Dielektroforeza

Dielektroforeza składająca komórki nowotworowe w modelu mikroprzepływowym 3D.

Dielektroforeza ( DEP ) to zjawisko, w którym na cząsteczkę dielektryka działa siła , gdy jest ona poddana działaniu niejednorodnego pola elektrycznego . Siła ta nie wymaga, aby cząstka była naładowana . Wszystkie cząstki wykazują aktywność dielektroforetyczną w obecności pól elektrycznych. Jednak siła oddziaływania silnie zależy od właściwości elektrycznych ośrodka i cząstek, od kształtu i wielkości cząstek, a także od częstotliwości pola elektrycznego. W konsekwencji pola o określonej częstotliwości mogą manipulować cząstkami z dużą selektywnością. Umożliwiło to na przykład rozdzielanie komórek lub orientację i manipulację nanocząstkami i nanoprzewodami. Ponadto badanie zmiany siły DEP w funkcji częstotliwości może pozwolić na wyjaśnienie właściwości elektrycznych (lub elektrofizjologicznych w przypadku komórek) cząstki.

Tło i właściwości

Chociaż zjawisko, które obecnie nazywamy dielektroforezą, zostało opisane mimochodem już na początku XX wieku, zostało poddane poważnym badaniom, nazwanym i po raz pierwszy zrozumianym przez Herberta Pohla w latach pięćdziesiątych XX wieku. Ostatnio dielektroforeza została przywrócona ze względu na jej potencjał w manipulacji mikrocząstkami , nanocząstkami i komórkami .

Dielektroforeza występuje, gdy polaryzowalna cząstka jest zawieszona w niejednorodnym polu elektrycznym. Pole elektryczne polaryzuje cząstkę, a bieguny następnie doświadczają siły wzdłuż linii pola, która może być albo przyciągająca, albo odpychająca, w zależności od orientacji na dipolu. Ponieważ pole jest niejednorodne, biegun doświadczający największego pola elektrycznego będzie dominował nad drugim, a cząstka będzie się poruszać. Orientacja dipola zależy od względnej polaryzowalności cząstki i ośrodka, zgodnie z polaryzacją Maxwella – Wagnera – Sillarsa . Ponieważ kierunek siły zależy raczej od gradientu pola niż od kierunku pola, DEP wystąpi zarówno w polach elektrycznych AC, jak i DC; polaryzacja (a więc kierunek siły) będzie zależała od względnych polaryzowalności cząstki i ośrodka. Jeśli cząstka porusza się w kierunku rosnącego pola elektrycznego, zachowanie określa się jako dodatnią DEP (czasem pDEP), jeśli działa w celu odsunięcia cząstki od obszarów o wysokim polu, jest to znane jako ujemna DEP (lub nDEP). Ponieważ względne polaryzowalności cząstki i ośrodka są zależne od częstotliwości, zmieniając sygnał energetyzujący i mierząc sposób, w jaki zmienia się siła, można wykorzystać do określenia właściwości elektrycznych cząstek; pozwala to również na eliminację elektroforetycznego cząstek z powodu nieodłącznego ładunku cząstek.

Zjawiska związane z dielektroforezą to elektrorotacja i dielektroforeza z falą biegnącą (TWDEP). Wymagają one złożonego sprzętu do generowania sygnałów w celu wytworzenia wymaganych wirujących lub przemieszczających się pól elektrycznych, aw wyniku tej złożoności spotkały się z mniejszym uznaniem naukowców niż konwencjonalna dielektroforeza.

Siła dielektroforetyczna

Najprostszym modelem teoretycznym jest jednorodna kula otoczona przewodzącym dielektrykiem. Dla jednorodnej kuli o promieniu i przenikalności zespolonej $\ varepsilon _ {p} ^ {*}}$$Displaystyle$ w ośrodku o zespolonej przenikalności $^{*}}$${\ Displaystyle \ varepsilon _ {m$ (uśredniona w czasie) siła DEP wynosi:

