Rapid Temperature Jump by Infrared Diode Laser Irradiation for Patch-Clamp Studies

1. Rapid Temperature Jump by Infrared Diode Laser Irradiation for Patch-Clamp Studies Jing Yao, Beiying Liu, and Feng Qin* Biophysical Journal Volume 96 May 2009 3611–3619 Department of Physiology and Biophysical Sciences, State University of New York at Buffalo, Buffalo, New York 14214 5 de octubre 2009

2. Activación de termo-TRPs indicando el intervalo de temperatura. TRPA1 y TRPM8 se activan con frio mientras que los otros se activan por calor. Voets et al 2005 Nature Chem. Biol. 1:85-92 (Review)

3. Jing Yao, Beiying Liu, and Feng Qin. Biophysical Journal 96: 3611–3619, 2009.c

4. http://en.wikipedia.org/wiki/Laser_safety

5. 25 watt

6. Píldora de transporte de calor. Calor, q (joule) y temperatura T (kelvin) están relacionados por la capacidad calórica Cp. La capacidad calórica específica de una sustancia es la cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de un kilogramo de la sustancia en 1 kelvin. Se mide en joule kg-1 K-1 El calor se transporta de caliente a frio. El flujo de calor Jq ( J m-2 s-1) es proporcional al gradiente de la temperatura. El factor de proporcionalidad es la conductividad térmica k, que se mide en J m-2 s-1/K m-1 que es watt m-1 K-1 La diferencia entre los flujos de entrada y salida de un sitio es igual al aumento de la cantidad de calor por unidad de volumen que contiene el sitio. (watt m-3) Al aumento de calor se observa como un alza de la temperatura. Donde res la densidad (kg m-3)

7. Píldora de absorción radiación electromagnética. Ley de Beer-Lambert Atenuación de la intensidad de la radiación, I, (watt m-2) en función de la distancia. El factor e es el coeficiente de absorción ( m-1) es la fracción de la energía que se absorbe por unidad de longitud. La intensidad de la radiación en función de la distancia se obtiene por integración . Energía absorbida en un paso de x unidades de longitud En colorimetría se mide la Absorbancia que el logaritmo decimal de la razón entre la incidente ( I0) y la que sale (I) de un tubo de largo b que contiene una solución de concentración c. En este caso de soluciones se usa e = 2.3ac, el producto del coeficiente de absorción molar, a, ( m-1 M-1) por la concentración (M).

8. Calentamiento por la irradiación laser. cp is the specific heat capacity of water joule kelvin-1 kg-1  is the thermal conductivity, 0.58 joule s-1 m2/kelvin m-1 T is the temperature, kelvin.  is the optical absorption coefficient, m-1 u is the spatial distribution of laser power, watt m-2 ¿Están bien las unidades? We assumed a collimated laser beam so the power could be approximated with a cylindrical geometry centered along the z axis, where R is the fiber radius (50 mm) and P is the total output power (watt). The model ignores the loss of power of laser beam due to water absorption (<3%) and temperature dependence of specific heat capacity of water. Jing Yao, Beiying Liu, and Feng Qin. Biophysical Journal 96: 3611–3619, 2009.

9. = 30 cm-1 @ 1460 nm. • = 0.46 cm-1 @ 980 nm. http://upload.wikimedia.org/wikipedia/en/7/72/Water_absorption_spectrum.png

10. 3 watt / 7854 mm23.8197 10-4 watt mm-2 3 watt / 7854 mm23.8083 10-4 watt mm-2 2x50 mm 1 mm Potencia absorbida = 1.14 10-6 watt mm-3 rcp=4.184 J K-1 cm-3 = 4.184 10-12 J K-1mm-3 dT/dt = 2.7 105 K s-1 = 270 K ms-1

11. Simulation of laser-induced temperature changes. • P = 8 watt =980 nm • R = 100 mm, u = 2.5 10-4 watt mm-2 • = 0.046 10-4mm-1cp = 4.2 10-12 JK-1mm-3 • 10 ºC/ms • P = 3 watt =1460 nm • R = 100 mm , u = 9.6 10-5 watt mm-2 • = 3 10-4mm-1 • cp = 4.2 10-12 JK-1mm-3 280 ºC/ms Jing Yao, Beiying Liu, and Feng Qin. Biophysical Journal 96: 3611–3619, 2009.

