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ELETROFORESE CAPILAR - EC CONCEITOS E APLICAÇÕES DA ELETROFORESE CAPILAR Prof. Dr. José Eduardo Gonçalves Eletroforese é a migração dos íons em solução sob a influência de um campo elétrico. Migração de partículas eletricamente carregadas em meio viscoso devido à ação de um campo elétrico. Eletroforese é o fenômeno pelo qual partículas carregadas (ânions ou cátions) movem-se em uma solução aquosa sob a influência de um campo elétrico aplicado, indo cada uma delas em direção ao eletrodo de carga oposta a sua. O primeiro a realizar esse tipo de separação foi o químico Arne Tiselius, empregando a eletroforese para separar proteínas em soro em tubos de vidro moldados em forma de U. Com esse trabalho, Tiselius recebeu o Prêmio Nobel em Química no ano de 1948. Este método era limitado devido à instabilidade do aparelho, e mais significativamente, pelos efeitos de difusão e aquecimento gerados pelo campo elétrico, os quais comprometiam a resolução (a separação) dos compostos. Estes efeitos foram minimizados com a introdução de suporte (gel ou papel) que ajudou a reduzir o movimento livre dos analitos, de forma que o efeito da difusão fosse diminuído. O sistema oferecia um baixo nível de automação, tempos de análise longos e após a separação a detecção era feita visualmente. Eletroforese Capilar (EC) é a aplicação deste processo desenvolvida em tubos de sílica fundida de diâmetros internos reduzidos (capilares), normalmente entre 25 e 100 mm, com voltagens aplicadas de até 30 kV. A eletroforese capilar foi introduzida em 1981, por Jorgenson e Lukacs. Como quase todas as boas idéias, a eletroforese capilar é fácil e eficiente. Eletroforese Capilar Uma diferença de potencial elétrico de ~ 30 kV separa os componentes de uma solução dentro de um tubo capilar de sílica (SiO2) fundida, com comprimento variando de 30 a 70 cm e diâmetro interno de 25 a 100 mm. Solutos diferentes possuem mobilidades diferentes e, portanto, migram através do capilar com velocidades diferentes. O equipamento é constituído por componentes simples e perfeitamente controlados, proporcionando a reprodutibilidade e a confiabilidade requeridas para a validação dos métodos analíticos empregados no controle de qualidade (ex. controle de qualidade de medicamentos). Para muitas moléculas importantes, a EC proporciona ótimos resultados quando comparada com outras técnicas. A EC pode ser aplicada na separação de alguns compostos com estruturas muito complexas, tais como princípios ativos altamente polares, enantiômeros e compostos básicos, A EC permite, ainda, fácil validação de ensaios quantitativos para determinação de traços de impurezas, assim como para a determinação quantitativa de vários compostos em fluídos biológicos. A EC é um método de separação com elevada resolução aliada à rapidez de análise, sendo capaz de separar dezenas de compostos em menos de 5 minutos. Dificuldades da EC consiste em evitar o surgimento de bolhas, devido à passagem de corrente elétrica através do eletrólito suporte, o que gera um aumento da temperatura no interior do capilar e, em função do diâmetro reduzido, o surgimento de bolhas é bastante frequente. A Figura abaixo ilustra as relações de tamanho em um capilar típico de EC. Capilar típico utilizado em EC. Na EC o volume de amostra analisado é muito pequeno, sendo introduzidas na coluna capilar quantidades da ordem de nanolitros da solução amostra. A EC pode ser classificada como uma técnica de separação eletroassistida, onde o princípio fundamental de separação é a diferença entre as velocidades de migração de cada uma dos analitos dentro da coluna sob a influência