${\ Displaystyle \ langle F _ {\ operatorname {DEP}} \ rangle = 2 \ pi r ^ {3} \ varepsilon _ {m} {\ textrm {Re}} \ lewo \ {{\ Frac {\ varepsilon _ { p}^{*}-\varepsilon _{m}^{*}}{\varepsilon _{p}^{*}+2\varepsilon _{m}^{*}}}\right\}\nabla \ lewo|{\vec {E}}_{rms}\prawo|^{2}}$

Czynnik w nawiasach klamrowych jest znany jako złożona funkcja Clausiusa-Mossottiego i zawiera całą zależność częstotliwościową siły DEP. Tam, gdzie cząstka składa się z zagnieżdżonych sfer - czego najczęstszym przykładem jest przybliżenie kulistej komórki składającej się z części wewnętrznej (cytoplazmy) otoczonej warstwą zewnętrzną (błoną komórkową) - wówczas można to przedstawić za pomocą zagnieżdżonych wyrażeń muszle i sposób, w jaki wchodzą w interakcje, umożliwiając wyjaśnienie właściwości tam, gdzie istnieją wystarczające parametry związane z liczbą poszukiwanych niewiadomych. Dla bardziej ogólnej wyrównanej do pola elipsoidy o promieniu i długości ${\$$displaystyle l}$ ze zespoloną stałą dielektryczną ${\ Displaystyle \ varepsilon _ {p} ^ {*}}$ ośrodku o złożonej stała dielektryczna zależna od czasu siła dielektroforetyczna jest dana wzorem: ${\ Displaystyle \ varepsilon _ {m} ^ {*}}$

${\ Displaystyle F _ {\ operatorname {DEP}} = {\ Frac {\ pi r ^ {2} l} {3}} \ varepsilon _ {m} {\ textrm {Re}} \ lewo \ {{\ frac {\varepsilon _{p}^{*}-\varepsilon _{m}^{*}}{\varepsilon _{m}^{*}}}\right\}\nabla \left|{\vec {E }}\prawo|^{2}}$

Złożona stała dielektryczna wynosi $= \ varepsilon + {\ Frac {i \ sigma} {\ omega}}}$ } $\ varepsilon}$ Displaystyle stała dielektryczna , to przewodność elektryczna , $_$$.$$to$ i jednostka urojona Wyrażenie to było przydatne do przybliżania dielektroforetycznego zachowania cząstek, takich jak krwinki czerwone (jako spłaszczone sferoidy) lub długie cienkie rurki (jako wydłużone elipsoidy), umożliwiając przybliżenie odpowiedzi dielektroforetycznej nanorurek węglowych lub wirusów mozaiki tytoniu w zawiesinie. Te równania są dokładne dla cząstek, gdy gradienty pola elektrycznego nie są bardzo duże (np. blisko krawędzi elektrod) lub gdy cząstka nie porusza się wzdłuż osi, w której gradient pola wynosi zero (np. w środku osiowosymetrycznej elektrody array), ponieważ równania uwzględniają tylko dipol , a nie polaryzację wyższego rzędu . Gdy gradienty pola elektrycznego są duże lub gdy przez środek cząstki przebiega zerowe pole, istotne stają się człony wyższego rzędu, co skutkuje wyższymi siłami. Mówiąc ściślej, równanie zależne od czasu ma zastosowanie tylko do cząstek bezstratnych, ponieważ strata tworzy opóźnienie między polem a indukowanym dipolem. Po uśrednieniu efekt znosi się, a równanie jest prawdziwe również dla cząstek stratnych. Równoważne równanie uśrednione w czasie można łatwo uzyskać, zastępując E przez Erms lub, w przypadku napięć sinusoidalnych _, dzieląc prawą stronę przez 2. Modele te ignorują fakt, że ogniwa mają złożoną strukturę wewnętrzną i są heterogeniczne. Model wielopowłokowy w ośrodku o niskim przewodnictwie można wykorzystać do uzyskania informacji o przewodnictwie błony i przenikalności cytoplazmy. W przypadku ogniwa z powłoką otaczającą jednorodny rdzeń z otaczającym go ośrodkiem uważanym za warstwę, jak pokazano na rysunku 2, ogólną odpowiedź dielektryczną uzyskuje się z połączenia właściwości powłoki i rdzenia.

