Генерация и аккумуляция заряда в проточной системе для выявления белковых маркеров заболеваний

  • Юрий Дмитриевич Иванов ФГБНУ «Научно-исследовательский институт биомедицинской химии им. В.Н. Ореховича», 119121, г. Москва, Россия, ул. Погодинская, д. 10
  • Андрей Федорович Козлов ФГБНУ «Научно-исследовательский институт биомедицинской химии им. В.Н. Ореховича», 119121, г. Москва, Россия, ул. Погодинская, д. 10
  • Р. А. Галиуллин ФГБНУ «Научно-исследовательский институт биомедицинской химии им. В.Н. Ореховича», 119121, г. Москва, Россия, ул. Погодинская, д. 10
  • Нина Дмитриевна Иванова ФГБОУ ВО «Московская Государственная Академия Ветеринарной Медицины и Биотехнологии — МВА им. К.И. Скрябина», 109472, г. Москва, Россия, ул. Академика Скрябина, д. 23
  • Вадим Юрьевич Татур Фонд перспективных технологий и новаций, 115682, г. Москва, Россия
  • Вадим Серафимович Зиборов Объединенный институт высоких температур РАН, 125412, г. Москва, Россия, ул. Ижорская, д. 13, строение 2
  • Евгений Семенович Юшков Национальный исследовательский ядерный университет МИФИ, 115409, г. Москва, Россия, Каширское шоссе, д. 31
  • Татьяна Олеговна Плешакова ФГБНУ «Научно-исследовательский институт биомедицинской химии им. В.Н. Ореховича», 119121, г. Москва, Россия, ул. Погодинская, д. 10
Ключевые слова: проточная система подачи образца, фишинг белков, генерация заряда

Аннотация

Вода является основной компонентой в организме человека, определяющей гемодинамику. В процессе движения воды наблюдается генерация заряда, обусловленная её электрокинетическими свойствами. В работе исследована временная зависимость генерации и аккумуляции заряда в воде, движущейся по проточной системе. Показано, что при определённых условиях, временная зависимость аккумуляции заряда имеет нелинейный характер — наблюдается скачкообразное изменение регистрируемой величины (эффект электрогидродинамического барьера стекания заряда, ЭБСЗ). Появление этих скачков зависит от расстояния (l) между срезом наконечника подающей трубки проточной системы и электродом заземления, вставленным в эту трубку. Эффект наблюдается при расстоянии l~10 см и более. Этот эффект должен учитываться в фундаментальных исследованиях свойств воды, а также при разработке моделей, описывающих гемодинамику в организме в норме и патологии. Кроме того, полученные результаты следует использовать при разработке высокочувствительных аналитических систем, таких, как нанопроводные, на основе атомно-силового микроскопа (АСМ) и других диагностических систем, предназначенных для повышения эффективности раннего выявления патологического процесса. Цель исследования: мониторинг генерации и аккумуляции электрического заряда при движении воды, как компоненты организма и основы растворов, используемых в аналитических системах. Методика: исследован процесс генерации и аккумуляции заряда в воде при ее движении в проточной системе. В качестве такой системы использовалась проточная часть АСМ-фишинг системы, с помощью которой показана возможность высокой концентрационной чувствительности анализа при обнаружении белковых маркеров заболеваний. Измерения величины электрического заряда проводились с помощью электрометра, включенного в проточную систему подачи образца системы АСМ-фишинга [1, 2]. Основные элементы системы подачи — перистальтический насос, трубка для подачи воды, полипропиленовый наконечник к трубке и измерительная ячейка. К измерительной ячейке подключен электрометр, разработанный в ИБМХ. В процессе измерений деионизованная вода непрерывно подавалась в ячейку с помощью насоса. Скорость потока (~15 мкл/с) подобрана таким образом, чтобы на наконечнике (внутренний диаметр 0,4 мм) подающей трубки формировались капли. Для поддержания постоянного потенциала в резервуаре с исходной водой, в подающую трубку вставлен электрод заземления. Расстояние от электрода до среза наконечника трубки (l) варьировалось и составляло 5, 10 или 15 см. Эксперименты проводились при t = 35°C и влажности 49%. Результаты: показано, что в фишинг-системе, после прохождения деионизованной воды по подающей трубке этой системы, генерируется электрический заряд, который регистрируется при поступлении воды в измерительную ячейку. По результатам измерений наблюдается аккумуляция заряда. При постоянной скорости подачи воды наблюдается как линейное увеличение величины заряда в измерительной ячейке, так и скачкообразное. Появление этого эффекта зависит от расстояния между наконечником и электродом заземления в подающей трубке — эффект обнаруживается при величине этого расстояния, l~10 см и более. Обнаруженная скачкообразная зависимость названа эффектом электрогидродинамического барьера стекания заряда (ЭБСЗ). Заключение: Обнаружено, что при движении воды в проточной системе, в процессе её непрерывной подачи, в измерительной ячейке накапливается заряд, поступающий с водой из наконечника подающей трубки. Установлена линейно-скачкообразная зависимость накопления заряда в ячейке (эффект ЭБСЗ). Величина скачка накопленного заряда (порядка нескольких нКл) зависит от расстояния между наконечником и электродом заземления, вставленного в подающую трубку. Этот эффект должен учитываться при проведении фундаментальных исследований, посвященных изучению физико-химических свойств воды, а также при создании уточненных моделей, описывающих гемодинамику в организме в норме и патологии. Кроме того, полученные результаты следует использовать при разработке высокочувствительных диагностических систем на основе молекулярных детекторов, включающих проточный способ подачи образца, и предназначенных для повышения эффективности раннего выявления патологического процесса.

