Electroforesis

Movimiento de partículas cargadas en un campo eléctrico.

1. Ilustración de electroforesis

2. Ilustración del retraso de la electroforesis.

En química , la electroforesis es el movimiento de partículas cargadas dispersas o moléculas cargadas disueltas en relación con un fluido bajo la influencia de un campo eléctrico espacialmente uniforme . Por regla general, se trata de zwitteriones . La electroforesis de partículas o moléculas cargadas positivamente ( cationes ) a veces se denomina cataforesis , mientras que la electroforesis de partículas o moléculas cargadas negativamente (aniones) a veces se denomina anaforesis . ^{[1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8]}

La electroforesis es la base de las técnicas analíticas utilizadas en bioquímica para separar partículas, moléculas o iones por tamaño , carga o afinidad de unión . ^[9]

El bioquímico Arne Tiselius ganó el Premio Nobel de Química en 1948 "por sus investigaciones sobre electroforesis y análisis de adsorción , especialmente por sus descubrimientos sobre la naturaleza compleja de las proteínas séricas ". ^[10]

La electroforesis se utiliza en laboratorios para separar macromoléculas según su carga. ^[11] La técnica normalmente aplica una carga negativa para que las proteínas se muevan hacia una carga positiva . Se utiliza ampliamente en análisis de ADN , ARN y proteínas . ^[12]

Historia

La historia de la electroforesis para la separación molecular y el análisis químico comenzó con el trabajo de Arne Tiselius en 1931, mientras que en el siglo XXI se siguen desarrollando nuevos procesos de separación y técnicas de análisis químico basados ​​en la electroforesis. ^[13] Tiselius, con el apoyo de la Fundación Rockefeller , desarrolló el "aparato Tiselius" para electroforesis de límites móviles , que fue descrito en 1937 en el conocido artículo "Un nuevo aparato para el análisis electroforético de mezclas coloidales". ^[14] El método se extendió lentamente hasta la llegada de métodos eficaces de electroforesis zonal en las décadas de 1940 y 1950, que utilizaban papel de filtro o geles como medios de soporte. En la década de 1960, los métodos de electroforesis en gel cada vez más sofisticados hicieron posible separar moléculas biológicas basándose en pequeñas diferencias físicas y químicas, lo que ayudó a impulsar el auge de la biología molecular . La electroforesis en gel y las técnicas relacionadas se convirtieron en la base de una amplia gama de métodos bioquímicos, como la toma de huellas dactilares de proteínas , la transferencia Southern , otros procedimientos de transferencia, la secuenciación de ADN y muchos más. ^[15]

Teoría

Las partículas suspendidas tienen una carga superficial eléctrica , fuertemente afectada por las especies adsorbidas en la superficie, ^[16] sobre las cuales un campo eléctrico externo ejerce una fuerza electrostática de Coulomb . Según la teoría de la doble capa , todas las cargas superficiales de los fluidos están protegidas por una capa difusa de iones, que tiene la misma carga absoluta pero de signo opuesto con respecto a la carga superficial. El campo eléctrico también ejerce una fuerza sobre los iones en la capa difusa que tiene dirección opuesta a la que actúa sobre la carga superficial . Esta última fuerza en realidad no se aplica a la partícula, sino a los iones en la capa difusa ubicada a cierta distancia de la superficie de la partícula, y parte de ella se transfiere hasta la superficie de la partícula a través de una tensión viscosa . Esta parte de la fuerza también se denomina fuerza de retardo electroforético o, para abreviar, ERF. Cuando se aplica el campo eléctrico y la partícula cargada a analizar se encuentra en movimiento constante a través de la capa difusa, la fuerza total resultante es cero:

${\displaystyle F_{\text{tot}}=0=F_{\text{el}}+F_{\mathrm {f} }+F_{\text{ret}}}$

Considerando el arrastre sobre las partículas en movimiento debido a la viscosidad del dispersante, en el caso de un número de Reynolds bajo y una intensidad de campo eléctrico moderada E , la velocidad de deriva de una partícula dispersa v es simplemente proporcional al campo aplicado, lo que deja la movilidad electroforética. μ _e definido como: ^[17]

