Journal of Nanobiotechnology, 2006; 4: 12-12 (más artículos en esta revista)

Electroforesis en nanochannels: breve examen y la especulación

BioMed Central
Fabio Baldessari (fabiob1@stanford.edu) [1], Juan G Santiago (juan.santiago @ stanford.edu) [1]
[1] Departamento de Ingeniería Mecánica, Universidad de Stanford, Stanford, CA, EE.UU.

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Resumen

Las fenómenos físicos que dominan electroforético de transporte de iones y macromoléculas en largo, delgado nanochannels se revisan, y algunos documentos de interés para el debate se citan. Ejemplo de transporte de iones a través de nanochannels es en gran medida una función de su interacción con doble capa eléctrica. Para los pequeños iones, este acoplamiento incluye el efecto neto del exterior aplicada sobre el terreno, las disposiciones internas sobre el terreno de la doble capa, y la falta de uniformidad de la velocidad del líquido. Análisis de la adsorción / desorción cinética y los efectos de la rugosidad de la superficie también puede ser importante en nanochannel electroforesis. Para macromoléculas, el movimiento resultante es más complejo ya que hay más steric de acoplamiento a través de interacciones y efectos quizá la polarización. Estas interacciones complejas y junto física representan una valiosa oportunidad para novela de electroforesis y cromatografía de separaciones.

Fondo

Los recientes avances en nano-escala de técnicas de fabricación para permitir la experimentación de la novela el papel de fluidos en los sistemas de análisis, detección y separación de agentes químicos y biológicos [1 - 9]. Los campos eléctricos pueden ser utilizados para conducir la corriente, pasar los analitos, y por separado las especies iónicas en los canales de nanómetros de tamaño. Perspicaz teórico y numérico de las exploraciones de electrokinetically física impulsada por las corrientes dentro de los canales con dimensiones comparables a las eléctricas de doble capa se remontan a más de 40 años [10 - 16]. La mayoría de estos se han centrado en el grueso / neutral flujo de líquido y la advective electromigración y componentes de la corriente en esos canales. En los últimos años, trabajo experimental se ha convertido a un planteamiento más sistemático de sondeo de la conducta de los llamados de superficie en la conducción nanochannels [2, 17], y a las especies que dependen de transporte de iones [3, 4, 18]. En esta nota un breve repaso unos interesantes informes recientes en el ámbito de la electroforesis en nanochannels, y ofrecer algunas especulaciones en cuanto a la investigación y las direcciones posibles oportunidades de nuevas funcionalidades. Queremos hacer hincapié en que se presenta un número seleccionado de los fenómenos físicos que son relevantes para electromigración de iones analito en largo, delgado nanochannels (por ejemplo, para la separación), y el debate a continuación no es en modo alguno de todos los sectores de la investigación en el nanochannel y / o nanopore campo. Por otra parte, cuando citar y describir los resultados específicos o estudios que hemos elegido para referencia únicamente determinadas publicaciones como ejemplos en lugar de ofrecer una lista completa de la labor que ha aparecido en forma impresa.

