verteilung

Tenside sind amphiphile Moleküle, die sowohl eine hydrophile Kopfgruppe als auch einen hydrophoben Schwanz enthalten. In wässriger Lösung oberhalb der CMC aggregieren Tensidmonomere zu Mizellen, wobei die hydrophoben Schwänze zum Inneren und die hydrophilen Köpfe zum wässrigen Puffer hin orientiert sind. Bei Natriumdodecylsulfat (SDS), dem gebräuchlichsten Tensid in der MEKC, beträgt die CMC etwa 8 mM in Wasser, und jede Mizelle enthält etwa 60 bis 70 Monomere. Neutrale Analyten verteilen sich basierend auf ihrer Hydrophobizität zwischen der wässrigen Phase und der mizellaren Pseudophase: hydrophobe gelöste Stoffe werden stärker von den Mizellen zurückgehalten und migrieren mit der gleichen Geschwindigkeit wie die Mizellen, während hydrophile gelöste Stoffe mehr Zeit in der wässrigen Phase verbringen und mit dem elektroosmotischen Fluss migrieren. Geladene Analyten erfahren eine zusätzliche elektrophoretische Mobilitätskomponente, die ihr Gesamtmigrationsverhalten beeinflusst.

Die pseudostationäre Phase

Die pseudostationäre Phase in der MEKC ist nicht physikalisch fixiert, sondern bewegt sich mit einer Geschwindigkeit, die durch die elektrophoretische Mobilität der Mizellen und den elektroosmotischen Fluss (EOF) bestimmt wird. Anionische Tenside wie SDS migrieren zur Anode, aber unter typischen CE-Bedingungen ist der EOF zur Kathode hin stärker, wodurch die Mizellen in die gleiche Richtung wie der Bulk-Fluss, jedoch mit reduzierter Geschwindigkeit, migrieren. Dadurch entsteht ein Migrationsfenster zwischen dem schnellsten Analyten (der nicht mit Mizellen interagiert und mit dem EOF migriert) und dem langsamsten Analyten (der vollständig von den Mizellen zurückgehalten wird). Alle neutralen Analyten eluieren innerhalb dieses Fensters, das als Elutionsbereich bezeichnet wird. Die Breite des Elutionsbereichs wird durch das Migrationszeitverhältnis der Mizellen zum EOF bestimmt und ist ein kritischer Parameter, der die Auflösung beeinflusst. Andere Tenside als SDS, darunter kationische Tenside wie Cetyltrimethylammoniumbromid (CTAB), nichtionische Tenside wie Brij-35 und Gallensalze wie Natriumcholat, können verwendet werden, um die Selektivität für spezifische Anwendungen zu verändern.

Auflösung und Effizienz in der MEKC

Die Auflösung in der MEKC wird durch drei Faktoren bestimmt: Trenneffizienz (Trennstufenzahl), Selektivität (der relative Unterschied der Retentionsfaktoren zwischen zwei Analyten) und die Breite des Elutionsbereichs. Die Trennstufenzahl in der MEKC ist ähnlich wie in der CZE und liegt typischerweise zwischen 100.000 und 300.000 Böden pro Meter, da das pfropfenartige Fließprofil des EOF die Bandenverbreiterung minimiert. Die Selektivität wird durch Änderung der Art und Konzentration des Tensids, Zugabe organischer Modifikatoren wie Methanol oder Acetonitril zum Puffer oder Einarbeitung von Cyclodextrinen, Harnstoff oder Ionenpaarreagenzien in das Trennmedium manipuliert. Der Elutionsbereich wird vergrößert, wenn sich die mizellare Migrationsgeschwindigkeit signifikant von der EOF-Geschwindigkeit unterscheidet, was durch Anpassung des Puffer-pH-Werts, der Ionenstärke oder der Kapillarwandchemie erreicht werden kann. Die Optimierung der Auflösung in der MEKC beinhaltet die Abwägung dieser Parameter, um eine ausreichende Trennung aller Zielanalyten innerhalb einer angemessenen Analysezeit zu erreichen.

Betriebsparameter und Methodenentwicklung

Die Wahl der Tensidart und -konzentration ist die primäre Variable bei der MEKC-Methodenentwicklung. SDS in Konzentrationen von 20 bis 100 mM ist der Standardausgangspunkt aufgrund seiner geringen Kosten, niedrigen UV-Absorption und seines gut charakterisierten Verhaltens. Der Puffer-pH-Wert steuert sowohl den EOF als auch den Ionisationszustand saurer oder basischer Analyten, wobei pH 7 bis 9 der häufigste Bereich für SDS-basierte Trennungen ist. Organische Lösungsmittel wie Methanol, Acetonitril und 2-Propanol werden zu 5 bis 30 % zugesetzt, um die Retention stark hydrophober Analyten zu verringern und die Selektivität zu verändern. Die Temperaturkontrolle ist essenziell, da die CMC, die Mizellengröße und die Pufferviskosität alle temperaturabhängig sind. Die Spannung wird typischerweise zwischen 15 und 30 kV eingestellt, wobei höhere Spannungen schnellere Trennungen, aber erhöhte Joulesche Erwärmung bewirken. Die Probeninjektion erfolgt hydrodynamisch, um die durch elektrokinetische Injektion in Gegenwart von Mizellen verursachte Verzerrung zu vermeiden.

Anwendungen der MEKC

Die MEKC wird in der pharmazeutischen Analyse häufig zur Bestimmung der Reinheit, Gehaltsgleichförmigkeit und Stabilität von Wirkstoffen eingesetzt, insbesondere für neutrale oder schwach ionisierte Arzneistoffe, die mit CZE schwer zu trennen sind. In der Lebensmittel- und Getränkeindustrie wird MEKC zur Analyse von Konservierungsstoffen, Antioxidantien, Süßungsmitteln und Koffein in komplexen Matrices verwendet. Zu den Umweltanwendungen gehören die Bestimmung von polyzyklischen aromatischen Kohlenwasserstoffen (PAK), Pestiziden und Phenolen in Wasser- und Bodenproben. In der klinischen und biomedizinischen Analyse wurde MEKC zur Quantifizierung von Steroiden, Gallensäuren, Porphyrinen und Vitaminen in biologischen Flüssigkeiten eingesetzt. Die Technik wird auch bei der Analyse von Naturstoffen eingesetzt, darunter Flavonoide, Alkaloide und Cumarine in Pflanzenextrakten. Die Kombination von MEKC mit Massenspektrometrie-Detektion (MEKC-MS) über Elektrospray-Ionisation erweitert ihre Anwendbarkeit auf die Identifizierung und Strukturcharakterisierung unbekannter Verbindungen, erfordert jedoch die Verwendung flüchtiger Tenside und mit der MS kompatibler Puffer.