do campo elétrico. A EC é uma técnica aplicável na determinação de uma grande variedade de amostras, incluindo hidrocarbonetos aromáticos, vitaminas hidro e lipossolúveis, aminoácidos, íons inorgânicos, ácidos orgânicos, fármacos, catecolaminas, substâncias quirais, proteínas, peptídeos e muitos outros. Uma característica que difere a EC das outras técnicas é a sua capacidade única para separar macromoléculas carregadas eletricamente de interesse tanto em indústrias de biotecnologia quanto em pesquisas biológicas. APLICAÇÕES Ex.: O projeto Genoma Humano, que foi concluído recentemente, foi necessário distinguir os diversos polinucleotídeos, com massas moleculares por volta de 200 a 500 Daltons (Dalton = u.m.a.) que diferiam entre si por um único nucleotídeo. Somente a EC tem resolução suficiente para este tipo de separação. Além de permitir que milhares de nucleotídeos fossem seqüenciados em um único dia APLICAÇÕES APLICAÇÕES Sequenciador de DNA tipo Megabase No equipamento de EC envolve a aplicação de alta voltagem, tipicamente 5 a 30 kV em um capilar de diâmetro reduzido gerando correntes na faixa de 10 a 100 mA. O uso do capilar apresenta várias vantagens, particularmente com respeito ao aquecimento Joule. INSTRUMENTAÇÃO 20 a 50 cm 20 a 150 mm + ou - + ou - 50 kV Sol. Tamponada Amostras 1 a 100 nL Detector Fluxo 0,5 a 4 nL s-1 Diâmetro interno 20 a 150 mm Diâmetro externo 375 mm A alta resistência elétrica do capilar permite a aplicação de campos elétricos altos pois gera um aquecimento mínimo, além disso o formato de capilar propicia uma dissipação eficiente do calor gerado. O uso de campos elétricos altos resulta em tempo de análise curto, alta eficiência e resolução. Na eletroforese capilar, o capilar é preenchido com uma solução tampão e suas extremidades são mergulhadas em recipientes, que contém a solução tampão, e onde é aplicado um campo elétrico, que gera uma corrente no interior do capilar. INSTRUMENTAÇÃO Os eletrodos são feitos de um material inerte, tal como, platina, e são também mergulhados na solução para fechar o circuito. O capilar passa através de um detector, usualmente um detector espectrofotométrico de absorção no UV/Vis. Uma pequena quantidade de amostra é introduzida em uma das extremidades do capilar. A aplicação do campo elétrico provoca o movimento dos analitos em direção aos eletrodos. INSTRUMENTAÇÃO Injeção da amostra • Gravidade Injeção da amostra • Hidrodinâmica Injeção da amostra • Hidrodinâmica Injeção da amostra • Eletrocinética Alta voltagem As separações em EC são baseadas na presença de um fluxo eletricamente induzido, denominado fluxo eletroosmótico (FEO), um fenômeno eletroforético que gera o fluxo da solução dentro do capilar, que faz com que os solutos se movimentem em direção ao detector. INSTRUMENTAÇÃO O FEO pode reduzir significativamente o tempo de análise ou forçar um íon a reverter a sua tendência de migração em direção a um eletrodo, pelo qual está sendo atraído, devido ao sinal de sua carga. O gráfico, gerado pelo detector, tempo em função de resposta do detector é denominado eletroferograma. INSTRUMENTAÇÃO INSTRUMENTAÇÃO CAPILARES Os capilares podem ser: 1 - Vidro (para l > 280 nm); 2 - Teflon (flexível, transparente no UV, porém não pode ser usado com alta voltagem); 3 - Sílica fundida, normalmente recoberta externamente com uma camada de proteção de poliimida, que produzuma melhora na resistência mecânica, uma vez que é extremamente frágil e se quebra com facilidade. Uma pequena porção deste recobrimento é removida a fim de se formar uma janela para a detecção. A janela é então alinhada ao centro óptico do detector. CAPILARES Os capilares são, tipicamente, de 