विद्युत् संचारण

विद्युत् संचारण : विद्युत् क्षेत्राच्या प्रभावाखाली असलेल्या द्रवातील (किंवा वायूतील) विद्युत् भारित कणांच्या होणाऱ्या हालचालीस किंवा स्थानांतरणास विद्युत् संचारण म्हणतात. याच प्रक्रियेला विद्युत् कण संचलन (कॅटॅफोरेसिस) असेही म्हणतात. जर सच्छिद्र पटलाद्वारे स्थिर केलेल्या कलिली [⟶ कलिल] कणांऐवजी द्रवाची अशा रीतीने हालचाल झाली, तर त्या आविष्काराला ⇨विद्युत् तर्षण म्हणतात. विद्युत् संचारणामध्ये विद्युत् भार असलेले निलंबित (लोंबकळत्या) अवस्थेतील कलिली कण किंवा मोठे रेणू (उदा., प्रथिन) विद्युत् प्रवाहाच्या प्रभावाखाली स्थानांतरण करतात व त्यांच्या स्थानांतरणाची दिशा व गती त्यांच्या पृष्ठभागावरील निव्वळ विद्युत् भारावर म्हणजे त्यांच्या स्वरूपावर अवलंबून असते. विद्युत् संचारण मुख्यत्वे मिश्रणांचे विश्लेषण व विलगीकरण करण्यासाठी वापरतात. उदा., प्रथिने किंवा डीएनए (डीऑक्सिरिबोन्यूक्लिइक अम्ल) यांच्यासारखे मोठे जैव त्यांच्यासारख्या अन्य रेणूपासून अलग व परिकृत करण्यासाठी ही प्रक्रिया वापरतात. असे परिष्कृत (शुद्ध रूपातील) रेणू रासायनिक व वैद्यकीय उपयोगांसाठी वापरले जातात. इलेक्ट्रॉन नलिकांतील मूलद्रव्यांचे लेपन करण्यासाठी विद्युत् संचारणाचा  उपयोग होतो.

रशियन भौतिकीविद एफ्. एफ्. रॉइस यांनी १८०७ साली या आविष्काराचे निरीक्षण केले. १९३७ साली स्वीडिश रसायनशास्त्रज्ञ ⇨आर्ने व्हिल्हेल्म काउरिन टिसेलियस यांनी एक उपकरण (घट) तयार केले. त्यानंतर विश्लेषण तंत्र म्हणून विद्युत् संचारणाचा उपयोग होऊ लागला. त्यांनी या आविष्काराच्या निरिक्षणाची ‘चलित सीमा पद्धत’ही तयार केली (या पद्धतीची माहिती पुढे आली आहे). 

सामान्यपणे पाण्यामध्ये विसरीत होणाऱ्या (विखुरणाऱ्या) कलिलीय कणांच्या मोठ्या आयनांकरिता विद्युत् संचारण ही संज्ञा वापरतात. निलंबित अवस्थेतील कण असलेल्या पाण्यामध्ये किंवा विद्रावात दोन विद्युत् अग्रे ठेवल्यास विद्युत् भारित कण विरूद्ध विद्युत् ध्रुवता (विद्युतीय स्थिती) असलेल्या विद्युत् अग्राकडे जातात. हा परिणाम कणांच्या पृष्ठभागावर असलेल्या विद्युत् द्विस्तरामुळे आढळतो. उदा., पाण्यामध्ये फेरिक हायड्रॉक्साइड [Fe(OH)₃]निलंबित केल्यास विद्रावामधील काही फेरिक आयन (Fe³⁺ आयन म्हणजे विद्युत् भारित अणू, रेणू किंवा अणुगट) कणाकडे आकर्षिले जाऊन आतील स्तर तयार होतो आणि कणांवरचा बाहेरील स्थर हायड्रॉक्सिल आयनांचा (OH-)बनतो. विद्युत् क्षेत्रामुळे लोह (फेरिक) आयनांचे आच्छादन असलेल्या कणावर निव्वळ प्रेरणा लागू होते. आणि कण ऋण अग्राकडे आकर्षिल जातो.  कण ऋण अग्राकडे जात असताना सैल असलेले हायड्रॉक्सिल आयन कणाच्या पृष्ठभागावरून घसरतात.

