Диэлектрофорез

Duration: 35 seconds.0:35

Диэлектрофорез собирает раковые клетки в 3D-микрофлюидную модель.

Диэлектрофорез ( ДЭП ) — явление, при котором сила частицу действует на диэлектрическую , когда она подвергается воздействию неоднородного электрического поля . Эта сила не требует, чтобы частица была заряжена . Все частицы проявляют диэлектрофолетическую активность в присутствии электрических полей. Однако сила силы сильно зависит от электрических свойств среды и частиц, от формы и размера частиц, а также от частоты электрического поля. Следовательно, поля определенной частоты могут манипулировать частицами с большой избирательностью. Это позволило, например, разделять клетки или ориентировать и манипулировать наночастицами. и нанопроволоки. Более того, изучение изменения силы ДЭП в зависимости от частоты может позволить выяснить электрические (или электрофизиологические в случае клеток) свойства частицы.

Предыстория и свойства

Хотя явление, которое мы сейчас называем диэлектрофорезом, было вскользь описано еще в начале 20-го века, серьезному изучению оно подверглось лишь в 1950-х годах, названное и впервые понятое Гербертом Полем. В последнее время диэлектрофорез возродился благодаря его возможностям в манипулировании микрочастицами . наночастицы и клетки .

Диэлектрофорез происходит, когда поляризуемая частица подвешивается в неоднородном электрическом поле. Электрическое поле поляризует частицу, и полюса затем испытывают силу вдоль силовых линий, которая может быть либо притягивающей, либо отталкивающей в зависимости от ориентации диполя. Поскольку поле неоднородно, полюс, испытывающий наибольшее электрическое поле, будет доминировать над другим, и частица будет двигаться. Ориентация диполя зависит от относительной поляризуемости частицы и среды в соответствии с поляризацией Максвелла – Вагнера – Силларса . Поскольку направление силы зависит от градиента поля, а не от направления поля, DEP будет возникать как в электрических полях переменного, так и в постоянном токе; поляризация (и, следовательно, направление силы) будет зависеть от относительной поляризуемости частицы и среды. Если частица движется в направлении увеличения электрического поля, такое поведение называется положительным DEP (иногда pDEP), если действие направлено на перемещение частицы из областей с сильным полем, это называется отрицательным DEP (или nDEP). Поскольку относительная поляризуемость частицы и среды зависит от частоты, изменение возбуждающего сигнала и измерение способа изменения силы можно использовать для определения электрических свойств частиц; это также позволяет устранить электрофоретическое движение частиц за счет собственного заряда частиц.

Феноменами, связанными с диэлектрофорезом, являются электровращение и диэлектрофорез бегущей волны (TWDEP). Для создания необходимых вращающихся или бегущих электрических полей требуется сложное оборудование для генерации сигналов, и в результате этой сложности они нашли меньше поддержки среди исследователей, чем обычный диэлектрофорез.

Диэлектрофоретическая сила

Простейшая теоретическая модель — это однородная сфера, окруженная проводящей диэлектрической средой. Для однородной сферы радиуса $r$ и комплексная диэлектрическая проницаемость $\varepsilon _{p}^{*}$ в среде со сложной диэлектрической проницаемостью $\varepsilon _{m}^{*}$ (усредненная по времени) сила DEP равна:

$\langle F_{\mathrm {DEP} }\rangle =2\pi r^{3}\varepsilon _{m}{\textrm {Re}}\left\{{\frac {\varepsilon _{p}^{*}-\varepsilon _{m}^{*}}{\varepsilon _{p}^{*}+2\varepsilon _{m}^{*}}}\right\}\nabla \left|{\vec {E}}_{rms}\right|^{2}$