Скачивания

Данные скачивания пока не доступны.

Литература

1. Ivanov Y.D., Pleshakova T.O., Маlsagovа К.A., Kozlov A.F., Kaysheva A.L., Kopylov A.T., Izotov A.A., Andreeva E.Yu., Kanashenko S.L., Usanov S.A., Archakov A.I. Highly sensitive protein detection by combination of atomic force microscopy fishing with charge generation and mass spectrometry analysis. The FEBS Journal. 2014; 281(20): 4705-17.
2. Ivanov Yu.D., Pleshakova T.O., Malsagova K.A., Kaysheva A.L., Kopylov A.T., Izotov A.A., Tatur V.Yu., Vesnin S.G., Ivanova N.D., Ziborov V.S., Archakov A.I. AFM-based protein fishing in the pulsed electric field. Biochemistry (Moscow) Supplement Series B: Biomedical Chemistry. 2015; 9(2): 121-9.
3. Плешакова Т.О., Мальсагова К.А., Козлов А.Ф., Канашенко С.Л., Иванова Н.Д., Садовская Т.А., Арчаков А.И., Иванов Ю.Д., Высокочувствительный АСМ-фишинг альбумина. Патогенез. 2016; 3: 30-6.
4. Archakov A.I., Ivanov Y.D., Lisitsa A.V., Zgoda V.G. Biospecific irreversible fishing coupled with atomic force microscopy for detection of extremely low-abundant proteins. Proteomics. 2009; 9(5): 1326-43.
5. Pleshakova T.O., Shumov I.D., Ivanov Yu.D., Malsagova K.A., Kaysheva A.L., Archakov A.I., AFM-Based Technologies as the Way Towards the Reverse Avogadro Number. Biochemistry (Moscow) Supplement Series B: Biomedical Chemistry. 2015; 9(3): 244-57.
6. Patolsky, F., Zheng, G., Hayden, O., Lakadamyali, M., Zhuang, X., Lieber, C. M. Electrical detection of single viruses. Proc Natl Acad Sci USA. 2004; 101: 14017-22.
7. Mаlsagovа К.А., Ivanov Y.D., Pleshakova T.O., Kaysheva A.L., Shumov I.D., Kozlov A.F., Archakov A.I., Popov V.P., Fomin B.I., Latyshev A.V., A SOI-nanowire biosensor for the multiple detection of D-NFATc1 protein in the serum. Analytical Methods. 2015; 7(19): 8078-85.
8. Маlsagovа К.А., Ivanov Y.D., Pleshakova T.O., Kozlov A.F., Krokhin N.V., Kaysheva A.L., Shumov I.D., Popov V.P., Naumova O.V., Fomin B.I., Nasimov D.A. SOI-nanowire biosensor for detection of D-NFATc1 protein. Biochemistry (Moscow) Supplement Series B: Biomedical Chemistry. 2014; 8(3): 220-5.
9. Ivanov Yu. D., Pleshakova T. O., Kozlov A. F., Malsagova K.A., Krohin N.V., Shumyantseva V.V., Shumov I.D., Popov V.P., Naumova O.V., Fomin B.I., Nasimov D.A., Aseev A.L., Archakov A.I. SOI nanowire for the high-sensitive detection of HBsAg and a-fetoprotein. Lab on a Chip. 2012; 12(23): 5104-11.
