Electroforesis

Movimiento de partículas cargadas en un campo eléctrico

1. Ilustración de la electroforesis

2. Ilustración del retraso de la electroforesis.

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 uniforme en el espacio . Por lo general, se trata de zwitteriones . ^[1]

La electroforesis se utiliza en los laboratorios para separar macromoléculas en función de sus cargas. La técnica normalmente aplica una carga negativa llamada cátodo para que las moléculas de proteína se muevan hacia una carga positiva llamada ánodo . ^[2] Por lo tanto, la electroforesis de partículas o moléculas con carga positiva ( cationes ) a veces se llama cataforesis , mientras que la electroforesis de partículas o moléculas con carga negativa (aniones) a veces se llama anaforesis . ^{[3] [4] [5] [6] [7] [8] [9]}

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 , ya sea libremente o a través de un medio de soporte utilizando un flujo unidireccional de carga eléctrica. ^[10] Se utiliza ampliamente en el análisis de ADN , ARN y proteínas . ^[11]

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 del suero ". ^[12]

La electroforesis de gotas líquidas es significativamente diferente de la electroforesis clásica de partículas debido a las características de las gotas, como la carga superficial móvil y la falta de rigidez de la interfaz. Además, el sistema líquido-líquido, donde existe una interacción entre las fuerzas hidrodinámicas y electrocinéticas en ambas fases, agrega complejidad al movimiento electroforético. ^[13]

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 de especiación química basados ​​en la electroforesis. ^[14] Tiselius, con el apoyo de la Fundación Rockefeller , desarrolló el "aparato Tiselius" para la electroforesis de límites móviles , que se describió en 1937 en el conocido artículo "Un nuevo aparato para el análisis electroforético de mezclas coloidales". ^[15] El método se difundió lentamente hasta la llegada de métodos eficaces de electroforesis en zona 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 huella de proteínas , el Southern blot , otros procedimientos de transferencia, la secuenciación de ADN y muchos más. ^[16]

Teoría

Las partículas suspendidas tienen una carga eléctrica superficial , fuertemente afectada por las especies adsorbidas en la superficie, ^[17] sobre las cuales un campo eléctrico externo ejerce una fuerza electrostática de Coulomb . De acuerdo con la teoría de la doble capa , todas las cargas superficiales en fluidos están protegidas por una capa difusa de iones, que tiene la misma carga absoluta pero signo opuesto con respecto a la de 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 no se aplica realmente 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 llama fuerza de retardo electroforético, o ERF por sus siglas en inglés. Cuando se aplica el campo eléctrico y la partícula cargada que se va a analizar está en movimiento constante a través de la capa difusa, la fuerza resultante total 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 definida como: ^[18]

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

La teoría de la electroforesis más conocida y ampliamente utilizada fue desarrollada en 1903 por Marian Smoluchowski : ^[19]

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

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 para 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) lleva a alejar el punto de fuerza de retardo de la superficie de la partícula. Cuanto más gruesa sea la DL, menor debe ser la fuerza de retardo.

Un análisis teórico detallado demostró que la teoría de Smoluchowski es válida sólo para DL suficientemente delgadas, 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 para nanocoloides en solución con fuerza iónica cercana a la del agua.

La teoría de Smoluchowski también ignora las contribuciones de la conductividad superficial . Esto se expresa en la teoría moderna como condición de un 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 una "doble capa gruesa", Erich Hückel ^[20] 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, iniciadas por Theodoor Overbeek ^[21] y F. Booth. ^[22] Las teorías modernas y rigurosas válidas para cualquier potencial Zeta y, a menudo, cualquier aκ se derivan principalmente de la teoría de Dukhin-Semenikhin. ^[23]

En el límite de doble capa delgada , estas teorías confirman la solución numérica al problema propuesta por Richard W. O'Brien y Lee R. White. ^[24]

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 fluidos se puede modelar con la ley de Stokes ^[25] , 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. Se ha validado la electroforesis de partículas ^[26] .

Véase 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
• Isotacofóresis
• Frictioforesis no lineal
• Electroforesis en gel de campo pulsado
• Flujo de Stokes