प्रत्येक सेंटिमीटरला एक व्होल्ट इतक्या दाबाचा विद्युत् प्रवाह कलिलामध्ये सोडला असता दर सेकंदास सेंमी.मध्ये मोजलेल्या कणांच्या गतीस विद्युत् संचारणी गतिशीलता असे म्हणतात. ही गति शीलता कणावरील विद्युत् भाराच्या परिमाणाशी (मात्रेशी) समप्रमाणात आणि कणाच्या आखारमानाशी वस्त प्रमाणात असते. वैश्लेषिक प्रयोगांमध्ये कणांच्या गतिशिलतेचे परिणाम मोजणे आणि कृतिशील प्रयोगामध्ये गतिशीलतेनुसार विविध कण अलग करणे, हे उद्दिष्ट असते.

चलित सीमा विद्युत् संचारण पद्धत: या पद्धतीमध्ये परिक्षण करावयाचा विद्राव काचेच्या यू (U)आकाराच्या नलिकेमध्ये ठेवून त्यावर ⇨उभयप्रतिरोधी विद्राव भरतात. उभयप्रतिरोधी विद्राव कमी दाट असल्यामुळे वर तरंगत राहतो. दोन्ही विद्रावांमधील सुस्पष्ट दृश्य सीमेचे प्रकाशीय उपकरणांनी निरीक्षण करतात. विद्रावामध्ये विद्युत् प्रवाह सोडला असता ऋण विद्युत्  भारित रेणू धनाग्राकडे व धन विद्युत् भारित रेणू ऋणाग्राकडे जातात. त्यामुळे यू आकाराच्या नलिकेतील एका बाहूमधील द्रवाची पातळी (उंची) वाढते व दुसऱ्यामधील कमी होते. विविध प्रकारचे रेणू वेगवेगळ्या गतींनी व दिशांना स्थानांतरण करतात. या गोष्टी रेणूंचे आकार, आकारमान व विद्युत् भार यांवर अवलंबून असतात. जर विद्राव मिश्ररूपात असेल, तर प्रत्येक प्रकारचा रेणू आपली सीमा तयार करतो. या सीमांनी तयार झालेला आकृतिबंध (पट्ट) मिश्रणाचे संघटन दर्शवितो. विद्राव शुद्ध असल्यास नवीन सीमा तयार होत नाहीत. ही विद्रावाच्या शुद्धतेची उत्कृष्ट कसोटी आहे.

विशिष्ट दाबाच्या विद्युत् प्रवाहाने निर्माण होणाऱ्या हालचालींच्या वेगांची नोंद करतात. त्यावरून कलिलीय पदार्थाची विद्युत् संचारणी गतिशीलता काढता येते किंवा पदार्थाची गतिशीलता माहीत असेल, तर त्या पदार्थाचे कलिलामधील अस्तित्व ओळखता येते. टिसेलियस यांनी आपले उपकरण वापरून रक्तदाबाचे [रक्तातून –पेशीं−काढून टाकल्यावर उरणाऱ्या द्रवाचे ⟶ रक्त] विषभांग स्वरूप ओळखले. त्यांनी ग्लोब्युलीन रेणूंचे आळ्फा, बीटा व गॅमा ग्लोब्युलीन या वर्गांत विभाजन केले.

चलित सीमा विद्युत् संचारण पद्धतीने नोसर्गिक मिश्रणातील घटक पदार्थ एकमेकांपासून वेगळे करता येतात. एकामागून एक जाणाऱ्या सीमांच्या स्वरूपात असलेले घटक पदार्थ घटाच्या दोन्ही भागांची योग्य तेवढी सापेक्ष हालचाल आणून वेगळे करता येतात. घटाची अशी हालचाल अत्यंत काळजीपूर्वक घडवून आणावी लागते.  