Nanochannel física

Electroforesis en nanochannels se caracteriza por la presencia dominante de la eléctrica de doble capa (EDL) que se formaron espontáneamente en la interfase entre un sólido y un electrolito. Superficie cargo está amparado en la contra-iones del electrolito. Una parte de estos contra-iones se cree que se condensan en la superficie (la reducción de la superficie efectiva densidad de carga), mientras que otra parte sigue siendo difusa y solubilized. La característica espesor de la capa difusa es la longitud de Debye como determinado por un equilibrio local de electromigración hacia la superficie y la difusión fuera de la superficie. Este Debye duración suele ser formulados como λ D = ( ε k B T / e 2 Σ j = 1 N z j 2 n j b ) 1 / 2 MathType MTEF @ @ @ 5 + 5 = @ feaafiart1ev1aaatCvAUfKttLearuWrP9MDH5MBPbIqV92AaeXatLxBI9gBaebbnrfifHhDYfgasaacH8akY = wiFfYdH8Gipec8Eeeu0xXdbba9frFj0 = OqFfea0dXdd9vqai = hGuQ8kuc9pgc9s8qqaq = dirpe0xb9q8qiLsFr0 = vr0 = vr0dc8meaabaqaciaacaGaaeqabaqabeGadaaakeaacqaH7oaBdaWgaaWcbaGaemiraqeabeaakiabg2da9maabmaabaWaaSGbaeaacqaH1oqzcqWGRbWAdaWgaaWcbaGaemOqaieabeaakiabdsfaubqaaiabdwgaLnaaCaaaleqabaGaeGOmaidaaOWaaabmaeaacqWG6bGEdaqhaaWcbaGaemOAaOgabaGaeGOmaidaaOGaemOBa42aa0baaSqaaiabdQgaQbqaaiabdkgaIbaaaeaacqWGQbGAcqGH9aqpcqaIXaqmaeaacqWGobGta0GaeyyeIuoaaaaakiaawIcacaGLPaaadaahaaWcbeqaaiabigdaXiabc + caViabikdaYaaaaaa @ @ 4BEF , Donde ε es el medio permitividad, k B T la energía térmica, e es la carga electrónica, y Σ j = 1 N z j 2 n j b MathType MTEF @ @ @ 5 + 5 = @ feaafiart1ev1aaatCvAUfKttLearuWrP9MDH5MBPbIqV92AaeXatLxBI9gBaebbnrfifHhDYfgasaacH8akY = wiFfYdH8Gipec8Eeeu0xXdbba9frFj0 = OqFfea0dXdd9vqai = hGuQ8kuc9pgc9s8qqaq = dirpe0xb9q8qiLsFr0 = vr0 = vr0dc8meaabaqaciaacaGaaeqabaqabeGadaaakeaadaaeWaqaaiabdQha6naaDaaaleaacqWGQbGAaeaacqaIYaGmaaaabaGaemOAaOMaeyypa0JaeGymaedabaGaemOta4eaniabggHiLdGccqWGUbGBdaqhaaWcbaGaemOAaOgabaGaemOyaigaaaaa @ @ 3B5A es una suma de la mayor parte de electrolitos densidad de iones (z y j n j b MathType MTEF @ @ @ 5 + 5 = @ feaafiart1ev1aaatCvAUfKttLearuWrP9MDH5MBPbIqV92AaeXatLxBI9gBaebbnrfifHhDYfgasaacH8akY = wiFfYdH8Gipec8Eeeu0xXdbba9frFj0 = OqFfea0dXdd9vqai = hGuQ8kuc9pgc9s8qqaq = dirpe0xb9q8qiLsFr0 = vr0 = vr0dc8meaabaqaciaacaGaaeqabaqabeGadaaakeaacqWGUbGBdaqhaaWcbaGaemOAaOgabaGaemOyaigaaaaa @ @ 30E8 son, respectivamente, el número de valencia y el número de densidad). Lotes de movimiento del líquido en un nanochannel, electroosmosis, es creado por arrastre de iones, previa solicitud de un campo eléctrico tangencial que impulsa la moción de counterions difusa. Electroforesis se efectuará también: la velocidad observable deriva de todos los iones móviles en el sistema. A continuación se describen los fenómenos que influyen en la electroforesis de diluir solutos, incluidos los analitos. Nos concentramos principalmente en las especies analito baja concentración suficiente de tal manera que su presencia no perturbe sensiblemente el electrolito de fondo la dinámica que determinan las características de la EDL y la velocidad de campos.