${\displaystyle \mu _{e}={v \over E}.}$

La teoría de la electroforesis más conocida y utilizada fue desarrollada en 1903 por Marian Smoluchowski : ^[18]

${\displaystyle \mu _{e}={\frac {\varepsilon _{r}\varepsilon _{0}\zeta }{\eta }}}$,

donde ε _r es la constante dieléctrica del medio de dispersión , ε ₀ es la permitividad del espacio libre (C ²  N ⁻¹  m ⁻² ), η es la viscosidad dinámica del medio de dispersión (Pa s) y ζ es el potencial zeta ( es decir, el potencial electrocinético del plano de deslizamiento en la doble capa (unidades mV o V).

La teoría de Smoluchowski es muy poderosa porque funciona con partículas dispersas de cualquier forma y en cualquier concentración . Tiene limitaciones en su validez. Por ejemplo, no incluye la longitud de Debye κ ⁻¹ (unidades m). Sin embargo, la longitud de Debye debe ser importante para la electroforesis, como se desprende inmediatamente de la Figura 2, "Ilustración del retardo de la electroforesis". El aumento del espesor de la doble capa (DL) conduce a la eliminación del punto de fuerza de retardo más lejos de la superficie de la partícula. Cuanto más grueso sea el DL, menor debe ser la fuerza de retardo.

Un análisis teórico detallado demostró que la teoría de Smoluchowski es válida sólo para DL suficientemente delgada, cuando el radio de la partícula a es mucho mayor que la longitud de Debye:

${\displaystyle a\kappa \gg 1}$.

Este modelo de "doble capa delgada" ofrece enormes simplificaciones no sólo para la teoría de la electroforesis sino para muchas otras teorías electrocinéticas. Este modelo es válido para la mayoría de los sistemas acuosos , donde la longitud de Debye suele ser de sólo unos pocos nanómetros . Sólo se rompe en el caso de nanocoloides en solución con una fuerza iónica cercana al agua.

La teoría de Smoluchowski también ignora las contribuciones de la conductividad superficial . Esto se expresa en la teoría moderna como condición de número de Dukhin pequeño :

${\displaystyle Du\ll 1}$

En el esfuerzo por ampliar el rango de validez de las teorías electroforéticas, se consideró el caso asintótico opuesto, cuando la longitud de Debye es mayor que el radio de la partícula:

${\displaystyle a\kappa <\!\,1}$.

Bajo esta condición de "doble capa gruesa", Erich Hückel ^[19] predijo la siguiente relación para la movilidad electroforética:

${\displaystyle \mu _{e}={\frac {2\varepsilon _{r}\varepsilon _{0}\zeta }{3\eta }}}$.

Este modelo puede ser útil para algunas nanopartículas y fluidos no polares, donde la longitud de Debye es mucho mayor que en los casos habituales.

Existen varias teorías analíticas que incorporan la conductividad superficial y eliminan la restricción de un pequeño número de Dukhin, de las que fueron pioneros Theodoor Overbeek ^[20] y F. Booth. ^[21] Las teorías modernas y rigurosas válidas para cualquier potencial Zeta y, a menudo, para cualquier aκ provienen principalmente de la teoría de Dukhin-Semenikhin. ^[22]

En el límite de la doble capa delgada , estas teorías confirman la solución numérica al problema proporcionada por Richard W. O'Brien y Lee R. White. ^[23]