 क्षेत्र विद्युत् संचारण: चलित सीमा पद्धतीत एकापुढे एक जाणाऱ्या सीमा बहुधा परस्परव्यापी असल्याने त्यांच्या गतीचा अभ्यास करताना प्रकाशीय उपकरणाचे समायोजन (जुळवणी) करणे महत्त्वाचे असते. तसेच चलित सीमा पद्धतीत वापरलेली उपकरणे महाग असल्याने आणि परीक्षणासाठी लागणारा मूळ कलिलीय पदार्थ जास्त प्रमाणात लागत असल्याने ही पद्धती व्यापारी क्षेत्रात वापरणे सोईस्कर नसते. ह्यामुळे क्षेत्र विद्युत् संचारण पद्धती अधिक सोईस्कर झाली आहे. ह्या पद्धतीत कलिलीय पदार्थ एकामागोमाग एक जाणाऱ्या सीमांऐवजी  निरनिराळ्या स्वतंत्र क्षेत्राच्या स्वरूपात अभ्यासता येतो. ह्यामध्ये परिक्षण करावयाचा पदार्थ सच्छिद्र आधारावर घेतात. हा आधार गालनपत्राची पट्टी, सेल्युलोज ॲसिटेटाचे पृष्ठ, स्टार्च किंवा पॉलिॲक्रिलअमाइड अशा प्रकारचा जेल [फळांच्या जेलीसारख्या थलथलीत, थोडाफार लवचिक व घन पदार्थाप्रमाणे स्वतःचा आकार असणारी कलिल विद्रावाची अवस्था ⟶ जेल] असतो. विलगीकरण करावयाचे मिश्रण कागदावर किंवा जेलवर एक लहानसा ठिपका (थेंब), रेषा किंवा पातळसा थर या स्वरूपात ठेवतात.

गालनपत्र विद्युत् संचारण: ही पद्धती ब्रहुशः पदार्थाच्या अधिशोषणाच्या (पृष्ठभागावरील शोषणाच्या) गुणधर्मावर आधारलेल्या वर्णलेखन विश्लेषण पद्धतीप्रमाणे  असते [⟶ वर्णलेखन]. उलटया व्ही (_^) या आकाराचे गालनपत्र माध्यमामध्ये बुडवून त्यावर कलिलीय पदार्थाचा थेंब हलकेच टाकतात. नंतर त्याची दोन्ही टोके विद्रावाचे माध्यम भरलेल्या एका पात्रात बुडवून त्यामधून विद्युत् प्रवाह सोडतात. पदार्थाच्या थेंबाची होणारी हालचाल नंतर सूक्ष्मदर्शी छायाचित्रण तंत्राने पाहतात. ह्या पद्धतीत वापरण्यात येणाऱ्या अर्ध-घन पदार्थामुळे उष्णतेने होणारे संनयनासारखे परिणाम कमी होतात. कधीकधी कलिलामध्ये रंग टाकून पदार्थाचे कण रंगीत करतात. यामुळे कणांची हालचाल सुस्पष्ट दिसते. कित्येक सहस्त्र विद्युत् दाबाचा प्रवाह वापरून पेप्टाइडांसारख्या पदार्थाचे विश्लेषण करता येते. अत्यंत सुटसुटीत उपकरणे, कमी खर्च तीच उपकरणे कमी वेळात पुन्हा वापरण्याची सोय व थोड्या प्रमाणात घेतलेल्या पदार्थाचे जास्तीत जास्त विश्लेषण या सोयी या पद्धतीत असतात. ही पद्धत रक्तरसातील(रक्त गोठल्यानंतर अलग होणाऱ्या पेशीविरहीत द्रवातील) प्रथिनांचे वितरण पाहण्यासाठी बहुतेक प्रयोगशाळांत वापरतात.  

जेल विद्युत् संचारण: ही पद्धत गालनपत्र विद्युत् संचारणासारखीच असते परंतु हिच्यामध्ये जास्तीत जास्त वितरण होते. जेल द्रव्य ऊष्मीय  संनयनास विरोध करते. त्यामुळे विविध घटकांचे मिश्रण होण्याचे प्रमाण कमी होते. जेलच्या रेणवीय शृंखलांमध्ये रासायनिक दुवे निर्माण होऊन बनलेल्या जालकातील छिद्राच्या आकारमानामुळे ते रेणवीय चाळणीप्रमाणे कार्य करते. त्यामुळे भिन्न आकारमानांच्या रेणूंच्या विद्युत् संचारणी विलगीकरणाची क्षमता वाढते. चलित्र सीमा विद्युत् संचारण पद्धतीने रक्तरसातील ५ते ६ भिन्न घटक ओळखता येतात. तर ह्या पद्धतीने जवळजवळ २० लहान-मोठे  घटक वेगळे ओळखता येतात. 