25 a 100 cm de comprimento com 15 a 100 µm de diâmetro interno. A superfície interna do capilar pode ser quimicamente modificada por meio de ligação covalente com diferentes substâncias. O controle de temperatura ao redor do capilar é muito importante para assegurar separações reprodutíveis. CAPILARES Na EC, diferentemente das técnicas cromatográficas (CG e CLAE), a amostra não é injetada e sim introduzida no capilar pelo lado mais distante do detector. Volumes típicos de injeção são de 10 a 100 nL. O modo de injeção mais empregado em EC é o denominado hidrodinâmico, onde o capilar é mergulhado em um frasco contendo a amostra o qual é em seguida pressurizado, submetido ao vácuo ou erguido (efeito sifão) provocando a entrada de um certo volume de amostra no capilar. CAPILARES Uma outra alternativa é obtida através da inserção do capilar e do eletrodo no frasco da amostra seguida da aplicação de uma voltagem, sendo que solutos neutros são arrastados pelo FEO, ao passo que solutos carregados irão migrar para dentro do capilar, por causa do FEO e também da migração eletroforética. Este tipo de injeção é denominado de injeção eletrocinética. CAPILARES A parede do capilar de sílica contém grupos silanóis (SiOH) os quais se ionizam (SiO- + H+) quando em contato com soluções tampão com pH altos. Esta dissociação produz uma superfície carregada negativamente. Uma camada de contra-íon (cátions) é então formada próxima à parede do capilar a fim de manter a eletroneutralidade. Isto forma a dupla camada e cria uma diferença de potencial muito próxima à parede e este fenômeno é conhecido como potencial zeta. FLUXO ELETROOSMÓTICO - FEO O potencial zeta é essencialmente determinado pela carga da superfície na parede do capilar (a carga é dependente do pH). Quando uma diferença de potencial (ddp) é aplicada, estes íons metálicos e suas moléculas associadas solvatadas com água migram em direção ao cátodo. FLUXO ELETROOSMÓTICO Este movimento de íons resulta no movimento das espécies em direção ao detector e pode ser considerado como um fluxo eletricamente dirigido. O Nível do FEO é altamente dependente do pH do eletrólito, uma vez que o potencial zeta é governado pela ionização dos grupos silanóis (ácidos) da parede do capilar. Abaixo de pH 4, a ionização dos grupos silanóis é pequena e o FEO não é significante, enquanto que acima de pH 9 os silanóis ficam completamente ionizados e portanto o FEO é alto. FLUXO ELETROOSMÓTICO Paredes do capilar FEO – fluxo eletroosmótico FEO + - FEO + - FLUXO ELETROOSMÓTICO Dependência do fluxo eletroosmótico em função do pH FLUXO ELETROOSMÓTICO O potencial zeta é gerado em todo o comprimento do capilar e portanto produz uma velocidade de fluxo uniforme sem gerar pressão. O perfil do FEO é do tipo plano (plug) e isto tem um efeito benéfico, uma vez que ele não contribui diretamente para o alargamento dos picos, pois as moléculas do soluto se moverão em velocidades muito próximas. Esta é uma grande vantagem da EC quando comparada ao perfil parabólico (fluxo laminar) da CLAE, característico do fluxo induzido por pressão. FLUXO ELETROOSMÓTICO A solução em fluxo laminar move mais lentamente próximo a parede da coluna e mais rapidamente no centro, resultando em diferentes velocidades do soluto ao longo da coluna. Assim, quanto maior o tempo que o soluto despender para percorrer o leito da coluna mais largo se tornará o perfil do pico. Perfil do fluxo eletroosmótico, comparado com o do fluxo pressurisado + - Fluxo eletroosmótico Fluxo hidrodinâmico FLUXO ELETROOSMÓTICO Outro benefício do FEO é que ele gera o movimento de quase todas as espécies, apesar das cargas, na mesma direção. Sob condições