Para modelar escenarios más complejos, estas simplificaciones se vuelven inexactas y el campo eléctrico debe modelarse espacialmente, siguiendo su magnitud y dirección. La ecuación de Poisson se puede utilizar para modelar este campo eléctrico que varía espacialmente. Su influencia en el flujo de fluido se puede modelar con la ley de Stokes , ^[24] mientras que el transporte de diferentes iones se puede modelar utilizando la ecuación de Nernst-Planck . Este enfoque combinado se conoce como ecuaciones de Poisson-Nernst-Planck-Stokes. ^[25] Este enfoque ha sido validado en la electroforesis de partículas. ^[25]

Ver también

• Electroforesis de afinidad
• Deposición electroforética
• papel electrónico
• Electroforesis capilar
• dielectroforesis
• Electroforesis de flujo libre
• Electrotransferencia
• Electroforesis en gel
• Electroforesis en gel de ácidos nucleicos.
• Electroforesis en gel de proteínas.
• Historia de la electroforesis
• Historia de la electroforesis en gel.
• Inmunoelectroforesis
• Enfoque isoeléctrico
• isotacoforesis
• Frictioforesis no lineal
• Electroforesis en gel de campo pulsado
• Flujo de combustible

Referencias

1. Lyklema, J. (1995). Fundamentos de la interfaz y la ciencia de los coloides . vol. 2. pág. 3.208.
2. Cazador, RJ (1989). Fundamentos de la ciencia de los coloides . Prensa de la Universidad de Oxford.
3. Dukhin, SS; Derjaguin, BV (1974). Fenómenos electrocinéticos . J. Wiley e hijos.
4. Russell, WB; Saville, DA; Schowalter, WR (1989). Dispersiones coloidales . Prensa de la Universidad de Cambridge. ISBN 9780521341882.
5. Kruyt, HR (1952). Ciencia coloidal . vol. 1, sistemas irreversibles. Elsevier.
6. Dukhin, AS; Goetz, PJ (2017). Caracterización de líquidos, nano y micropartículas y cuerpos porosos mediante Ultrasonido. Elsevier. ISBN 978-0-444-63908-0.
7. Anderson, JL (enero de 1989). "Transporte de coloides por fuerzas interfaciales". Revisión Anual de Mecánica de Fluidos . 21 (1): 61–99. Código Bib : 1989AnRFM..21...61A. doi : 10.1146/annurev.fl.21.010189.000425. ISSN  0066-4189.
8. Michov, B. (2022). Fundamentos de la electroforesis: teoría y práctica esenciales. De Gruyter, ISBN 9783110761627. doi :10.1515/9783110761641. ISBN 9783110761641.
9. Malhotra, P. (2023). Química Analítica: Técnicas y Métodos Básicos . Springer, ISBN 9783031267567. pag. 346.
10. "El Premio Nobel de Química 1948". Premio Nobel.org . Consultado el 3 de noviembre de 2023 .
11. Kastenholz B (2006). "Comparación del comportamiento electroquímico de las proteínas de cadmio de alta masa molecular en Arabidopsis thaliana y en plantas vegetales mediante electroforesis preparativa en gel de poliacrilamida continua nativa (PNC-PAGE)". Electroanálisis . 18 (1): 103–6. doi :10.1002/elan.200403344.
12. Garfín DE (1995). "Capítulo 2 - Métodos electroforéticos". Introducción a los métodos biofísicos para la investigación de proteínas y ácidos nucleicos : 53–109. doi :10.1016/B978-012286230-4/50003-1.
13. Malhotra, P. (2023). Química Analítica: Técnicas y Métodos Básicos . Springer, ISBN 9783031267567. pag. 346.
14. Tiselius, Arne (1937). "Un nuevo aparato para el análisis electroforético de mezclas coloidales". Transacciones de la Sociedad Faraday . 33 : 524–531. doi :10.1039/TF9373300524.
15. Michov, B. (1995). Electroforesis: teoría y práctica . De Gruyter, ISBN 9783110149944. pag. 405.
16. Hanaor, DAH; Michelazzi, M.; Leonelli, C.; Sorrell, CC (2012). "Los efectos de los ácidos carboxílicos sobre la dispersión acuosa y la deposición electroforética de ZrO ₂ ". Revista de la Sociedad Europea de Cerámica . 32 (1): 235–244. arXiv : 1303.2754 . doi :10.1016/j.jeurceramsoc.2011.08.015. S2CID  98812224.
17. Hanaor, Dorian; Michelazzi, Marco; Veronesi, Paolo; Leonelli, Cristina; Romagnoli, Marcello; Sorrell, Charles (2011). "Deposición electroforética acuosa anódica de dióxido de titanio utilizando ácidos carboxílicos como agentes dispersantes". Revista de la Sociedad Europea de Cerámica . 31 (6): 1041–1047. arXiv : 1303.2742 . doi :10.1016/j.jeurceramsoc.2010.12.017. S2CID  98781292.
18. von Smoluchowski, M. (1903). "Contribución a la teoría de la endosmosis eléctrica y de los fenómenos correlativos". Toro. En t. Acad. Ciencia. Cracovia . 184 .
19. Hückel, E. (1924). "Die kataphorese der kugel". Física. Z. _ 25 : 204.
20. Overbeek, JThG (1943). "Teoría de la electroforesis - El efecto de relajación". Koll. Bith. : 287.
21. Stand, F. (1948). "Teoría de los efectos electrocinéticos". Naturaleza . 161 (4081): 83–86. Código Bib :1948Natur.161...83B. doi : 10.1038/161083a0 . PMID  18898334. S2CID  4115758.
22. Dukhin, SS y Semenikhin NV "Teoría de la polarización de doble capa y su efecto sobre la electroforesis", Koll.Zhur. URSS, volumen 32, página 366, 1970.
23. O'Brien, RW; LR Blanco (1978). "Movilidad electroforética de una partícula coloidal esférica". J. química. Soc. Trans Faraday . 2 (74): 1607. doi : 10.1039/F29787401607.
24. Paxton, Walter F.; Sen, Ayusman; Mallouk, Thomas E. (4 de noviembre de 2005). "Motilidad de nanopartículas catalíticas mediante fuerzas autogeneradas". Química: una revista europea . Wiley. 11 (22): 6462–6470. doi :10.1002/chem.200500167. ISSN  0947-6539. PMID  16052651.
25. Moran, Jeffrey L.; Posner, Jonathan D. (13 de junio de 2011). "Locomoción electrocinética debida a autoelectroforesis de carga inducida por reacción". Revista de mecánica de fluidos . Prensa de la Universidad de Cambridge (CUP). 680 : 31–66. Código Bib : 2011JFM...680...31M. doi :10.1017/jfm.2011.132. ISSN  0022-1120. S2CID  100357810.