पुरेशा प्रमाणात प्रक्षालक असलेल्या जेल माध्यमातील प्रथिने रेणूंचे रेणुभार ह्या पद्धतीने काढता येतात. प्रक्षालकामुळे प्रथिन रेणू विकृत (संरचनेतील बदलाने मूळ गुणधर्मांत बदल झालेला असा) होतो. त्यामुळे गोलाकार घट्ट संरचना असलेल्या प्रथिन रेणूचे रूपांतर प्रक्षालकाचे आवरण असलेल्या लांब नम्य बहुवारिकामध्ये होते. (साध्या रेणूंचा संयोग होऊन बनलेल्या मोठ्या रेणूला बहुवारिक म्हणतात). ही बहुवारिके विद्युत् क्षेत्र लावले असता जेल माध्यमातून ज्या वेगाने जातात तो वेग बहुवारिकाच्या लांबीवरून म्हणजे पर्यायाने प्रथिन एककाच्या रेणुभारावरून निश्चित होतो. यावरून प्रथिन रेणूचा रेणुभार निश्चित करतात. जीवरसायनशास्त्रात ही पद्धत प्रथिनांचे रेणूभार निश्चित करण्यासाठी सर्वाधिक सामान्य तंत्र म्हणून वापरली जाते. 

नैसर्गिक मिश्रणातील घटक पदार्थ एकमेकांपासून वेगळे करण्यासाठी पदार्थाचे क्षेंत्र स्टार्च किंवा लॅटेक्स स्पंज यांमध्ये तयार करतात. विद्युत् संचारणानंतर निर्माण झालेली घटक-क्षेत्रे स्पंजाचे तुकडे करून वेगळी करतात.  

समविद्युतीय केंद्रीकरण: हे विद्युत् संचारण तंत्राचे एक महत्त्वपूर्ण परिवर्तित रूप आहे. या तंत्रात माध्यम म्हणून वापरलेल्या पृष्ठावर पीएच मूल्यांची [⟶ पीएच मूल्य] एक क्रमिकता असून या क्रमिकतेत ज्याचा अभ्यास करावयाचा त्या द्रव्याच्या समविद्युतीय पीएच मूल्याचा अंतर्भाव असतो. पुष्कळ विद्युत् भारित बृहद् रेणूंच्या पृष्ठभागी घन व ऋण असे दोन्ही विद्युत् भार असतात. त्यांची विद्युत् संचारणी गतिशीलता ही एकूण जादा असणाऱ्या (म्हणजे निव्वळ) एका वा दुसऱ्या विद्युत् भाराशी निगडीत असते. पीएच मूल्य अधिक अम्लीय असल्यास धन विद्युत् भारांची संख्या आणि पीएच मूल्य अधिक क्षारीय असल्यास ऋण विद्युत्  भारांची संख्या जास्त असते. अशा प्रकारच्या प्रत्येक रेणूच्या बाबतीत त्यांच्या पृष्ठभागी असलेला निव्वळ विद्युत् भार शून्य असणारे एक पीएच मूल्य असते. या पीएच मूल्याला समविद्युतीय पीएच मूल्य म्हणतात. या पीएच मूल्याला असणारा रेणू विद्युत् क्षेत्र लावले असता हलत नाही व अशा तऱ्हेने त्याची विद्युत् संचारणी गतिशीलता शून्य असते. ज्या क्रमिकतेत एखाद्या रेणूचे असे समविद्युतीय पीएच मूल्य आहे. त्या क्रमिकतेत या रेणूचा अंतर्भाव केल्यास तो त्याच्या समविद्युतीय पीएच मूल्याच्या स्थानापर्यंत जाईल व स्थिर होईल अशा प्रकारे एका विशिष्ट समविद्युतीय पीएच मूल्याचे सर्व रेणू त्याच एका क्षेत्रात एकटवले जातील (यावरून तंत्रास हे नाव पडले आहे). ज्यांच्या रासायनिक घटकांत किंचित फरक आहे, अशा प्रथिनांच्या किंवा इतर रेणूंच्या सूक्ष्म विषमांगतेचे विश्लेषण करण्याच्या दृष्टीने हे तंत्र विशेषकरून उपयुक्त आहे.  