Nanómetro escala canales de exigir una nueva visión del movimiento electroforético, incluso en los casos en que el continuo hipótesis se cree que celebrar. Esto es observable porque los iones de movimiento en nanochannels no es sólo explicable por la interacción del exterior / axial sobre el terreno y los disolventes (lineal y una superposición de una velocidad uniforme disolvente), pero es el resultado del complejo acoplamiento entre estos iones y los EDL. El EDL introduce no sólo no uniforme del movimiento a granel / disolvente neutro, sino también grandes no uniforme transversal campos eléctricos. En el caso de macromoléculas y el orden en los canales de 10 nm, observable el movimiento es también, junto a steric interacciones con las paredes. Considere el típico campo transversal en una EDL, 10 7 V / m, [19], que tiende a contrarrestar los iones de migrar hacia la pared (y co-iones fuera de la pared). El plazo para esa clase de migración es para 10 -7 s para los pequeños iones. Así pues, un equilibrio se establece entre transversal electromigración y la difusión, dando lugar a gradientes de concentración transversal en un nanochannel con escalas de longitud que son propios de cada ion. Este analito específico de escala de longitud de las especies s, λ S, está en función de su número de valencia (z S), el electrolito Debye longitud, λ D, potencial zeta, y la temperatura: por ejemplo, en el marco del Debye-Huckle aproximación para los pequeños pared potencial y para muestra con iones de valencia significativamente mayor que los iones de antecedentes, S z> z, λ ε S - λ D (k B T / ze ζ) / (S z / z), donde ζ es el muro de potencial (asumió negativo), y z es, por ejemplo, los iones de valencia en un fondo de otro modo simétrico electrolito. Esto hace que la interacción de cada analito baja concentración de iones y el disolvente de una "cuestión personal" entre él y la velocidad y los campos eléctricos creados por los antecedentes de todos los demás iones en el sistema. Pruebas directas de ello son los experimentos de Pennathur Santiago y que puso de manifiesto que el transporte de iones analito está determinada no sólo por (a granel) de iones de movilidad, pero es una función de iones de valencia, EDL espesor, superficie y densidad de carga [3, 4]. Sobre la base de nuestros conocimientos es la primera vez que esta escala de longitud (λ S) está explícitamente definido. Su derivación y la forma en que puede ser útil para interpretar los datos experimentales se discutirá en una de nuestras próximas publicaciones.

Otra característica única es nanochannels de los regímenes de tipo Taylor-dispersión (es decir, la dispersión debido a gradientes de velocidad) de los pequeños diluir los analitos que no interactúan (o absorber desorb), con las paredes. Nanochannels suelen ser fabricados con alta relación de aspecto secciones transversales (w / h, los valores van desde 5 a 250 [3, 9], donde h y w son el canal de profundidad y ancho, respectivamente). La escala de tiempo neutral para la difusión de especies en todo el canal de profundidad, τ ~ h 2 h / D (D es difusividad) es, por tanto, normalmente corto en comparación con el que a través de canal ancho (τ w ~ w 2 / D). Gradientes de concentración a través del canal de profundidad rápidamente en virtud de equilibrar el flujo. Ajdari et al. [20] señala que la dispersión en canales someros con buen spanwise altura distribuciones deben ser controlados por el producto κ l P e w 2 MathType MTEF @ @ @ 5 + 5 = @ feaafiart1ev1aaatCvAUfKttLearuWrP9MDH5MBPbIqV92AaeXatLxBI9gBaebbnrfifHhDYfgasaacH8akY = wiFfYdH8Gipec8Eeeu0xXdbba9frFj0 = OqFfea0dXdd9vqai = hGuQ8kuc9pgc9s8qqaq = dirpe0xb9q8qiLsFr0 = vr0 = vr0dc8meaabaqaciaacaGaaeqabaqabeGadaaakeaacqWGqbaucqWGLbqzdaqhaaWcbaGaem4DaChabaGaeGOmaidaaaaa @ @ 31BE , Donde w = Pe Wu / D es el número de Peclet basado en la anchura del cauce en lugar del canal de altura, y κ l no es dimensional función que depende de la forma específica de la sección transversal (definido en la ecuación (7)) de Ajdari et al.). La consecuencia de esto es que la dispersión en los canales de 10 nm para la profundidad no es necesariamente trivial si su anchura es de orden 10 μ m o más grandes. De ancho, canales someros dispersión spanwise debido a gradientes de velocidad se produce a un ritmo que no son insignificantes en comparación con spanwise difusión (lo que tiende a homogeneizar el soluto enchufe). De muestreo estadístico del soluto en el ancho (spanwise) la dirección es, por tanto, menos eficiente y da lugar a una mayor dispersión que más de un idealizado, a escala infinitamente canal con el mismo fondo escala. Por cargado analitos, la cuestión de predecir los coeficientes de dispersión y la dispersión de las tasas se hace más difícil. En este caso, cruzar la corriente de difusión se ve limitada por la presencia del campo eléctrico en la EDL. Por lo tanto, podemos esperar que la dispersión en nanochannels a ser una función del acoplamiento entre los no-uniforme de velocidad y el rápido equilibrio entre dos dimensiones cruzar la corriente de difusión y cruzar la corriente de electromigración.