12. Simulation of laser-induced temperature changes. P = 8 watt =980 nm = 0.46 cm-110 ºC/ms P = 3 watt =1460 nm  = 30 cm-1280 ºC/ms Jing Yao, Beiying Liu, and Feng Qin. Biophysical Journal 96: 3611–3619, 2009.

13. Simulation of laser-induced temperature changes. P = 8 watt =980 nm = 0.46 cm-1 P = 3 watt =1460 nm  = 30 cm-1 Jing Yao, Beiying Liu, and Feng Qin. Biophysical Journal 96: 3611–3619, 2009.

14. Difusion Ecuación Eyring–Polanyi Electrodifusion Hille, B. Ionic channels of excitable membranes 2ª ed. Sinauer 1992, pp 269-273.

15. Usando la pipeta de patch clamp como termómetro Ea= 3.84 ± 0.09 kcal/mol (n = 20) 1000/T 60ºC 21ºC Calienta el baño a 60 grados Celsius y mide la intensidad de la corriente a medida que el baño se va enfriando en forma pasiva, manteniendo la pipeta a 30 mV. Jing Yao, Beiying Liu, and Feng Qin. Biophysical Journal 96: 3611–3619, 2009.

16. Usando la pipeta de patch clamp como termómetro =980 nm =1460 nm I/I0 curva negra. T curva roja calculada de la ecuación usando Ea =3.84 Enciende el laser y registra el curso temporal de la intensidad de la corriente a medida que la pipeta se calienta, manteniendo la pipeta a 30 mV. Jing Yao, Beiying Liu, and Feng Qin. Biophysical Journal 96: 3611–3619, 2009.

17. Usando la pipeta de patch clamp como termómetro Variación de la temperatura en función de la distancia al centro del rayo láser de 1469 nm. La temperatura es 5% menor a un distancia de 10 nm, que es más que el radio de una célula. Jing Yao, Beiying Liu, and Feng Qin. Biophysical Journal 96: 3611–3619, 2009.

18. Control rápido de temperatura constante Adquisición del protocolo de pulsos de laser usando el loop de feedback  = 0.8 ºC @ 59º C . Filtro @2 kHz Jing Yao, Beiying Liu, and Feng Qin. Biophysical Journal 96: 3611–3619, 2009.

19. Control rápido de temperatura constante Adquisición del protocolo de pulsos de laser usando el loop de feedback  = 0.8 ºC @ 59º C . Filtro @2 kHz Aplicación del protocolo de pulsos de laser en otra pipeta y sin usar feedback Aplicación del protocolo en 11 pipetas Jing Yao, Beiying Liu, and Feng Qin. Biophysical Journal 96: 3611–3619, 2009.

20. Corriente registradas durante saltos de temperatura. Canal TRPV1 expresado en células HEK. Outside out macro patch @ -100 mV. Soluciones simétricas de 100 mM Na Gluconato + 10 mM NaCl, pH Buffer. Se ajusta a una sola exponencial Jing Yao, Beiying Liu, and Feng Qin. Biophysical Journal 96: 3611–3619, 2009.

21. Corriente registradas durante saltos de temperatura. Canal TRPV2 expresado en células HEK. Outside out macro patch @ -60 mV. Soluciones simétricas de 100 mM Na Gluconato + 10 mM NaCl + pH Buffer. Jing Yao, Beiying Liu, and Feng Qin. Biophysical Journal 96: 3611–3619, 2009.

22. Corriente registradas durante saltos de temperatura. Canal TRPV1 expresado en células HEK293. Whole cell patch clamp @ -60 mV. Solucion extracelular 150 mM NCl, intarcelular 140 mM CsCl. No se ajusta a una sola exponencial Jing Yao, Beiying Liu, and Feng Qin. Biophysical Journal 96: 3611–3619, 2009.

23. 35ºC, 14 pA Fluctuaciones de la corriente de canales únicos. Canales mTRPV2 expresados en oocitos de Xenopus Laevis. Outside out patch clamp. -60 mV, filtro 2 kHz. 40ºC, 16 pA 44ºC, 18 pA Jing Yao, Beiying Liu, and Feng Qin. Biophysical Journal 96: 3611–3619, 2009.