Microchip Capillary Electrophoresis

Let’s do a small introduction to this very interesting technique in Analytical Chemistry. In this post, I will explain the basics, for a better and more complete information, please read the references.

A microchip or integrated circuit is basically a very small device on which electronic circuits are fabricated.

In the case of the microchips for Capillary Electrophoresis, our electronic circuit is a conductive liquid solution, so the microchip instead of a printed electronic circuit, will have small channels where the liquid solution is placed.

Capillary electrophoresis is a separation technique based on the differential movement of charged molecules in a conductive medium to which we apply an electric field. Each specie will have a different migration velocity depending on their  charge/radius ratio, hence the different species will be separated. The Electroosmotic flow also influences the separation.

Therefore, Microchip Capillary Electrophoresis will be the implementation of the Capillary Electrophoresis technique inside one of these microchips.

The main benefits of this technique are several, such as: low cost, small size (it’s a microchip!), fast analysis times (seconds or minutes), microchips consume only picoliters of samples, can be added other techniques in the pre-sampling phase or after it (for example, PCR (Polymerase Chain Reaction) can be coupled, or even solid phase extraction, etc.).

As the most important problem is the control of the surface chemistry of microchips CE devices, since this surface chemistry is not very well known.

These microchips are highly related to lab-on-a-chip devices, but we’ll talk about it in another post.

Materials

Most used materials for manufacturing these microchips are glass and different polymers. Polymers are cheaper.

Injection

The injection of the sample and the mobile phase is integrated into the system. There are different ways of injecting the sample into the separation channel, but we will not comment about it in this short summary. Check the references for more information.

Separation

The separation of the different species occurs in the same way as in capillary electrophoresis, being able to apply one of these techniques (adapted to the microchip format):

• Micellar electrokinetic chromatography (MEKC).
• Capillary electrochromatography (CEC).
• Capillary gel electrophoresis (CGE).
• Capillary isoelectric focusing (CIEF).

Detection

The most common detection modes are the following ones:

• Laser-induced fluorescence (LIF): very sensitive but not every analyte is fluorescent. Also, the equipment is expensive.
• Mass spectrometry (MS): Expensive, and large size equipment. But, well, everyone knows the MS advantages.
• Electrochemical detection: in my humble opinion is, generally, the best option (I’m biased for Electroanalysis). It’s cheap, easy to miniaturize and can be integrated in the microchip. Moreover, many molecules are electrochemically active. Of course, not everything is perfect, and sensitivity can be a problem for some applications.

Applications

There are many applications for the MCE, and each day new applications are being researched, with an increasing use of these microchips and the related miniaturized techniques.

Among the most important applications, but not the only ones are:

• DNA separation.
• Protein analysis, aka Proteomics.
• Many biological, environmental, and industrial application.

References

• Microchip capillary electrophoresis: methods and protocols By Charles Sherman Henry.
• Microchip-based capillary electrophoresis: sequencing and beyond by Anthea Hammond.
• Microchip Capillary Electrophoresis: Progress Toward an Integrated Forensic Analysis System by Susan A. Greenspoon, Stephanie H.I. Yeung, Jeffrey D. Ban and Richard A. Mathies.
• Polymer Microchips for Capillary Electrophoresis and Electric Field Gradient Focusing of Biomolecules by Ryan Thomas Kelly.
• Capillary electrophoresis on microchip by Vladislav Dolník, Shaorong Liu, Stevan Jovanovich. Electrophoresis, 2000, Volume 21, Issue 1.
• Capillary Electrophoresis in Wikipedia.

Un poco de historia química

Estoy leyendo estos días un interesante libro de Isaac Asimov, titulado “Breve historia de la química”.

Es un rápido repaso por la historia de nuestra ciencia favorita, libro corto (260 pág.) por lo que explica brevemente cada una de las etapas que Asimov considera importantes hasta el momento que escribió el libro, 1965.

A mi me gustaría explicar aquí, con mis propias palabras, un par de esas etapas, desarrolladas mucho antes de existir el método científico, por lo que se pueden considerar el germen de la química, pero que en mi opinión no se puede tratar como que fueran una ciencia en sí en esos momentos.

Khemeia

No se conoce muy bien el origen de la palabra, pero puede provenir tanto de la antigua Grecia como de Egipto. En ambas civilizaciones el arte de la química estaba bastante desarrollado hacia los años 1000-800 a. C., especialmente la metalurgia, y la fabricación de metales a partir de minerales.

En esta etapa de la historia, los filósofos (antiguos científicos) empezaron a estudiar el por qué de las cosas, las razones por las cuales unas sustancias se transforman en otras, y la naturaleza de esas sustancias que se podían transformar.
Comenzaron a pensar que esas sustancias estaban compuestas por materias más básicas, cosa que es cierta, y empezaron a definir esos elementos básicos: agua, tierra, fuego y aire.

Los griegos también sugirieron que las sustancias podían dividirse hasta un punto en que habría una partícula de materia indivisible, llamó átomos a estas partículas indivisibles.

Por supuesto, en aquella época no había forma de demostrar estos temas, y todo tenía un matiz místico, filosófico y como casi todas las cosas en el pasado, religioso.
Seguramente, habría muchísimos pensadores diciendo tonterías a diestro y siniestro (como en la actualidad), apoyando las tesis de algunos colegas y estando completamente en contra de otros. Probablemente, en los libros sólo quedan datados los pensadores que han podido influir de alguna manera a las artes actuales.