Un modelo más completo pueden llegar a ser muy complicado rápidamente. Por ejemplo, considere la posibilidad de que los dos más importantes propiedades de los materiales en electrocinética, viscosidad y permitividad, se cree que cada variar fuertemente a lo largo de la EDL [19, 21]. En microcanal electroforesis, tales complejidades puede ser "enterrado" por basar sólo convección-difusión-electromigración modelos de la región a granel (fuera de la EDL) en el deslizamiento observado empíricamente velocidad creado por la EDL. Nanochannels son una cuestión diferente, como todos los iones pasan ahora una importante fracción de tiempo que migran a través de la EDL y su no-uniforme propiedades de los materiales. Es observable el movimiento electroforético ahora no una función de esos bienes no uniformities? ¿Neto axial transporte mediciones contienen información útil acerca de estos no uniformities? Además, considerar el caso de incluso débilmente adsorbing / desorbing iones. Normalmente, la adsorción / desorción cinética puede ser olvidadas si la longitud es lo suficientemente grande que la difusión de tales actos en una escala de tiempo que es mucho más larga que la de adsorción / desorción cinética: este es el caso cuando la Damkohler número es grande, Da = k h anuncios / D>> 1 (en este caso los anuncios k es la constante de velocidad de primer orden irreversible cinética de adsorción). A partir de esta simple ampliación, se calcula que, para nanochannels de 40 nm de profundidad, adsorción tarifas tan bajas como 10 -4 s va a influir notablemente en cifras netas de transporte. Esto implica que muchos experimentos de electroforesis puede llegar a convertirse en cromatografía de separaciones cuando es realizada en nanochannels. ¿Puede ser explotado para nuevas funcionalidades? ¿Separaciones quirales posible? El apoyo a estas declaraciones proviene de la labor de, por ejemplo, García et al. observó que la separación de un tinte neutral (rodamina B) de un tinte con valencia -2 (Alexa 488) en SiO 2 canales con las dimensiones que varían entre 35 y 200 nm [1]. En sus experimentos, los electrocinéticas Radio (h / λ D) se varió entre 2 y 12, y atribuyó la separación a dos mecanismos: (1) repulsión electrostática de Alexa 488 de la cargada negativamente las paredes, junto con un no-uniforme electroosmotic flujo, y, (2) la adsorción de tinte neutral a las paredes. Al comparar los datos de predicciones del modelo en la presencia o ausencia de adsorción / desorción cinética, García et al. señalar que para h / λ D <4 cinética de las reacciones con las paredes pueden ser importantes.

Hay otro factor importante que merece atención en esta etapa. Se ha demostrado que en micras escala canales de pared adsorción / desorción cinética puede tener un efecto perjudicial sobre la dispersión observable [22 - 25]. Este es el caso cuando la superficie neta de las tasas de reacción cinética son lentos en comparación con (o en el orden de) el transporte neto axial. En nanochannels, y adsorción / desorción cinética son intrínsecamente más importantes como la superficie a volumen proporción aumenta [26, 27]. Esto se refleja en dos hechos: (1) la pérdida de masa a las paredes es más importante como la dimensión de canales se reduce, debido a que el número de moléculas en solución es más pequeño, y (2) el transporte difusivo se vuelve más eficiente - un descenso del número de Damkohler .

También es fácil imaginar que la rugosidad superficial y / o variaciones en el canal de profundidad Mayo firmemente la resolución afectará a nanochannel electroforesis. Aunque estos efectos no se han estudiado extensamente hay indicios de que una superficie rugosa o variaciones en el perfil de canal de aumentar efectivamente la distancia uno de iones cerca de la pared debe viajar mientras se encontraba sujeto a un pequeño campo con respecto a un ion en la mayor parte de la corriente [ 28, 29]. Podemos esperar razonablemente una disminución de la eficiencia de la separación durante un mínimo de elementos de rugosidad de un pequeño porcentaje de canal de profundidad o más.

