Electroforesis

La electroforesis, del griego antiguo ἤλεκτρον (ḗlektron, "ámbar") y φόρησις (phórēsis, "el acto de soportar"), es el movimiento de partículas dispersas en relación con un fluido bajo la influencia de un campo eléctrico espacialmente uniforme. La electroforesis de partículas con carga positiva (cationes) a veces se denomina cataforesis, mientras que la electroforesis de partículas con carga negativa (aniones) a veces se denomina anaforesis.

El fenómeno electrocinético de la electroforesis fue observado por primera vez en 1807 por los profesores rusos Peter Ivanovich Strakhov y Ferdinand Frederic Reuss en la Universidad de Moscú, quienes notaron que la aplicación de un campo eléctrico constante provocaba la migración de partículas de arcilla dispersas en agua. En última instancia, es causado por la presencia de una interfaz cargada entre la superficie de la partícula y el fluido circundante. Es la base de las técnicas analíticas utilizadas en química para separar moléculas por tamaño, carga o afinidad de unión.

La electroforesis se utiliza en laboratorios para separar macromoléculas según su tamaño. La técnica aplica una carga negativa para que las proteínas se muevan hacia una carga positiva. La electroforesis se usa ampliamente en el análisis de ADN, ARN y proteínas.

Historia

Teoría

Las partículas suspendidas tienen una carga superficial eléctrica, fuertemente afectada por las especies adsorbidas en la superficie,sobre el que un campo eléctrico externo ejerce una fuerza electroestática de Coulomb. De acuerdo con la teoría de la doble capa, todas las cargas superficiales en los fluidos están apantalladas 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 del estrés viscoso. Esta parte de la fuerza también se llama fuerza de retardo electroforético, o ERF en resumen.

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 arrastre de una partícula dispersa v es simplemente proporcional al campo aplicado, lo que deja la movilidad electroforética μ _e definido como:

La teoría de electroforesis más conocida y ampliamente utilizada fue desarrollada en 1903 por Smoluchowski:,

donde ε _r es la constante dieléctrica del medio de dispersión, ε ₀ es la permitividad del espacio libre (C² N m), 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 en cualquier concentración. Tiene limitaciones en su validez. Por ejemplo, no incluye la longitud de Debye κ (unidades m). Sin embargo, la longitud de Debye debe ser importante para la electroforesis, como sigue inmediatamente de la Figura 2, "Ilustración del retardo de la electroforesis". El aumento del grosor de la doble capa (DL) conduce a la eliminación del punto de fuerza de retardo más allá 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 solo para DL suficientemente delgadas, cuando el radio de la partícula a es mucho mayor que la longitud de Debye:.

Este modelo de "doble capa delgada" ofrece tremendas simplificaciones no solo 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 unos pocos nanómetros. Solo se rompe para nano-coloides en solución con 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 pequeño número de Dukhin:

En un esfuerzo por expandir 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:<img src="https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/492c0de60e293b1ee313bdf7795a2c9b7bb9140d" alt="akappa .

Bajo esta condición de una "doble capa gruesa", Hückel predijo la siguiente relación para la movilidad electroforética:.

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.

Hay varias teorías analíticas que incorporan la conductividad de la superficie y eliminan la restricción de un pequeño número de Dukhin, cuyo pionero fue Overbeek. y Booth. Las teorías modernas y rigurosas válidas para cualquier potencial Zeta y, a menudo, cualquier aκ se derivan principalmente de la teoría de Dukhin-Semenikhin.

En el límite de doble capa delgada, estas teorías confirman la solución numérica al problema proporcionada por O'Brien y White.