Otras lecturas

• Voet y Voet (1990). Bioquímica . John Wiley e hijos.
• Jahn, GC; Salón DW; SG Zam (1986). "Una comparación de los ciclos de vida de dos Amblyospora (Microspora: Amblyosporidae ) en los mosquitos Culex salinarius y Culex tarsalis Coquillett". J. Asociación Antimosquitos de Florida . 57 : 24–27.
• Khattak, Minnesota; RC Matthews (1993). "Relación genética de especies de Bordetella determinada por digestiones de macrorestricción resueltas mediante electroforesis en gel de campo pulsado". En t. J. Sistema. Bacteriol . 43 (4): 659–64. doi : 10.1099/00207713-43-4-659 . PMID  8240949.
• Barz, PDJ; P. Ehrhard (2005). "Modelo y verificación de flujo y transporte electrocinético en un dispositivo de microelectroforesis". Chip de laboratorio . 5 (9): 949–958. doi :10.1039/b503696h. PMID  16100579.
• Calza, J.; P. Dutta; CF Marfil (2007). "Modelado y simulación de IEF en microgeometrías 2-D". Electroforesis . 28 (4): 527–586. doi :10.1002/elps.200600402. PMID  17253629. S2CID  23274096.

enlaces externos

• Lista de movilidades relativas