normais (superfície carregada negativamente), o fluxo é do ânodo para o cátodo. Com o FEO os ânions serão conduzidos em direção ao cátodo uma vez que o fluxo gerado pode ser mais que uma ordem de magnitude maior que as mobilidades eletroforéticas. Assim, cátions, neutros e ânions serão eletroferografados em uma mesma corrida, uma vez que eles migram na mesma direção. FLUXO ELETROOSMÓTICO Cátions migram mais rápido, pois sofrem atração pelo cátodo, neutros são arrastados na mesma velocidade do FEO e não são separados e ânions migram mais lentamente uma vez que são atraídos para o ânodo, mas são arrastados pelo FEO em direção ao cátodo. FONTES DE ALARGAMENTO DOS PICOS A separação na eletroforese é baseada nas diferenças de mobilidades dos solutos. Fatores que contribuem para o alargamento dos picos são: • Difusão Molecular; • Aquecimento Joule; • Fluxo eletroosmótico; • Detecção on-column (volume morto); • Injeção da amostra DETECTORES O detector mais frequentemente utilizado em EC é o espectrofotométrico de absorção no UV/Vis devido à sua natureza quase universal, ou seja, pode ser aplicado na detecção de várias classes de substâncias. A maioria dos instrumentos têm também detectores com arranjo de diodos disponíveis, o qual fornece um espectro de UV/Vis para cada substância detectada. O acoplamento de EC com espectrômetro de massas é usualmente empregado para dar informações estruturais dos analitos. Detector Limite de Deteção aproximado (mg L-1 ) Absorção no UV-Visível 10-1 Absorção Indireta no UV- Visível 1 Fluorescência 10-3 Fluorescência Indireta 10-2 Fluorescência Induzida por Laser 10-6 Espectrômetro de Massas 10-4 Amperométrico 10-5 Condutividade 10-3 10-5 – 10-6 Condutividade 10-5 – 10-6 Índice de refração 10-4 – 10-9 Espectrometria de massa 10-6 – 10-7 Raman 10-8 – 10-9 Amperometria 10-14 – 10-16 Fluorescência induzida por laser 10-7 – 10-9 Fluorescência direta (lâmpada) 10-5 – 10-8 Absorção no UV-vis LD (mol L-1) Detector Detecção MODOS DE SEPARAÇÃO A eletroforese é um nome genérico dado para uma série de técnicas de separação que envolvem a aplicação de um campo elétrico em um capilar preenchido com uma solução tampão. As bases destas separações estão: • Eletroforese Capilar em Solução Livre (ECSL); • Eletroforese Capilar por zona (ECZ); • Eletroforese Capilar em Gel (ECG) ; • Eletrocromatografia Capilar Micelar (ECCM); • Eletroforese Capilar com Focalização Isoelétrica (ECFI); • Isotacoforese Capilar (IC) Técnicas de EC • Eletroforese de Zona Capilar • Eletroforese de Gel Capilar • Foco Isoelétrico Capilar • Isotachoforese • Cromatografia Capilar Eletrocinética Micelar • Eletrocromatografia Capilar EZC EGC FIC ITF CCEM ECC Seleção ITF ITF EGC FIC FIC ITF CCEM EGC CCEM CCEM ITF EGC EGC EZC EZC EZC EZC DNA Oligonucleotídeos Proteínas Peptídeos Pequenas moléculas Pequenos íons Eletroforese de zona capilar EZC • Solução livre diferenças de mobilidade eletroforética map = m + FEO Contra-eletroosmótica map = - m + FEO Co-eletroosmótica map = + m + FEO Sem FEOmap = m Escolha do tampão • Eletrólise do eletrólito – Devido ao uso de altas voltagens • Como tamponar? – Ácido fraco • Ex: benzoato e ftalato – Cátions NaOH, KOH – ânions fosfato – anfólitos • Ex. histidina, lisina, ac. Glutâmico, MES • pH próximo ao PI forma zwiteriônica • pKa dos grupos tamponantes 1 unidade de pH • Não contribui para a condutividade do eletrólito. Escolha do tampão Tampão Limites de pH Fosfato 1,14 – 3,14 Acetato 3,76 – 5,76 Fosfato 6,20 – 8,20 Borato 8,14 – 10,14 Tampões Zwiteriônicos MES 5,15 – 7,15 PIPES 5,80 – 7,80 HEPES 6,55 – 8,55 Tricina 7,15 – 9,15 Tris 7,30 – 9,30 Tampões para EC ANÁLISES QUANTITATIVA E QUALITATIVA