समवेग संचारण: या आविष्कारात विद्युत् भारित रेणू विद्युत् भार लावलेला असताना समान वेगाने हलतात. जेव्हा भिन्न विद्युत् संचारणी गतिशीलता असणारे कण हे विद्रावात सीमा निर्माण करतात, तेव्हा हलत्या नमुन्याच्या अग्रसीमेवर सर्वांत गतिशील आयन असतात व या  सीमेच्या मागे कमी गतिशील आयन त्यांच्या घटत्या गतिशीलतेनुसार असतात. भिन्न गतिशीलता असणारे आयन एकाच वेगाने हलू शकतात. कारण नमुन्यातून एक स्थिर प्रवाह टिकून राहण्यासाठी वरीलपैकी प्रत्येक क्षेत्रातील विद्युत् क्षेत्र हे आयनाच्या गतिशीलतेच्या व्यस्त प्रमाणात असावे लागते. उच्च विभेदनक्षमता, संवेदनशीलतावेग व विश्लेषण करावयाच्या घटकांचे प्रमाण वाढविण्याची (विरल करण्याची नव्हे) क्षमता या गोष्टीमुळे या तंत्राचा विश्लेषणात व अन्य ठिकाणी चांगला उपयोग होतो. 

कण विद्युत् संचारण : विश्लेषण करावयाचे कण हे नुसत्या डोळ्यांनी अथवा प्रकाशकीय सूक्ष्मदर्शकाने दिसण्याएवढे मोठे असल्यास विद्युत् संचारणाच्या पद्धतिशास्त्रात (तंत्रात) पुष्कळच सुधारणा करता येत्ऊ शकतात. सजीव पेंशीच्या पृष्ठभागावरील विद्युत् भाराचे विश्लेषण आणि औद्योगिक लेपन प्रक्रियेत वापरण्यात येणाऱ्या विविध प्रकारच्या कणांचा अभ्यास कण यांमध्ये कण विद्युत् संचारण तंत्राचा सर्वांत चांगला उपयोग होतो. यातील सर्वांत सरळ तंत्राला सूक्ष्मविद्युत् संचारण म्हणतात. या तंत्रात विद्रावातील आयन किंवा इतर विद्युत् भारित कणांच्या विरूद्ध विद्युत् भार असलेल्या विद्युत् अग्रांकडे होणारे स्थानांतरण थेट सूक्ष्मदर्शकाने पाहतात व ठराविक अंतर जाण्यास कणाला लागणारा वेळ मोजून त्याचा वेग काढतात. ही पद्धती वेळखाऊ व किचकट आहे. मात्र या तंत्राचे अनेक महत्त्वपूर्ण उपयोग आहेत. गतीमान छायाचित्रण, दूरचित्रवाणी तंत्र वापर करून हे तंत्र आधुनिक करण्याचे प्रयत्न करण्यात आले आहेत. मुळात लहान बृहद् रेणूंसाठी विकसित केलेल्या तंत्रांमधील अनेक परिस्थितीमंध्ये हे तंत्रही वापरता येते. घनतेची किंवा पीएच मूल्याची क्रमिकता, तसेच समविद्युत् केंद्रीकरण व समवेग संचारण पद्धती नुसत्या डोळ्यांनी पाहता येऊ शकणाऱ्या मोठ्या कमांसाठीही सर्वसाधारणपणे वापरता येतात.  

कण विद्युत् संचारण पद्धतीत येणारा सर्वसामान्य अडथळा म्हणजे पृथ्वीच्या गुरूत्वाने होणारे कणांचे अवसादन (खाली बसण्याची क्रिया) हा होय. प्रयोग समान घनतेच्या माध्यमात करणे, विद्युत् संचारण उभ्या दिशेत करणे, त्याबरोबरच अवसादनाचा परिणाम विचारात घेणे अथवा अवसादनाची मात्रा दुर्लक्ष करण्याइतकी असेल एवढ्या अल्पकाळात प्रयोग करणे हे या अडचणीवरील उपाय आहेत.  