Множитель в фигурных скобках известен как комплексная функция Клаузиуса-Моссотти. и содержит всю частотную зависимость силы DEP. Если частица состоит из вложенных друг в друга сфер (наиболее распространенным примером является сферическая клетка, состоящая из внутренней части (цитоплазмы), окруженной внешним слоем (клеточной мембраной)), то это можно представить с помощью вложенных выражений для оболочки и способы их взаимодействия, что позволяет выяснять свойства там, где имеется достаточно параметров, связанных с количеством искомых неизвестных.Для более общего ориентированного по полю эллипсоида радиуса $r$ и длина $l$ с комплексной диэлектрической проницаемостью $\varepsilon _{p}^{*}$ в среде со сложной диэлектрической проницаемостью $\varepsilon _{m}^{*}$ Зависящая от времени диэлектрофоретическая сила определяется выражением:

$F_{\mathrm {DEP} }={\frac {\pi r^{2}l}{3}}\varepsilon _{m}{\textrm {Re}}\left\{{\frac {\varepsilon _{p}^{*}-\varepsilon _{m}^{*}}{\varepsilon _{m}^{*}}}\right\}\nabla \left|{\vec {E}}\right|^{2}$

Комплексная диэлектрическая проницаемость равна $\varepsilon ^{*}=\varepsilon +{\frac {i\sigma }{\omega }}$, где $\varepsilon$ - диэлектрическая проницаемость , $\sigma$ – электропроводность , $\omega$ - частота поля, а $i$ это мнимая единица . Это выражение оказалось полезным для аппроксимации диэлектрофоретического поведения таких частиц, как эритроциты (в виде сплюснутых сфероидов) или длинных тонких трубок (в виде вытянутых эллипсоидов), позволяя аппроксимировать диэлектрофоретический ответ углеродных нанотрубок или вирусов табачной мозаики в суспензии.Эти уравнения точны для частиц, когда градиенты электрического поля не очень велики (например, вблизи краев электрода) или когда частица не движется вдоль оси, в которой градиент поля равен нулю (например, в центре осесимметричного электрода). массив), поскольку уравнения учитывают только образовавшийся диполь , а не поляризацию более высокого порядка . Когда градиенты электрического поля велики или когда через центр частицы проходит нулевое поле, становятся актуальными члены более высокого порядка: и привести к высшим силам.Точнее, уравнение, зависящее от времени, применимо только к частицам без потерь, поскольку потери создают задержку между полем и индуцированным диполем. При усреднении эффект нивелируется, и уравнение справедливо и для частиц с потерями. Эквивалентное усредненное по времени уравнение можно легко получить, заменив E на E _rms или, для синусоидальных напряжений, разделив правую часть на 2.Эти модели игнорируют тот факт, что клетки имеют сложную внутреннюю структуру и гетерогенны. Модель нескольких оболочек в среде с низкой проводимостью можно использовать для получения информации о проводимости мембраны и диэлектрической проницаемости цитоплазмы. Для ячейки с оболочкой, окружающей однородное ядро, а окружающая его среда рассматривается как слой, как показано на рисунке 2, общий диэлектрический отклик получается из комбинации свойств оболочки и ядра.

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

где 1 — ядро ​​(по-клеточному — цитоплазма), 2 — оболочка (в клетке — мембрана). r1 — радиус от центра сферы до внутренней части оболочки, а r2 — радиус от центра сферы к внешней стороне оболочки.

Приложения

Диэлектрофорез можно использовать для манипулирования, транспортировки, разделения и сортировки различных типов частиц. DEP применяется в таких областях, как медицинская диагностика, разработка лекарств, клеточная терапия и фильтрация частиц.

DEP также использовался в сочетании с технологией полупроводниковых чипов для разработки технологии массивов DEP для одновременного управления тысячами ячеек в микрофлюидных устройствах. Отдельные микроэлектроды на полу проточной кюветы управляются КМОП- чипом, образуя тысячи диэлектрофоретических «клеток», каждая из которых способна захватывать и перемещать одну ячейку под контролем программного обеспечения маршрутизации.

Поскольку биологические клетки обладают диэлектрическими свойствами, диэлектрофорез имеет множество биологических и медицинских применений. Созданы инструменты, способные отделять раковые клетки от здоровых клеток а также выделение отдельных клеток из смешанных образцов судебно-медицинской экспертизы. Тромбоциты были отделены от цельной крови с помощью сортировщика клеток, активируемого DEP .