A análise qualitativa é feita através da comparação dos tempos de migração dos padrões com os tempos de migração das substâncias presentes na amostra e/ou através de espectros de UV/Vis (detector por arranjo de diodos) ou do espectro de massas (detector espectrômetro de massas). ANÁLISES QUANTITATIVA E QUALITATIVA A quantificação das substâncias, com concentrações desconhecidas, presentes na amostra, é feita através do procedimento usual de calibração: 1) injeção de soluções dos padrões de concentrações conhecidas; 2) obtenção das respostas do detector para cada composto, em função da altura, área ou área dividida pelo tempo de migração; 3) construção da curva analítica (resposta do detector versus concentração); 4) injeção das amostras; 5) obtenção das respostas do detector para as amostras; 6) quantificação das substâncias através das curvas analíticas. VANTAGENS E LIMITAÇÕES A técnica de EC possui uma série de vantagens, tais como: • rapidez; • versatilidade; • baixo custo por análise; • alto poder de separação (resolução); • consumo mínimo de amostras, reagentes e solventes; • oferece a possibilidade de automação e detecção on-line. VANTAGENS E LIMITAÇÕES Entretanto esta técnica oferece algumas limitações, pois não é adequada para a determinação de compostos voláteis, não- polares e de massa molar baixa, os quais são melhores determinados por cromatografia gasosa. Também não é muito adequada para a análise de polímeros não iônicos de massa molar alta, sendo mais adequado a análise por cromatografia líquida de alta eficiência. APLICAÇÕES DA EC Um método rápido, fácil e reprodutível foi desenvolvido e validado para análise na urina humana de metotrexato, leucovorina e ácido fólico por Eletroforese Capilar por Zona (ECZ). Uma ótima separação foi obtida em um capilar de 60 cm x 75 mm, usando uma solução tampão fosfato 15 mM (pH = 12), T = 20 oC, voltagem 25 kV e injeção hidrodinâmica. Tempo de análise de ~ 9 min. Para os diferentes aspectos, tais como: estabilidade das soluções, linearidade, reprodutibilidade e precisão se mostraram muito bons. Antes da determinação ECZ as amostras de urina foram purificadas e enriquecidas por meio de uma extração em fase sólida com um pré-concentrador C18 e o composto eluído com uma mistura 1:1 metanol – água. Uma resposta linear foi obtida para: • metotrexato (MTX) – 1,0 – 6,0 mg.L-1; • ácido folínico e ácido fólico – 0,5 – 6,0 mg.L-1. Limite de detecção para os três compostos foram 0,35 mg.L-1. A ECZ mostrou ser um bom método de análise, simples, precisão satisfatória e boa sensibilidade. A) Ácido Fólico - FA; B) Metotrexato - MTX; C) Ácido Folínico - LV Eletroferograma de uma mistura padrão de 18 mg.L-1 de MTX, FA e LV. Condições de análise: tampão borato 20 mM (pH 9,7), 30 kV e 20 oC. Eletroferograma de uma mistura padrão de 18 mg.L-1 de MTX, FA e LV. Condições de análise: tampão fosfato 20 mM (pH 12), 25 kV e 20 oC. Urina Urina – 3mg.L-1 de MTX, FA e LV Padrão Condições ótimas de análise Eletrólito: tampão fosfato 15 mM, pH 12; Voltagem: 25 kV; Capilar: 60 cm x 75 mm; Temperatura: 20 oC; Comprimento de onda: 305 nm A presença de succinilacetona na urina, sangue ou fluído aminiótico é atribuída a uma desordem metabólica herdada, nomeada tirosinemia tipo I. Foi desenvolvido um método por eletroforese capilar para análise de succinilacetona em amostras de urina. A separação foi realizada usando um sulfactante catiônico de polaridade inversa ou um capilar recoberto com um polieletrólito carregado positivamente. Nestas condições as amostras de urinas foram injetadas diretamente no capilar sem tratamento prévio. A viabilidade do método foi comprovada pela identificação de