La Khemeia entró en declive a partir del dominio romano, dos motivos principales fueron la causa: en los últimos tiempos había crecido el interés por encontrar un proceso para la transmutación de oro a partir de otras sustancias más comúnes y baratas; en aquella época oro=dinero, por lo que si cualquiera podría hacer oro, era un peligro para la gente que tenía el poder (como en la actualidad), debido a eso, la Khemeia fue perseguida y mucha de la documentación escrita destruída.
La otra razón, fue el nacimiento de una nueva religión, que en el pasado persiguió y destruyó muchos de los estudios científicos que se hacían y la Khemeia no fue una excepcíon, la religión cristiana. En la actualidad también intentan poner muchas trabas a la ciencia, afortunadamente ya no pueden destruir documentos y libros, pero siguen haciendo cosas como pregonar en África que los condones no sirven para nada.

Alkimiya

Alrededor del año 600 d.C., los árabes empezaron a conquistar ciertas regiones, como por ejemplo, Persia. Encontraron muchos textos provenientes de la ciencia griega, y empezaron a estudiar y a interesarse por esos textos.
Khemeia, se transformó en Al-Kimiya (Alquimia en español). Pero no sólo los árabes estuvieron involucrados en la época de la Alquimia, y a partir del año 1000, en Europa empezó a haber un cierto interés por esta materia.

En esta época se siguió aumentando los conocmientos químicos, y el descubrimiento de nuevas sustancias (como el ácido sulfúrico y el ácido nítrico), se empezó a aplicar estos conocimientos en procesos médicos, pero también se siguió teniendo un gran interés en la transmutación de materiales en oro, en encontrar la fórmula de la mortalidad, y otro tipo de procesos místicos.

De igual manera que en la época de la Khemeia, al final se prohibió el uso de la Alquimia, por lo que los alquimistas se vieron obligados a trabajar a escondidas en la clandestinidad, con lo que todavía más la Alquimia siguió siendo un lugar donde, a parte de conocimientos químicos, se dedicaban a las artes ocultas y otro tipo de estupideces.

Obviamente, en ambos períodos hubo muchísimas guerras, y los conocimientos que se obtenían eran aplicados al arte de la guerra y a la creación de nuevas armas, similar a la actualidad que primero se investiga para usos militares y luego se aplica las nuevas tecnologías desarrolladas a la sociedad.

El libro sólo cuesta 8.50€ en Librería Cervantes, poco más que una copa en un bar (o menos dependiendo del sitio), dura más que esa copa, y la felicidad es mayor al acabarlo y durante más tiempo.

Algunos documentos sobre Química

He decidido publicar algunos de los documentos que he escrito al cabo de los años relacionados con la Química. Soy un amante del copyleft, por lo que me parecía una aberración que estuvieran en una de mis carpetas sin que nadie pudiera tener acceso a ellos.

Básicamente son monografías y algunos informes de prácticas de laboratorio. Algunos de más calidad y algunos de menor calidad.

Monografías

Residuos químicos en un laboratorio.

Reacciones químicas explosivas.

Informes de prácticas de laboratorio

Obtención de los parámetros cinéticos de una reacción iónica.

Análisis espectrofotométrico de mezclas de fármacos mediante regresión lineal múltiple.

Determinación de sodio por emisión atómica en llama en muestras reales.

Determinación de quinina en agua tónica mediante Espectrometría de Fluorescencia Molecular.

Determinación potenciométrica de nitratos.

Tratamiento quimiométrico de datos cromatográficos. Aplicación a la clasificación tecnológica de manzanas de sidra.

Determinación voltamétrica de ácido ascórbico sobre electrodos de pasta de carbono.

Construcción de un biosensor amperométrico de glucosa. Cuantificación de glucosa en un jarabe.



Podéis verlos todos en Slideshare: http://www.slideshare.net/yerga/documents

PS. Ya sabéis, si lo usáis para algún trabajo, al menos cambiarle el nombre antes de entregarlos

Pequeña monografía sobre el Smog fotoquímico

Hace un par de años escribí un pequeño texto (~12 páginas) sobre el Smog fotoquímico (basándome principalmente en el Smog oxidante), me parece interesante publicarlo aquí ya que no lo había publicado antes, ya comenté que no iba a escribir solamente sobre Electroquímica.

El texto está desarrollado en varias secciones:

• ¿Qué es el Smog fotoquímico?: Si te encuentras en una gran ciudad con mucha circulación de vehículos (vamos, en cualquier gran ciudad), un día que esté soleado, sal a la calle y mira hacia arriba. Esa niebla de color gris tirando a marrón, es el Smog. Si el color marrón es el principal, mejor intenta no respirar

• ¿Cómo se produce?: explicación altamente química  de como se produce el Smog y que especies químicas lo producen con mayor importancia.

• Efectos del Smog: tanto los efectos que produce en los animales (seres humanos incluidos) y plantas, como en los materiales y la economía.

• Reducción del Smog: acciones simples o no tan simples que cualquiera o nuestros dirigentes pueden hacer para contribuir a la reducción del Smog en las ciudades.

• Historia: algunos datos sobre el suceso ocurrido en Londres en 1952, y en qué ciudades el efecto del Smog es mayor.

• Futuro: qué debería hacerse para evitar los problemas del Smog en el futuro. Idealmente.

La monografía se encuentra en formato PDF: Smog fotoquimico

Ya sabéis, si lo usáis para algún trabajo de clase, al menos cambiar mi nombre de la portada

Fotografía: Beijing smog, por kevindooley. CC