A continuación, examinar el caso de nanochannel electroforesis de macromoléculas. En primer lugar, cuando la molécula de mayor dimensión se convierte en el orden del canal a fondo, es comprensible que esperar steric interacciones con el canal de influir en las paredes molécula de difusión, orientación, y el tiempo promedio de lugares dentro del canal. Prueba de ello es la aparición de electrocinéticas separación de fragmentos de ADN (100-1000 base-par) en los canales 100-300 nm de profundidad [18]. A través de interacciones steric, macromolécula forma juega un papel importante en su movimiento observable deriva. Efecto estérico puede incluso afectar fuertemente la adsorción / desorción cinética. En segundo lugar, un 10 7 V / m transversal sobre el terreno es lo suficientemente fuerte como para causar una significativa polarización de por lo menos algunas macromoléculas. Por ejemplo, el ADN de 12 KBP-10 MBP longitud se sabe que en virtud de polarizar 1000-5000 V / m sobre el terreno [30] y avidina (25 kDa) se conoce a polarizar a 10 6 V / m campos [31]. Polarización fuerzas, por lo tanto, puede añadir complejidad a medida que presumiblemente pueden inducir anisotrópica difusividad y la influencia de la tasa de colisión con las paredes canal. El counterion capa que rodea a una macromolécula cargado en sí puede cambiar sensiblemente la movilidad, steric interacciones, y difusividad sobre todo cuando la concentración de electrolitos de fondo es bajo. El espesor de la EDL directamente influye en la forma de la molécula, su rigidez, y su velocidad y longitudes de detección electrostática. Es evidente que, para el transporte macromolecular, modelos de proceso continuo y no vamos a necesitar por lo menos browniano simulaciones dinámicas y tal vez atomizado simulaciones para predecir el transporte electroforético incluso a la primera orden.

Las recientes pruebas experimentales, con el apoyo de algunos teóricos y numéricos de las investigaciones, también se destaca muy interesantes fenómenos que surgen en la relación entre la micro y nanochannels [6, 7, 32, 33]. Estos son consecuencia de la presencia dominante de EDL en la nanochannel. Ion-ion de enriquecimiento y agotamiento de las zonas se pueden generar en las inmediaciones de las intersecciones de un microcanal y un nanochannel [6, 33, 34]. El fenómeno no es totalmente conocido en la actualidad, pero con una descripción cualitativa que ha aparecido en la literatura puntos al aumento del flujo de iones dentro de la nanochannel debido a la mejora del transporte dentro de la EDL. El flujo iónico desequilibrio entre la micro y nanochannels es tal que las regiones se forman cerca de la entrada y / o salida de la nanochannel donde la fuerza iónica es relativamente baja con respecto a la mayor parte. En estas condiciones (y después de importantes enriquecimiento y / o agotamiento) dos efectos pareja. En primer lugar, el EDL espesor aumenta debido a la menor fuerza iónica y viceversa. En segundo lugar, los iones están debidamente protegidos de entrar en el nanochannel, a causa de la ampliación de EDL, y que se acumulan (pila) en la frontera de la EDL. Este comportamiento se ha utilizado para preconcentrate proteínas y péptidos informó a un nivel de 1 millón de veces [8].

Por último, como se mencionó al comienzo de esta sección, la dinámica de un soluto puede concentrarse con mayor que el fondo de iones electrolíticos afectar a los locales EDL y EDL-líquido asociado velocidades en una manera transitoria. La descripción en estos casos ser sumamente difícil, y hasta ahora ha sido intratable.

Posibles consecuencias de nanochannel electroforesis y oportunidades en la separación de electroforesis de ADN