succinilacetona para pacientes com tirosinemia tipo I hereditária. Para todos os pacientes os picos foram detectados com excelentes tempos de migração. O método desenvolvido é rápido, simples, barato, e satisfatório para a determinação de succinilacetona em amostras de urina. Condições ótimas de análise Eletrólito: tampão borato 5 mM, 20 mM de NaCl, 0,05 mM de sufactante catiônico, pH 9,2; Voltagem: - 28 kV; Capilar: 48 cm x 75 mm; Temperatura: 20 oC; Comprimento de onda: 295 nm Eletroferograma: A) amostra de urina de um paciente saudável; B) amostra de urina contendo succinilacetona; C) amostra de urina de um paciente com tirosinemia tipo I. Todas as amostras de urina de pacientes com tirosinemia foram analisadas por GC-MS 5 amostras de urinas de bebê foram analisadas e comparados os resultados por GC-MS e foi observado a presença do pico de succinilacetona em todas as amostra no tempo de retenção esperado. Foi desenvolvido um método de eletroforese capilar quiral para a separação enantioseletiva do citalopram racêmico R e S, usando um seletor quiral -ciclodextrina – carboximetil (CM- -CD). A influência dos parâmetros químicos e instrumentais na separação foram investigadas, tais como: • concentração da ciclodextrina; • concentração do tampão; • pH da solução tampão; • voltagem; • pressão da injeção; • temperatura; • tamanho do capilar Boa separação da mistura foi obtida em um tempo menor que 4 min., usando um capilar de sílica fundida, um eletrólito de fundo e um tampão fosfato contendo o seletor quiral CM- -CD. Condições ótimas de análise Eletrólito: tampão fosfato 20 mM (pH 9,2), contendo 0,15 % de seletor quiral CM- -CD (m/v) Voltagem: 30 kV; Capilar: 60 cm x 75 mm; Temperatura: 15 oC; Comprimento de onda: 205 nm Eletroferograma da solução padrão 20 mg.L-1 do citalopram racêmico, nas condições ótimas de análise. Resultados das análises de formulações farmacêuticas contendo citalopram racêmico ou escitalopram. Eletroferograma de duas preparações farmacêuticas analisadas. O presente trabalho descreve um método simples, preciso e rápido para a separação e determinação simultânea de codeína, difenildramina, efedrina e noscapina presentes em formulações de xarope através de eletroforese capilar por zona. Fatores que afetam a separação são: • concentração e o pH do tampão; • voltagem aplicada; • presença de aditivos. As separações foram realizadas em um tempo menor que 10 min. Com um tampão tetraborato de sódio 20 mM (pH 8,5). Quantificação dos componentes nas formulações de xarope foi calculada contra as respostas de soluções padrão. O método foi validado e para todas as análises foram verificadas a garantia de qualidade e controle de qualidade. O procedimento foi rápido e seguro e fármacoscomerciais poderiam ser analisados sem procedimento prévio de abertura ou tratamento. Condições ótimas de análise Eletrólito: tampão tetraborato de sódio 20 mM (pH 8,5) Voltagem: 30 kV; Capilar: 67 cm x 75 mm; Temperatura: 25 oC; Comprimento de onda: 205 nm Considerações finais Velocidade Baixo consumo Eficiência de separação Baixo custo de operação Limites de detecção Química ambiental Nutrição de plantas Microbiologia CONCLUSÃO A EC é uma técnica que pode ser empregada em diversas áreas, tais como: • Análise de Aminoácidos. • Análise de Alimentos. • Análises Toxicológicas. • Análises Clínicas (Hb, Fenilalanina, Homocisteína, ...). • Análise de Cátions e Ânions em Águas. • Controle de Qualidade na Indústria Farmacêutica. • Análise de DNA e Sequenciamento. Os protocolos de análises por ser uma técnica recente precisam ser elaborados e cada amostra requer um novo protocolo.
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