${\ Displaystyle \ varepsilon _ {1eff} ^ {*} (\ omega) = \ varepsilon _ {2} ^ {*} {\ Frac {({\ Frac {r_ {2} }}{r_{1}}})^{3}+2{\frac {\varepsilon _{1}^{*}-\varepsilon _{2}^{*}}{\varepsilon _{1}^ {*}+2\varepsilon _{2}^{*}}}}{({\frac {r_{2}}{r_{1}}})^{3}-{\frac {\varepsilon _{ 1}^{*}-\varepsilon _{2}^{*}}{\varepsilon _{1}^{*}+2\varepsilon _{2}^{*}}}}}}$

gdzie 1 to rdzeń (w kategoriach komórkowych cytoplazma), 2 to otoczka (w komórce błona). r1 jest promieniem od środka kuli do wnętrza skorupy, a r2 jest promieniem od środka kuli do zewnętrznej powierzchni skorupy.

Zastosowania dielektroforezy

Dielektroforezę można wykorzystać do manipulowania, transportu, oddzielania i sortowania różnych typów cząstek. Ponieważ komórki biologiczne mają właściwości dielektryczne, dielektroforeza ma wiele zastosowań medycznych. Stworzono instrumenty oddzielające komórki nowotworowe od zdrowych. Płytki krwi zostały oddzielone od krwi pełnej za pomocą sortera komórek aktywowanego przez DEP . Dielektroforezę można wykorzystać do manipulowania, transportu, oddzielania i sortowania różnych typów cząstek. DEP jest stosowany w takich dziedzinach, jak diagnostyka medyczna, odkrywanie leków, terapia komórkowa i filtracja cząstek.

DEP był również używany w połączeniu z technologią chipów półprzewodnikowych do rozwoju technologii DEPArray (Menarini Silicon Biosystems) do jednoczesnego zarządzania tysiącami komórek w urządzeniu mikroprzepływowym. Pojedyncze mikroelektrody na dnie komórki przepływowej są zarządzane przez układ CMOS w celu utworzenia tysięcy „klatek dielektroforetycznych”, z których każda jest w stanie uchwycić i przenieść jedną komórkę pod kontrolą oprogramowania kierującego.

Najwięcej wysiłku w badaniu DEP poświęcono zaspokojeniu niezaspokojonych potrzeb w naukach biomedycznych.

Ponieważ komórki biologiczne mają właściwości dielektryczne, dielektroforeza ma wiele zastosowań medycznych. Wykonano instrumenty zdolne do oddzielania komórek rakowych od zdrowych komórek, a także izolowania pojedynczych komórek z mieszanych próbek kryminalistycznych. DEP umożliwił charakteryzowanie cząstek biologicznych i manipulowanie nimi, takimi jak krwinki , komórki macierzyste , neurony , komórki β trzustki , DNA , chromosomy , białka i wirusy . DEP można stosować do oddzielania cząstek o różnych polaryzowalnościach znaków, gdy poruszają się one w różnych kierunkach przy danej częstotliwości przyłożonego pola AC. DEP został zastosowany do oddzielenia żywych i martwych komórek, przy czym pozostałe żywe komórki nadal są żywe po oddzieleniu lub do wymuszenia kontaktu między wybranymi pojedynczymi komórkami w celu zbadania interakcji komórka-komórka.

• Szczepy bakterii i wirusów czerwonych i białych krwinek i komórek. DEP można również wykorzystać do wykrywania apoptozy wkrótce po indukcji lekiem, mierząc zmiany właściwości elektrofizjologicznych.