 लेसरचा उपयोग: विद्युत् संचारणी अभिज्ञानासाठी (आविष्कार ओळखण्यासाठी) प्रकाशकीय लेसर [⟶ लेसर] वापरण्यात आला. त्यामुळे सर्व आकारमानांच्या कणांवर वैश्लेषिक विद्युत् संचारणविषयक प्रयोग करू शकणारे विकसित झाले. उच्च एकवर्णी (एकच कंप्रता असलेला)  लेसर प्रकाश कमांवर जोराने आदळतो व तो कणांवरून सर्व दिशांना विखुरला जातो, हे या तंत्रामागील मूलभूत तत्त्व आहे. हलणाऱ्या कणावरून विखुरलेल्या प्रकाशाचे निरीक्षण केले असता. कणाच्या गतीमुळे प्रकाशाच्या कंप्रतेत किंचित च्युती (बदल) झाल्याचे ओळखता येते. यालाच ⇨डॉप्लर परिणाम म्हणतात. विद्युत् संचारण प्रयोगात हे लेसर डॉप्लर तत्त्व वापरणे ही विद्युत् संचारणी वेग जलदपणे ठरविण्यासाठी वापरली महत्त्वाची पद्धत आहे. लेसरच्या अशा वापराला विद्युत् संचारणी प्रकाश प्रकीर्णन असे म्हणतात. या तंत्राने पुष्कळ कण असलेल्या नमुन्याचे विद्युत् संचारणी गतिशीलतेचे संपूर्ण वितरण एका संकंदात ठरविता येते आणि या आधीच्या कोणत्याही प्रमाणभूत तंत्राने एवढी अचूकता साधता येत नाही.

रक्तर्बुद (रक्ताच्या कर्करोगाच्या) कोशिकांची कोशिकांची वैशिष्ट्ये निदर्शित करण्याच्या कामी विद्युत् संचारणी प्रकाश प्रकीर्णनाचा होणारा उपयोग महत्त्वाचा आहे. याच रीतीने अलग केलेल्या प्राकृत (सामान्य) लसीका कोशिका  [⟶ लसीका तंत्र] व रक्तार्बुद कोशिका यांच्या विद्युत् संचारणी गतिशीलता व वितरण ही अगदी भिन्न असतात  [आ. २ (अ)]. मिश्रणातील रक्तार्बुद व पाकृत कोशिकांचे अभिज्ञान एकाच वेळी होते. हे आ. २ (आ) वरून दिसून येईल. याकरिता डॉप्लर परिणामाने ओळखण्यात आलेल्या त्या कोशिकांच्या विद्युत् संचारणी गतिशीलतांचाच आधार घेण्यात येतो.

 विद्युत् संचारणी प्रकाश प्रकीर्णनाचा उपयोग अनेक प्रकारच्या सजीव कोशिका, कोशिकांगे, व्हायरस, सूक्ष्मजंतू, प्रथिने, कार्बनी वा न्यूक्लिइक अम्ले आणि बहुवारिके यांच्या अभ्यासाकरिता होतो. विविध आजारांमध्ये  प्रथिनांच्या प्रमाणामध्ये  मोठे बदल होतात. तेव्हा रक्तातील प्रथिनांचे विश्लेषण करून रोगनिदानाकरिता या तंत्राचा उपयोग होतो. यामुळे कावीळ, ⇨यकृत -सूत्रण रोग इ. रोगांचे निदान शक्य झाले आहे. जटिल धातवीय आयनांच्या मिश्रणाचे विश्लेषण करण्यासाठीही याचा उपयोग होतो.

पहा:वर्णलेखन विद्युत्  रसायनशास्त्र. 

संदर्भ:1. Deyl, Z. and Others, Electrophoresis, 1980.

         2. Deyl, Z. Crambach, A., Eds., Electroporesis, 1983.

कुलकर्णी, श्री. रा. सुर्यवंशी, वि. ल.

“