Referencias

1. Michov, B. (2022). Fundamentos de electroforesis: teoría y práctica esenciales. De Gruyter, ISBN 9783110761627. doi :10.1515/9783110761641. ISBN 9783110761641.
2. 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 en gel de poliacrilamida continua nativa preparativa (PNC-PAGE)". Electroanálisis . 18 (1): 103–6. doi :10.1002/elan.200403344.
3. Lyklema, J. (1995). Fundamentos de la ciencia de interfases y coloides . Vol. 2. pág. 3.208.
4. Hunter, RJ (1989). Fundamentos de la ciencia coloidal . Oxford University Press.
5. Dukhin, SS; Derjaguin, BV (1974). Fenómenos electrocinéticos . J. Wiley and Sons.
6. Russel, WB; Saville, DA; Schowalter, WR (1989). Dispersiones coloidales . Cambridge University Press. ISBN 9780521341882.
7. Kruyt, HR (1952). Colloid Science . Vol. 1, Sistemas irreversibles. Elsevier.
8. Dukhin, AS; Goetz, PJ (2017). Caracterización de líquidos, nanopartículas y micropartículas y cuerpos porosos mediante ultrasonidos. Elsevier. ISBN 978-0-444-63908-0.
9. Anderson, JL (enero de 1989). "Transporte de coloides por fuerzas interfaciales". Revista anual de mecánica de fluidos . 21 (1): 61–99. Código Bibliográfico :1989AnRFM..21...61A. doi :10.1146/annurev.fl.21.010189.000425. ISSN  0066-4189.
10. Malhotra, P. (2023). Química analítica: técnicas y métodos básicos . Springer, ISBN 9783031267567. pág. 346.
11. Garfin, 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.
12. "El Premio Nobel de Química 1948". NobelPrize.org . Consultado el 3 de noviembre de 2023 .
13. Rashidi, Mansoureh (2021). "Estudios mecanísticos de la electroforesis de gotas: una revisión". Electroforesis . 42 (7–8): 869–880. doi :10.1002/elps.202000358. PMID  33665851.
14. Malhotra, P. (2023). Química analítica: técnicas y métodos básicos . Springer, ISBN 9783031267567. pág. 346.
15. Tiselius, Arne (1937). "Un nuevo aparato para el análisis electroforético de mezclas coloidales". Transactions of the Faraday Society . 33 : 524–531. doi :10.1039/TF9373300524.
16. Michov, B. (1995). Electroforesis: teoría y práctica . De Gruyter, ISBN 9783110149944. pag. 405.
17. Hanaor, DAH; Michelazzi, M.; Leonelli, C.; Sorrell, CC (2012). "Los efectos de los ácidos carboxílicos en la dispersión acuosa y la deposición electroforética de ZrO ₂ ". Revista de la Sociedad Cerámica Europea . 32 (1): 235–244. arXiv : 1303.2754 . doi :10.1016/j.jeurceramsoc.2011.08.015. S2CID  98812224.
18. 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 Cerámica Europea . 31 (6): 1041–1047. arXiv : 1303.2742 . doi :10.1016/j.jeurceramsoc.2010.12.017. S2CID  98781292.
19. von Smoluchowski, M. (1903). "Contribución a la teoría de la endosmosis eléctrica y de los fenómenos correlativos". Toro. Int. Acad. Ciencia. Cracovia . 184 .
20. Hückel, E. (1924). "Die kataphorese der kugel". Física. Z.​ 25 : 204.
21. Overbeek, J.Th.G (1943). "Teoría de la electroforesis: el efecto de relajación". Koll. Bith. : 287.
22. Booth, F. (1948). "Teoría de los efectos electrocinéticos". Nature . 161 (4081): 83–86. Bibcode :1948Natur.161...83B. doi : 10.1038/161083a0 . PMID  18898334. S2CID  4115758.
23. Dukhin, SS y Semenikhin NV "Teoría de la polarización de doble capa y su efecto en la electroforesis", Koll.Zhur. URSS, volumen 32, página 366, 1970.
24. O'Brien, RW; LR White (1978). "Movilidad electroforética de una partícula coloidal esférica". J. Chem. Soc. Faraday Trans . 2 (74): 1607. doi :10.1039/F29787401607.
25. Paxton, Walter F.; Sen, Ayusman; Mallouk, Thomas E. (4 de noviembre de 2005). "Motilidad de nanopartículas catalíticas mediante fuerzas autogeneradas". Química: una revista europea . 11 (22). Wiley: 6462–6470. doi :10.1002/chem.200500167. ISSN  0947-6539. PMID  16052651.
26. Moran, Jeffrey L.; Posner, Jonathan D. (13 de junio de 2011). "Locomoción electrocinética debida a autoelectroforesis de carga inducida por reacción". Journal of Fluid Mechanics . 680 . Cambridge University Press (CUP): 31–66. Bibcode :2011JFM...680...31M. doi :10.1017/jfm.2011.132. ISSN  0022-1120. S2CID  100357810.

Lectura adicional

• Voet y Voet (1990). Bioquímica . John Wiley e hijos.
• Jahn, GC; DW Hall; 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. Florida Anti-Mosquito Assoc . 57 : 24–27.
• Khattak, MN; RC Matthews (1993). "Relación genética de las especies de Bordetella determinada por digestos de macrorrestricción resueltos por electroforesis en gel de campo pulsado". Int. J. Syst. Bacteriol . 43 (4): 659–64. doi : 10.1099/00207713-43-4-659 . PMID  8240949.
• Barz, DPJ; P. Ehrhard (2005). "Modelo y verificación del flujo y transporte electrocinético en un dispositivo de microelectroforesis". Lab Chip . 5 (9): 949–958. doi :10.1039/b503696h. PMID  16100579.
• Shim, J.; P. Dutta; CF Ivory (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