DEP jako narzędzie do charakteryzacji komórek

DEP jest używany głównie do charakteryzowania komórek mierzących zmiany ich właściwości elektrycznych. Aby to zrobić, dostępnych jest wiele technik ilościowego określania odpowiedzi dielektroforetycznej, ponieważ nie jest możliwy bezpośredni pomiar siły DEP. Techniki te opierają się na pomiarach pośrednich, uzyskując proporcjonalną odpowiedź siły i kierunku siły, którą należy przeskalować do widma modelu. Tak więc większość modeli bierze pod uwagę tylko współczynnik Clausiusa-Mossottiego cząstki. Najczęściej stosowanymi technikami są pomiary szybkości zbierania: jest to najprostsza i najczęściej stosowana technika – elektrody zanurza się w zawiesinie o znanym stężeniu cząstek i liczy się cząsteczki, które zbierają się na elektrodzie; pomiary krzyżowe: mierzona jest częstotliwość krzyżowa między dodatnimi i ujemnymi DEP w celu scharakteryzowania cząstek – technika ta jest stosowana w przypadku mniejszych cząstek (np. wirusów), które są trudne do policzenia przy użyciu poprzedniej techniki; pomiary prędkości cząstek: ta technika mierzy prędkość i kierunek cząstek w gradiencie pola elektrycznego; pomiar wysokości lewitacji: wysokość lewitacji cząstki jest proporcjonalna do przyłożonej ujemnej siły DEP. Zatem ta technika jest dobra do charakteryzowania pojedynczych cząstek i jest stosowana głównie do większych cząstek, takich jak komórki; impedancji : cząsteczki gromadzące się na krawędzi elektrody mają wpływ na impedancję elektrod – tę zmianę można monitorować w celu ilościowego określenia DEP. Aby badać większe populacje komórek, właściwości można uzyskać, analizując widma dielektroforetyczne.

Implementacja dielektroforezy

Geometria elektrod

Początkowo elektrody wykonywano głównie z drutów lub blach. Obecnie pole elektryczne w DEP jest wytwarzane za pomocą elektrod, które minimalizują wielkość potrzebnego napięcia. Było to możliwe dzięki technikom wytwarzania, takim jak fotolitografia, ablacja laserowa i modelowanie wiązki elektronów. Te małe elektrody umożliwiają manipulowanie małymi biocząstkami. Najczęściej stosowane geometrie elektrod to izometryczne, wielomianowe, krzyżowe i poprzeczne. Geometria izometryczna jest skuteczna w manipulowaniu cząstkami za pomocą DEP, ale odpychane cząstki nie gromadzą się w dobrze określonych obszarach, więc rozdzielenie na dwie jednorodne grupy jest trudne. Wielomian to nowa geometria dająca dobrze zdefiniowane różnice w obszarach o dużych i małych siłach, dzięki czemu cząstki mogą być zbierane przez dodatnie i ujemne DEP. Ta geometria elektrod wykazała, że ​​pole elektryczne było najwyższe w środku szczelin międzyelektrodowych. Geometria interdigitated obejmuje naprzemienne palce elektrod o przeciwnych polaryzacjach i jest używana głównie do pułapkowania i analizy dielektroforetycznej. Geometria poprzeczki jest potencjalnie użyteczna dla sieci połączeń międzysieciowych.

Elektrody DEP-dołkowe

Elektrody te zostały opracowane, aby zapewnić wysokowydajną, ale niedrogą alternatywę dla konwencjonalnych struktur elektrod do DEP. Zamiast stosować metody fotolitograficzne lub inne podejścia mikroinżynieryjne, elektrody DEP-well są konstruowane przez układanie kolejnych warstw przewodzących i izolujących w laminacie, po czym w strukturze wierci się wiele „dołków”. Jeśli przyjrzymy się ścianom tych studzienek, warstwy pojawią się jako ułożone naprzemiennie elektrody biegnące w sposób ciągły wokół ścianek rurki. Kiedy naprzemienne warstwy przewodzące są podłączone do dwóch faz sygnału prądu przemiennego, gradient pola utworzony wzdłuż ścianek przesuwa komórki o DEP.

Studnie DEP mogą być używane w dwóch trybach; do analizy lub separacji. W pierwszym, właściwości dielektroforetyczne komórek można monitorować za pomocą absorpcji światła : dodatni DEP przyciąga komórki do ściany studzienki, a zatem po sondowaniu studzienki wiązką światła intensywność światła wzrasta w studzience. Odwrotnie jest w przypadku ujemnego DEP, w którym wiązka światła zostaje przesłonięta przez komórki. Alternatywnie podejście to można zastosować do zbudowania separatora, w którym mieszaniny komórek są przeciskane przez dużą liczbę (>100) równoległych dołków; osoby doświadczające dodatniego DEP są uwięzione w urządzeniu, podczas gdy reszta jest przepłukiwana. Wyłączenie pola umożliwia uwolnienie uwięzionych komórek do oddzielnego pojemnika. Wysoce równoległy charakter podejścia oznacza, że ​​chip może sortować komórki z dużo większą szybkością, porównywalną z szybkością stosowaną przez MACS i FACS .

