Elettroforesi su microchip: separazioni rapide su chip

Trasferire l’elettroforesi su un microchip significa separare proteine, acidi nucleici e altri analiti in canali lunghi pochi millimetri, applicando un campo elettrico intenso. Il risultato sono separazioni rapidissime — spesso in pochi secondi — che conservano l’alta efficienza dell’elettroforesi capillare in un formato integrabile e portatile.

Vediamo come funziona l’elettroforesi su microchip, come avvengono iniezione e separazione, quali rivelatori si usano e perché questa tecnica è così veloce.

Dall’elettroforesi capillare al microchip

L’elettroforesi separa specie cariche facendole migrare in un campo elettrico: le molecole si spostano a velocità diverse a seconda di carica e dimensione, e si dividono in bande distinte. Trasferire tutto ciò su un chip (la cosiddetta MCE, microchip capillary electrophoresis) consiste nell’incidere su vetro, silicio o polimero un microcanale di separazione collegato a serbatoi per il campione e per il tampone. Il canale di separazione è corto, ma vi si applicano campi elettrici molto intensi: il risultato è una separazione di alta qualità in tempi brevissimi.

Iniezione e geometria dei canali

Il cuore di un chip elettroforetico è il punto in cui due canali si incrociano. Le geometrie più diffuse sono a croce o a T: un canale porta il campione, l’altro è quello di separazione, e si dispongono perpendicolarmente. Cambiando i voltaggi applicati ai serbatoi si confina un volume preciso e riproducibile di campione all’incrocio e poi lo si lancia nel canale di separazione. È un’iniezione elettrocinetica: niente parti mobili, solo tensioni elettriche che spostano i liquidi.

Il flusso elettroosmotico

Quando i canali si riempiono di una soluzione tampone, alle pareti cariche del canale si genera un movimento d’insieme del liquido chiamato flusso elettroosmotico (EOF). È un fenomeno tipico dei canali microscopici e può aiutare o disturbare la separazione: spesso, soprattutto con i biomolecole, l’EOF è indesiderato perché altera i tempi di migrazione. Per questo i canali vengono spesso rivestiti con sostanze o idrogel che lo sopprimono, ottenendo separazioni più pulite e riproducibili.

v_migrazione = (μ_el + μ_EOF) · E  ·  campi intensi → separazione rapida

I rivelatori

Una volta separati nel canale, gli analiti vanno rivelati. I metodi più usati sono diversi e ciascuno ha i suoi punti di forza.

Perché è così veloce

La rapidità è la firma dell’elettroforesi su microchip. Il canale è corto, ma il campo elettrico applicato è intenso, e la velocità di migrazione è proporzionale al campo: combinando i due fattori si ottengono separazioni in tempi sorprendentemente brevi. In pratica, prodotti di reazioni di amplificazione del DNA possono essere distinti in pochi secondi, e analiti complessi separati e identificati ben al di sotto del minuto, contro i tempi molto più lunghi dei metodi tradizionali. È questa velocità, unita all’integrazione, a rendere la MCE attraente per la diagnostica rapida.

Perché conta nella pratica

L’elettroforesi su microchip porta in un formato portatile e integrabile la potenza separativa dell’elettroforesi capillare, con tempi di analisi ridotti a secondi. Per chi lavora in diagnostica, controllo qualità o analisi ambientale, significa poter separare e identificare biomolecole o piccoli analiti vicino al punto di prelievo, senza un laboratorio centralizzato. Conoscere come avvengono iniezione, separazione e rivelazione — e come si gestisce l’EOF — è essenziale per ottenere risultati affidabili da questi dispositivi.

Domande frequenti

Che cos’è l’elettroforesi su microchip?

È la versione miniaturizzata dell’elettroforesi capillare: separa specie cariche (proteine, acidi nucleici, piccoli analiti) facendole migrare in microcanali incisi su vetro, silicio o polimero, sotto l’azione di un campo elettrico. Il chip integra serbatoi per campione e tampone, e consente separazioni rapide oltre che l’integrazione con preparazione del campione e rivelazione.

Come avviene l’iniezione del campione su un chip elettroforetico?

In modo elettrocinetico, cioè tramite tensioni elettriche, senza parti mobili. I canali si incrociano a croce o a T: variando i voltaggi ai serbatoi si confina un volume preciso di campione all’incrocio e poi lo si lancia nel canale di separazione. La riproducibilità del volume iniettato dipende proprio dal controllo accurato di queste tensioni.

Che cos’è il flusso elettroosmotico e perché si sopprime?

È un movimento d’insieme del liquido che si genera lungo le pareti cariche del microcanale quando è riempito di tampone. Può alterare i tempi di migrazione e disturbare la separazione, soprattutto delle biomolecole. Per ottenere separazioni pulite e riproducibili i canali vengono spesso rivestiti con sostanze o idrogel che riducono o sopprimono questo flusso.

Quali rivelatori si usano nell’elettroforesi su microchip?

I più comuni sono la fluorescenza indotta da laser (molto sensibile, ma richiede marcatura fluorescente), la chemiluminescenza (sensibilità estrema, senza sorgente luminosa), i rivelatori elettrochimici come l’amperometrico (compatti e integrabili, adatti al point-of-care) e l’assorbanza (semplice ma meno sensibile sui canali stretti). La scelta dipende dall’analita e dal livello di sensibilità richiesto.

Perché le separazioni su microchip sono così veloci?

Perché il canale di separazione è corto e vi si applicano campi elettrici intensi, e la velocità di migrazione cresce con il campo. La combinazione di percorso breve e campo elevato permette separazioni in pochi secondi: prodotti di amplificazione del DNA, per esempio, possono essere distinti quasi istantaneamente, contro i tempi molto più lunghi dei metodi tradizionali.