Забыли данные входа?   Регистрация  

Разделение заряженных макромолекул в растворе электролита в наноканалах под действием электрического поля

Автор: Владислав Анатольевич Попов

Соавторы: В.А. Попов, М.С. Алексеев, Г. С. Ганченко, Е. А. Демехин

Организация: Южный федеральный университет, г. Ростов-на-Дону.

Разделение заряженных макромолекул в растворе электролита в наноканалах под действием электрического поля

Рисунок. Зависимость отношения скоростей «пробок» макромолекул r от числа Дебая De. 1-концентрация макромолекул 10-4 mol/m3, 2 – 3·10-4, 3 – 7·10-4, 4 – 10-3.

 

Гриффитс и Нильсон [1] экспериментально показали, что длинные наноканалы (с характерной шириной 10–100 нм) можно использовать для разделения крупных заряженных микрочастиц на основе их заряда, подвижности и других свойств. В настоящей работе теоретически рассмотрено движение двух типов заряженных макромолекул (протеинов, ДНК и других биочастиц) в буферном растворе NaCl в длинном наноканале. Для описания этого движения бралась система нелинейных сильно сцепленных уравнений Пуассона, Навье-Стокса в приближении ползущего течения и уравнений транспорта для ионов каждого типа.  Эта система уравнений разрешалась численно, метод решения адоптирован из [2]. Свойства типичных макромолекул брались из монографии [3]. Краевые условия брались из нижеописанных физических ограничений. Втекание и вытекание раствора электролита происходит из макроразмерных резервуаров, заполненных электронейтральным раствором электролита, образованного четырьмя типами ионов (Na+, Cl-  и двух типов отрицательно заряженных макромолекул), равномерно распределённых в объеме резервуара. На входе и выходе наноканала в резервуары поддерживались постоянные разность давлений и электрических потенциалов.  Стенки наноканала рассматривались отрицательно заряженными, а между дебаевскими слоями предполагалась возможность их перехлеста (overlap). Поверхностный заряд приводил к нарушению электронейтральности раствора, причем, ионы различных типов реагировали по-разному. Движущими ионы силами являются одновременно градиенты электрического потенциала, давления и концентрации, приводящие к сложному транспорту ионов вдоль наноканала из входного резервуара в сторону выходного. Отношение длины наноканала к его ширине было фиксировано и равно 100. Зарядные числа макромолекул предполагались -100 и -200, коэффициенты их диффузии рассчитывались по формуле Эйнштейна. Молярная концентрация буферного раствора соли бралась 103 моль/м3, концентрация обеих типов макромолекул предполагалась равной. Были проведены массовые расчеты при различных значениях остальных параметров. При некоторых значениях параметров, по мере движения двух типов макромолекул, они  локализовались в двух «пробках», движущихся с разными скоростями. Наиболее сильно отношение скоростей оказалось зависящим от числа Дебая. На рисунке приведены зависимости отношения скоростей «пробок» от числа Дебая, показывающее существование оптимума с точки зрения разделения макромолекул. Мы объясняем наличие экстремума достижением ситуации, когда один тип макромолекул перемещается в слое Дебая, а другой – в основном течении.

Работа была выполнена при поддержке РНФ № 22-29-00307.

 

 1. Griffiths S.K., Nilson R.H. Charged species transport, separation and dispersion in nanoscale channels.// Anal. Chem. 2006 . 78 . P 8134-8141.

2.  Shiffbauer J., Ganchenko G., Nikitin N., Alekseev M., Demekhin E. Novel electroosmotic micromixer configuration based on ion-selective microsphere // Electrophoresis, 2021. V. 42, P.2511-2518

3.  Ninham B.W. and  Nostro P. Lo. Molecular forces and self-assembly. Cambridge University Press. 2010 . 365 P.