Podejście to ma wiele zalet w porównaniu z konwencjonalnymi urządzeniami opartymi na fotolitografii, ale zmniejsza koszty, zwiększa ilość próbek, które można analizować jednocześnie, a prostota ruchu komórek jest zredukowana do jednego wymiaru (gdzie komórki mogą poruszać się tylko promieniowo w kierunku do lub od środka ze studni). Urządzenia wyprodukowane zgodnie z zasadą DEP-well są sprzedawane pod marką DEPtech.

Frakcjonowanie w przepływie dielektroforezy

Wykorzystanie różnicy między siłami dielektroforetycznymi wywieranymi na różne cząstki w niejednorodnych polach elektrycznych jest znane jako separacja DEP. Eksploatacja sił DEP została podzielona na dwie grupy: migracja DEP i retencja DEP. Migracja DEP wykorzystuje siły DEP, które wywierają przeciwne znaki siły na różne typy cząstek, aby przyciągnąć niektóre cząstki i odepchnąć inne. Retencja DEP wykorzystuje równowagę między DEP a siłami przepływu płynu. Cząstki doświadczające odpychających i słabych sił przyciągania DEP są eluowane przez przepływ płynu, podczas gdy cząstki doświadczające silnych sił przyciągania DEP są uwięzione na krawędziach elektrody w celu przeciwdziałania oporowi przepływu.

Frakcjonowanie z przepływem w polu dielektroforezy (DEP-FFF), wprowadzone przez Davisa i Giddingsa, to rodzina metod rozdzielania podobnych do chromatograficznych. W DEP-FFF siły DEP są łączone z przepływem oporu w celu frakcjonowania próbki różnych typów cząstek. Cząstki są wtryskiwane do strumienia nośnika, który przechodzi przez komorę rozdzielającą, przy czym zewnętrzna siła oddzielająca (siła DEP) jest przykładana prostopadle do przepływu. Za pomocą różnych czynników, takich jak efekty dyfuzyjne i steryczne, hydrodynamiczne, dielektryczne i inne, lub ich kombinacji, cząstki (<1 μm średnicy) o różnych właściwościach dielektrycznych lub dyfuzyjnych osiągają różne pozycje z dala od ściany komory, co w z kolei wykazują inny charakterystyczny profil stężeń. Cząsteczki, które oddalają się od ścianki, osiągają wyższe pozycje w parabolicznym profilu prędkości cieczy przepływającej przez komorę i będą eluowane z komory z większą szybkością.

Dielektroforeza optyczna

Zastosowanie materiałów fotoprzewodzących (na przykład w urządzeniach typu lab-on-chip) pozwala na miejscowe wzbudzanie sił dielektroforetycznych poprzez zastosowanie światła. Ponadto można wyświetlać obraz, aby wywoływać siły we wzorzystym obszarze oświetlenia, co pozwala na pewne złożone manipulacje. Podczas manipulowania żywymi komórkami, optyczna dielektroforeza stanowi nieszkodliwą alternatywę dla pęsety optycznej , ponieważ intensywność światła jest około 1000 razy mniejsza.

Dalsza lektura

•   Turcu, I; Lucaciu, CM (1989). „Dieelektroforeza: sferyczny model powłoki”. Journal of Physics A: Matematyczny i ogólny . 22 (8): 985–993. Bibcode : 1989JPhA...22..985T . doi : 10.1088/0305-4470/22/8/014 . ISSN 0305-4470 .
•   Jones, Thomas B. (2002). „O związku dielektroforezy i elektrozwilżania”. Langmuira . 18 (11): 4437–4443. doi : 10.1021/la025616b . ISSN 0743-7463 .

Linki zewnętrzne

• Towarzystwo Elektroforezy AES - Centrum edukacyjne
• Biologiczna separacja komórek za pomocą dielektroforezy w urządzeniu mikroprzepływowym
• Urządzenie do dielektroforezy Sandii może zrewolucjonizować przygotowywanie próbek