Hay por lo menos unos posibles consecuencias de la nanochannel la física se ha mencionado anteriormente. Los pequeños iones migran a través de la EDL a un ritmo determinado en parte por su valencia. El conocimiento de la mayor parte electroosmotic flujo (por ejemplo, medido utilizando un fluorescente neutro especies) puede ser explotado para medir con precisión ion-valencia a través de electroforesis en nanochannels. Este concepto ha sido discutido por Pennathur y Santiago [3, 4, 35, 36] que también presentó un método que llama electrocinéticas separación de iones de valencia (EKSIV), que permite la medición independiente de ion-valencia-ion y la movilidad mediante la comparación de propiedades de transporte medido en las microempresas y las nanochannels. Esto implica que en nanochannels, al menos relativamente pequeñas moléculas con un peso que dependen de carga son transportadas a través de la EDL, a velocidades que son a su vez depende de valencia / peso molecular. Tal puede ser un mecanismo de separación. Este parece ser el caso de los oligonucleótidos de ADN donde se ha demostrado experimentalmente que 1-100 base par moléculas pueden ser separadas, rompiendo la conocida paridad entre las escalas de arrastre viscoso y fuerza eléctrica [37]. Electroforesis de proteínas es otro importante potencial de aplicación [38]. Proteínas mostrar una serie de ácidas o alcalinas grupos en su superficie como resultado de la secuencia de aminoácidos y las proteínas de estructura ternaria. Se cree que los productos de lisis celular se transporte en la misma forma a través de la EDL, y esta especulación ha impulsado una serie de experimentos en el campo de la solución libre-proteómica [38]. Tal vez el contenido de zadas el núcleo de la célula pueden ser analizados con alta fidelidad y no destructivos de gel de electroforesis libre en nanochannels. Esto, de hecho, parte de un proyecto más ambicioso que la visión que podríamos llamar nanochannel electrochromatography, que tal vez puede aplicar rápida y precisa la separación basada en el acoplamiento de todos los aspectos físicos descritos anteriormente.

Tal vez la más clara posible aplicación de nanochannel electroforesis son posibles mejoras en el estado de la técnica de separación de ADN y la secuenciación. Los métodos convencionales de ADN de electroforesis hacer uso de cualquiera de un gel o una solución concentrada de polímeros hidrofílicos como un medio que separan a las moléculas de ADN que migrar a la presencia de un campo eléctrico [39 - 43]. Gel-menos la separación de ADN a través de electroforesis nanochannel, por ejemplo, podrían ofrecer una reducción significativa de los costos y del tiempo a través de una amplia gama de la investigación básica, médicos, forenses y aplicaciones [38, 40].

No ha habido trabajo en la aplicación de dispositivos de escala nanométrica para la separación de ADN [44]. La aplicación de métodos tales como entrópica de captura [45 - 47] o trinquetes [48 - 53] o el uso de nanopores [54 - 58], se basan exclusivamente en steric tipo de interacciones para la separación. Hemos discutido cómo a estas escalas hay pertinente e importante de acoplamiento con varios otros importantes efectos físicos, sobre todo "largo alcance" electrostática de acoplamiento dentro de unos de doble capa de escalas de longitud, además de Efecto estérico. Nanochannels son potencialmente una manera de aprovechar este tipo de enganche mediante el establecimiento de equilibrios y lucrativo de la optimización de las interacciones específicas para lograr las separaciones. Gel-menos electrokinetically impulsada por la separación de ADN ha demostrado [18, 37, 59]. La mayor parte de los datos disponibles para la electroforesis de 1-100 base-pair oligonucleótidos de ADN en profundidades de 40 nm, 100 nm y 1560 nm [37]. Utilizando estos resultados y los argumentos de EKSIV de tipo teoría, este último documento sostiene que existe una compleja interacción entre finito de tamaño efectos (steric responsables de las interacciones y efectos de volumen excluido), la detección iónica de moléculas de ADN, la fuerza iónica de la suspensión electrolito, el electrolito / EDL pared, y el campo eléctrico aplicado. La física de la situación son ricos.

Outlook

Acoplamiento de diferentes fuerzas físicas a escala nanométrica permite la funcionalidad única separación en la ciencia. Electroforesis en nanochannels es un método claro para explotar este tipo de acoplamiento en solución libre-dispositivos de fluidos para una rápida y exacta de electroforesis y cromatografía.

Para lograr este objetivo es importante en esta etapa a desarrollar un entendimiento fundamental de cómo cada fenómeno está regulada, y la forma en que el acoplamiento de estos observables afecta a las separaciones. Existe una necesidad inmediata sonda experimental para la dinámica de separación electroforética en nanochannels, para ampliar la como-aún limitada base de conocimientos. Observaciones experimentales pueden poner de relieve el predominio de uno de los efectos sobre el resto e incluso el mapa sistemáticamente la física observable. En nuestras mentes, estos esfuerzos deben emprenderse con el objetivo de descubrir nuevas funcionalidades en la separación de ciencia.

Agradecimientos

Los autores desean reconocer que su labor en esta esfera ha sido patrocinado por los Institutos Nacionales de Salud (Contrato N º N01-HV-28183), un Premio PECASE NSF (JGS, de adjudicación número CTS0239080 NSF).