Generation and accumulation of charge in a flow system for detecting protein markers of diseases
Authors: Иванов Ю.Д. , Козлов А.Ф. , Галиуллин Р.А. , Иванова Н.Д. , Татур В.Ю. , Зиборов В.С. , Юшков Е.С. , Плешакова Т.О. 
Published: December 2020

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 определенных 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.

Water is the main component of the human body, which determines hemodynamics. Electrokinetic properties of moving water provide generation of a charge. This work focuses on time dependence of charge generation and accumulation in water passing through a flow-based system. It was shown that under certain conditions, the time dependence of charge accumulation was nonlinear; the recorded value changed in a stepwise manner (effect of electrodynamic barrier for the charge run-off, EBCRO). Emergence of these stepwise changes depends on the distance between the tip of the input pipe and the ground electrode inserted in this pipe. This effect was observed at a distance of l~10 cm and more. The discovered effect should be taken into account in developing flow-based, highly sensitive analytic systems, such as nanowire, atomic-force microscope (AFM) based, and other systems designed to improve early detection of pathological processes. Aim: To monitor electric charge generation and accumulation in moving water as a main component of the body and a vehicle of solutions used in analytical systems. Methods: The process of charge generation and accumulation was studied in water during its motion in a flow system. In the experiments, the flow-based part of an AFM-based fishing system was used since this system provides a high concentration sensitivity in detecting protein markers of diseases. Electric charge values were measured using an electrometer incorporated in the flow system that feeds samples into the AFM-fishing system. The major elements of the sample feeding system included a peristaltic pump, a pipe for sample delivery from a tapered tip, and a measuring cell connected to an electrometer developed at the Institute of Biomedical Chemistry. During the measurements, deionized water was continuously pumped into the cell. The flow rate (~15 mL/s) was selected so that drops form on the tip nozzle (inner diameter, 0.4 mm) of the inlet pipe. To maintain a constant potential in the stock solution, a ground electrode was inserted into the inlet pipe. The distance between the electrode inside the pipe and the tip varied and was 5, 10, or 15 cm. Experiments were conducted at t = 35°C and 49% humidity. Results. In the fishing system, after the deionized water has passed through the feeding pipe of this system through the tip, an electric charge is generated and recorded when the water enters the measuring cell. According to results of measurements charge accumulation is observed. At a constant rate of water supply, accumulation of the charge in the measuring cell can be either linear or stepwise. Emergence of this effect depends on the distance between the tip and the ground electrode in the input pipe: the effect was detected at a distance of l~10 cm and more. The discovered stepwise dependence was named the effect of electrodynamic barrier for the charge run-off (EBCRO). Conclusion. In the process of water motion during its continuous pumping through the flow-based system, a charge accumulates in the measuring cell; this charge is delivered with the water from the tip of the feeding pipe. A linear-stepwise dependence of charge accumulation in the cell (EBCRO effect) is determined. Magnitude of the stepwise change in this charge (approximately several nC) depends on the distance between the tip and the ground electrode inserted into the inlet pipe. This effect should be taken into account in both basic research focusing on physicochemical properties of water and applied research focusing on development of the models describing hemodynamics in the body. In addition, the obtained results might be used in developing highly sensitive diagnostic systems, such as nanowire, AFM-based, and other fishing systems to enhance early detection of pathological process.