10. Dongwhi Choi, Horim Lee, Do Jin Im, In Seok Kang, Geunbae Lim, Dong Sung Kim, Kwan Hyoung Kang. Spontaneous electrical charging of droplets by conventional pipetting. Scientific Reports. 2013; 3(2037): 1-7.
11. McCarty L.S, Whitesides G.M. Electrostatic charging due to separation of ions at interfaces: contact electrification of ionic electrets. Angew. Chem. Int. Ed. 2008; 47: 2188-207.
12. Pershin, S. Conversion of ortho-para H2O isomers in water and a jump in erythrocyte fluidity through a microcapillary at a temperature of 36.6±0.3 °C. Phys.Wave Phenom. 2009; 17: 241-50.
13. Холманский A.С. Два типа аномальной термодинамики воды. Априори. Серия: Естественные и технические науки. 2015; 1: 1-17.
14. Иванов Ю.Д., Мальсагова К.А., Татур В.Ю., Веснин С.Г., Иванова Н.Д., Зиборов В.С. СВЧ- излучение воды в аналитических системах. Патологическая физиология и экспериментальная терапия. 2015; 59(4): 78-81;
15. Иванов Ю.Д., Мальсагова К.А., Татур В.Ю., Веснин С.Г., Иванова Н.Д., Зиборов В.С. СВЧ-излучение раствора альбумина при внешнем возбуждении. Патологическая физиология и экспериментальная терапия. 2016; 60(3): 101-104;
16. Ivanov Y.D., Kozlov A.F., Mаlsagovа К.А., Pleshakova T.O., Vesnin S.G., Tatur V.Yu., Ivanova N.D., Ziborov V.S. Monitoring of microwave emission of HRP system during the enzyme functioning. Biochemistry and Biophysics Reports. 2016; 7: 20-25;
17. Ivanov Y.D., Mаlsagovа К.А., Izotov A.A., Pleshakova T.O., Tatur V.Yu., Vesnin S.G., Ivanova N.D., Usanov S.A., Archakov A.I. Detection of microwave radiation of cytochrome CYP102 A1 solution during the enzyme reaction. Biochemistry and Biophysics Reports. 2016; (5): 285-289.
18. Иванов Ю.Д., Козлов А.Ф., Галиуллин Р.А., Татур В.Ю., Веснин С.Г., Зиборов В.С., Иванова Н.Д., Плешакова Т.О. Мониторинг флуктуаций яркостной температуры воды в СВЧ-диапазоне. Патологическая физиология и экспериментальная терапия. 2017; 61(2):101-107.
Опубликован
2018-01-27
Как цитировать
, , , , , , , . Генерация и аккумуляция заряда в проточной системе для выявления белковых маркеров заболеваний // Патологическая физиология и экспериментальная терапия. 2018. Т. 62. № 1. С. 109-116.
Раздел
Методика