Ce sont les trois aspects d’un même phénomène : le déplacement relatif de deux phases, liquide et solide, sous l’action d’un champ électrique. L’électrophorèse est le déplacement de particules colloïdales chargées électriquement par rapport au liquide ; l’électro-osmose, celui d’un liquide par rapport à une paroi fixe ; l’électrodialyse, celui d’ions traversant une membrane.

Électrophorèse

Si dans un tube en U (fig. 1), dans chaque branche duquel plonge une électrode et contenant une suspension de particules, on fait passer un courant continu, on constate que les particules accusent en général un déplacement vers l’anode (anaphorèse) et plus rarement vers la cathode (cataphorèse). Le mouvement des particules est déterminé par le signe des ions fixés à leur surface soit par adsorption, soit par réaction chimique.

Helmholtz* a calculé la vitesse de déplacement électrophorétique des particules en supposant qu’elles sont entourées d’une véritable couche double électrique dont les deux feuillets, écartés d’une distance de l’ordre des dimensions atomiques, portent des ions de charges de signes contraires. Elle est égale à

formule dans laquelle V est la vitesse de la particule en centimètres par seconde, ξ le potentiel électrocinétique en volts (différence de potentiel existant entre la particule et le liquide), D la constante diélectrique du liquide, η sa viscosité en poises et X la différence de potentiel appliquée.

L’intérêt de l’électrophorèse est dû au fait que la masse des particules déplacées est plusieurs milliers de fois supérieure à celle des ions porteurs des charges électriques. Il en résulte un rendement de l’opération supérieur à celui de l’électrolyse.

Employée d’abord pour le dépôt de particules de caoutchouc du latex sur un subjectile, de suspensions de résines, de laques, de substances isolantes, de particules de matière céramique, l’électrophorèse a aujourd’hui deux applications essentielles : le dépôt de particules d’aluminium sur des tôles métalliques (procédé Elphal) et surtout le dépôt électrophorétique des peintures dans l’industrie automobile.

Électro-osmose

Si une différence de potentiel est appliquée de part et d’autre d’un diaphragme poreux placé dans un tube plein d’eau (fig. 2), le niveau de l’eau sur l’un des côtés du tube s’élève à une certaine hauteur. Si ce tube est recourbé pour permettre l’écoulement, l’eau s’écoule continuellement. La quantité d’eau déplacée dépend du diaphragme ainsi que de la différence de potentiel, et on définit une perméabilité électro-osmotique qui est le volume de liquide déplacé par unité de surface sous l’action d’un champ électrique de 1 V/cm.

Ce procédé permet de déplacer l’eau contenue dans une matière humide et est utilisé pour le séchage de l’argile et de la tourbe, le tannage du cuir et l’assèchement des maçonneries.

Électrodialyse

Si, dans une cuve à trois compartiments limités par deux membranes semi-perméables, on introduit dans les compartiments extrêmes deux électrodes et si l’on fait passer un courant continu, il y a déplacement des cations et des anions vers les électrodes correspondantes. En balayant les compartiments extrêmes par un courant d’eau, on réalise une déminéralisation de l’eau du compartiment central. Le rendement de l’opération est augmenté en utilisant des membranes permsélectives, c’est-à-dire qui n’autorisent que le passage des cations ou des anions (fig. 3), les ions libérés ne risquant plus de retourner dans le compartiment médian.

Cette technique est utilisée aujourd’hui dans les installations de dessalement des eaux, ainsi que pour les quatre groupes d’applications suivants :
— dilution, concentration et séparation d’électrolytes et de non-électrolytes, concentration de solutions ou de suspensions de corps non électrolysables ;
— modification de la composition anionique ou cationique d’une solution (élimination des composés radioactifs contenus dans le lait) ;
— métathèse ou conversion chimique sans réaction d’électrode (préparation de soude caustique en partant de chaux éteinte et de chlorure de sodium) ;
— fractionnement ionique par l’emploi d’une série de cuves d’électrodialyse fonctionnant comme une véritable colonne de distillation (séparation des sulfates de sodium et de potassium, de l’acide acétique, des acides sulfurique et chlorhydrique, de l’acide aconitique contenu dans les mélasses, etc.).

