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.

Clasificación de la Electroquímica

John Bockrys y Amulya Reddy hicieron una interesante clasificación de la Electroquímica, por lo tanto aquí vamos a plasmar sus ideas, y explicar muy por encima cada uno de los apartados de esta clasificación.

La electroquímica se puede clasificar en dos grandes grupos:

1)       Electroquímica iónica: es aquella parte de la Electroquímica que trata del transporte de iones en el seno de una disolución. Los iones son especies cargadas negativa (aniones) o positivamente (cationes), por lo tanto, el movimiento de estos iones es un movimiento de cargas, y uno de los nombres que recibe esto último es electricidad.

2)       Electroquímica electródica: es la que trata de las transformaciones químicas que sufren las sustancias como consecuencia del intercambio de cargas (electrones) a través de las interfases electrodo/disolución. Esta es la parte más importante de la Electroquímica.

La electroquímica electródica, a su vez, se puede dividir en más pequeñas secciones:

• Energética: Lo que usualmente llamamos pilas o baterías. En estos dispositivos se produce una corriente eléctrica en el sistema, a partir de procesos químicos. Se transforma energía química en energía eléctrica.

• Electrosíntesis: trata de la síntesis de compuestos químicos utilizando reacciones electroquímicas. Muy utilizada en Química Orgánica.

• Cinética electroquímica: estudio del proceso electródico en contraste con su velocidad. La cinética de una reacción química puede explicar muchos detalles de cómo se produce esa reacción.

• Corrosión electroquímica: la corrosión es un fenómeno de superficie que produce la destrucción de un metal debido a una reacción electroquímica. Es un ejemplo muy claro en la vida diaria, ¿quién no ha dicho, “ese hierro está oxidado”? Bien, lo más correcto sería decir que el hierro está corroído, porque, por ejemplo, el aluminio también se oxida, pero no se corroe debido a un proceso llamado pasivación.

• Electroquímica Analítica: se utiliza algún proceso electródico para obtener información analítica sobre una o más sustancias químicas que se encuentren en el sistema.

Bernard Trémillon, por su parte, clasificó la Electroquímica Analítica en dos grandes partes:

• • Electroanálisis: es la aplicación de un proceso electródico para la determinación de un sustancia química específica (analito). La determinación puede ser tanto cuantitativa (conocer la cantidad de una especie química en una disolución), como cualitativa (conocer si una especie química se encuentra en una disolución)

• • Electroquímica Analítica Fundamental: estudia el proceso electródico en profundidad, de una forma más teórica. Intenta explicar qué ocurre en los distintos componentes del sistema, especialmente en la interfase electrodo/disolución cuando se está produciendo el proceso.

Como explicado anteriormente, en este blog escribiremos sobre la última parte de esta clasificación.

Introducción a la Electroquímica

La Electroquímica es la sección de la Química que considera las reacciones químicas en las que se produce una transferencia de electrones.

Este tipo de reacciones químicas son llamadas reacciones electroquímicas o también reacciones de oxidación-reducción (reacciones redox).

Las reacciones electroquímicas se pueden producir tanto en un medio homogéneo (especies en disolución) como heterógeneo. En este último caso, generalmente, una de las especies que forma parte de la reacción de transferencia de electrones es un sólido (metal o semiconductor), mientras que otro de los reactivos está en disolución. Pero puede darse casos de reacciones redox en medios sólido-gas, o sólido-sólido, etc.

En las reacciones redox, existe una transferencia de electrones desde una de las especies de la reacción hacia otra especie. Por lo tanto, una especie pierde electrones, llamada reductor, que en este proceso pasará a un estado de oxidación más elevado, por lo tanto, oxidándose. La otra especie, capta los electrones, llamándose oxidante. Esta especie se reduce, pasando a un estado de oxidación menor.

Red₁ – ne^- <-> Ox₁
Ox₂ + ne^- <-> Red₂

Siempre que haya una especie que se oxida, debe haber otra especie que se reduzca en el sistema, ya que los electrones se deben transferir de una especie a otra, no crearse o destruirse.

Para que haya una reacción electroquímica con especies en disolución líquida, esta disolución debe ser conductora de electrones, esto se consigue utilizando una disolución iónica, ya que los iones pueden conducir electricidad. Esta sustancia que produce iones en disolución se denomina electrolito.

Existen dos tipos de reacciones electroquímicas principales en las que:

• Se necesita aporte de una corriente eléctrica externa. Estas reacciones electroquímicas no son espontáneas, por lo que se necesita ese aporte energético exterior para producirse. Este proceso se llama Electrólisis.

• Se genera corriente eléctrica a partir de la reacción. Estas reacciones son espontáneas, y además producen energía. Seguramente este tipo de reacciones están ocurriendo muy cerca de ti en estos momentos si tienes un móvil, un reloj, una calculadora o un automóvil. Exacto, las pilas y baterías, son los ejemplos más característicos de este tipo.

En este blog se hablará sobre todo de Química Electroanalítica (más sobre ella en siguientes artículos). Con lo que nos centraremos en la parte de la Electroquímica que trata de reacciones heterogéneas entre un conductor electrónico sólido o líquido inmiscible (al que llamaremos electrodo), y sustancias en disolución líquida.

Hablando de Electroquímica

De nuevo me dispongo a hacer algo útil con este blog antes de que muera de pena o de alguna enfermedad similar.

Ahora que soy Licenciado en Química por una de las mejores facultades de Química de España (ya sé que no es decir mucho ), voy a intentar compartir algunos de los conocimientos que he adquirido durante estos años, en forma de artículos en este blog. De esta manera, espero seguir aprendiendo y profundizando en los temas de la Química que más me interesan. Y esto es, la Electroquímica, especialmente la Electroquímica Analítica.

Escribiré una serie de artículos teóricos sobre la Electroquímica Analítica más convencional, y espero, también, comentar algunos artículos científicos para dar cuenta de los movimientos que se están produciendo en la actualidad en esta gran ciencia. Si conocéis un poco este mundillo, sabréis que cada mes se mueve una cantidad inmensa  de información científica en multitud de revistas y congresos, así que será imposible hablar de todo, por lo tanto enfocaré mis escritos hacia los temas actuales que más me interesen, siempre dentro de la Electroquímica Analítica. Quizás hable de algún tema de Quimiometría, pero eso será en contadas ocasiones.

Si os preguntáis por que me interesa el Electroanálisis, habiéndo otras ciencias en Química Analítica mucho más populares como Cromatografía o Espectroscopia, es por varias razones. Los instrumentos utilizados en Electroanálisis son, en general, mucho más baratos, la miniaturización que se puede realizar a ellos es mucho mayor en la actualidad, y son muy fáciles de fabricar, y de utilizar. Todos estos factores, significan que en un futuro esta tecnología podría estar accesible a las masas, y no sólo ser utilizados por gente altamente cualificada. En el presente, esto ya es posible verlo, como máximo exponente, en los medidores de glucosa que existen en el mercado.

También, es un tema de gusto personal. Igual que te puede gustar el café o no, a mí me gusta el Electroanálisis.

Con esto no quiero decir que la Cromatografía o la Espectroscopia no sean importantes, al contrario, lo son y mucho. Y, por supuesto, también me encantan, pero no son mi preferencia.

PS. En principio tenía pensado escribir en Inglés, para seguir mejorando en la lengua de Shakespeare, pero eso significa el doble de trabajo, y sería muy complicado que cumpliera con los objetivos de escribir aquí. Así que, por ahora, será en Castellano, más adelante, ya veremos.

PS2. Ya explicaré la diferencia entre Electroquímica Analítica y Electroanálisis