G. G.

Les applications médicales de l’électrophorèse

Le phénomène d’électrophorèse a été découvert par Reuss dès 1897, étudié par Hardy en 1899, définitivement élucidé par Arne Tiselius entre 1930 et 1937. En 1950, les travaux de Durrum, Tiselius et leurs collaborateurs, aboutissant à la pratique de l’électrophorèse sur support solide, ont étendu son application au partage des lipoprotéines et des glucoprotéines et ont permis son application à l’analyse clinique.

L’électrophorèse s’applique électivement à l’analyse des protides. On sait que ces substances sont constituées par des mélanges complexes de molécules organiques colloïdales de poids moléculaire très élevé et de charge électrique négative. Si on dépose, dans un voltamètre de construction particulière, au voisinage de la cathode, une telle substance, on observe, grâce à un phénomène comparable à l’électrolyse, une migration vers l’anode des diverses fractions qui la composent. Ces diverses fractions portant des charges différentes et la vitesse de migration étant fonction de ces charges électronégatives, on assiste dans le temps à leur séparation, donc à l’analyse de la protéine primitivement déposée à la cathode. L’électrophoremètre de Tiselius est constitué par un tube en U empli d’un liquide tampon de pH connu et muni à chaque extrémité d’une électrode de platine, chacune étant reliée respectivement aux pôles – et + d’un générateur de courant continu. On dépose au voisinage de la cathode, à la surface du tampon, la protéine à étudier. La séparation de ses différentes fractions s’effectue sous l’influence du champ électrique, au cours de leur migration vers l’anode, provoquant au sein du liquide des zones de concentrations différentes, ou « frontières », qu’on étudie par des méthodes optiques. Cette technique constitue l’électrophorèse libre, encore appelée macroélectrophorèse ou électrophorèse de frontière. Elle est précise mais longue, nécessite un appareillage coûteux et la mise en œuvre de quantités importantes de réactifs ; c’est donc une technique de référence, adaptée à la recherche biologique, mais inapplicable en chimie clinique. Il n’en est pas de même des techniques appelées microélectrophorèse ou électrophorèse de zone, utilisant pour la migration et l’analyse des protéines sériques un support solide : gel ou, le plus souvent, bandes de papier ou d’acétate de cellulose ; ces bandes, imprégnées de solution tampon, sont tendues sur un chevalet et en contact par leurs extrémités avec les électrodes. La prise d’essai, de l’ordre de 0,05 ml (1 goutte), est déposée au voisinage de la cathode, selon une droite perpendiculaire au grand axe de la bande. Le courant électrique entraîne la goutte et la séparation des diverses fractions selon leur vitesse de migration, sous forme de bandes transversales. La durée de l’opération varie avec la nature du support, la concentration (force ionique) du tampon et son pH, la tension appliquée aux bornes : elle va de quelques heures à quelques minutes. Les différentes zones sont repérées par coloration élective des protéines, des lipo- et des glucoprotéines. La lecture de l’électrophorégramme ainsi obtenu se pratique : qualitativement, par observation directe ; quantitativement soit par colorimétrie des diverses fractions séparées (élution), soit par photométrie des bandes ; on obtient dans ce cas une courbe qui donne les pourcentages des différentes fractions. Le protéinogramme permet de distinguer quatre fractions :
— les albumines (A), de poids moléculaire 80 000 environ : 58,6 ± 3 p. 100 ;
— les globulines α, de poids moléculaire 120 000 environ comprenant une fraction α₁ : 5,4 ± 0,9 p. 100 ; une fraction α₂ : 7,5 ± 1,5 p. 100 ;
— les globulines β, de poids moléculaire 140 000 environ (souvent dédoublées en 2 fractions β₁ et β₂) : 12,5 ± 1,6 p. 100 ;
— les globulines γ, de poids moléculaire 300 000 environ : 16 ± 2,8 p. 100.

Ces diverses fractions se retrouvent dans les lipo- et dans les glucoprotéinogrammes. En médecine, l’évolution de l’électrophorégramme permet de suivre l’évolution d’une maladie chez un même sujet ; le protéinogramme permet également de poser un diagnostic dans quelques cas précis.