DEP позволила охарактеризовать и манипулировать биологическими частицами, такими как клетки крови , стволовые клетки , нейроны , β-клетки поджелудочной железы , ДНК , хромосомы , белки и вирусы .DEP можно использовать для разделения частиц с поляризуемостью разного знака, поскольку они движутся в разных направлениях при заданной частоте приложенного переменного поля. DEP применяется для разделения живых и мертвых клеток, при этом оставшиеся живые клетки остаются жизнеспособными после разделения. или для принудительного контакта между выбранными отдельными клетками для изучения межклеточного взаимодействия. DEP использовался для разделения штаммов бактерий и вирусов. DEP также можно использовать для обнаружения апоптоза вскоре после индукции препарата, измеряя изменения электрофизиологических свойств.

В качестве инструмента характеристики клеток

DEP в основном используется для характеристики клеток, измерения изменений их электрических свойств. Для этого доступно множество методов количественной оценки диэлектрофоретического ответа, поскольку невозможно напрямую измерить силу ДЭП. Эти методы основаны на косвенных измерениях, позволяющих получить пропорциональную реакцию силы и направления силы, которую необходимо масштабировать в соответствии со спектром модели. Таким образом, большинство моделей учитывают только фактор Клаузиуса-Моссотти частицы. Наиболее часто используемыми методами являются измерения скорости сбора: это самый простой и наиболее используемый метод: электроды погружают в суспензию с известной концентрацией частиц и подсчитывают частицы, которые собираются на электроде; измерения пересечения: частота пересечения между положительным и отрицательным DEP измеряется для характеристики частиц – этот метод используется для более мелких частиц (например, вирусов), которые трудно подсчитать с помощью предыдущего метода; измерения скорости частиц: этот метод измеряет скорость и направление частиц в градиенте электрического поля; измерение высоты левитации: высота левитации частицы пропорциональна приложенной отрицательной силе DEP. Таким образом, этот метод хорош для характеристики отдельных частиц и в основном используется для более крупных частиц, таких как клетки; измерение импеданса : частицы, собирающиеся на краю электрода, влияют на импеданс электродов – это изменение можно отслеживать для количественной оценки DEP. Чтобы изучить более крупные популяции клеток, свойства можно получить путем анализа диэлектрофоретических спектров.

Выполнение

Геометрия электродов

Вначале электроды изготавливались в основном из проволоки или металлических листов. В настоящее время электрическое поле в ДЭП создается с помощью электродов, которые минимизируют величину необходимого напряжения. Это стало возможным с использованием таких технологий изготовления, как фотолитография, лазерная абляция и формирование рисунка электронным лучом. Эти небольшие электроды позволяют обрабатывать небольшие биочастицы. Наиболее часто используемые геометрии электродов — изометрическая, полиномиальная, встречно-штыревая и поперечная. Изометрическая геометрия эффективна для манипулирования частицами с помощью DEP, но отталкиваемые частицы не собираются в четко определенных областях, поэтому разделение на две однородные группы затруднено. Полиномиальная — это новая геометрия, обеспечивающая четко определенные различия в областях высоких и низких сил, поэтому частицы можно собирать с помощью положительного и отрицательного DEP. Такая геометрия электродов показала, что электрическое поле было максимальным в середине межэлектродных промежутков. Встречно-штыревая геометрия включает в себя чередующиеся электродные пальцы противоположной полярности и в основном используется для диэлектрофоретического улавливания и анализа. Геометрия перекладины потенциально полезна для сетей межсоединений.

DEP-луночные электроды

Эти электроды были разработаны предложить высокопроизводительную, но недорогую альтернативу традиционным электродным структурам для DEP. Вместо использования фотолитографических методов или других микроинженерных подходов, электроды DEP-well изготавливаются путем укладки последовательных проводящих и изолирующих слоев в ламинат, после чего в структуре просверливаются несколько «ямок». Если рассмотреть стенки этих лунок, то слои выглядят как встречно-штыревые электроды, непрерывно движущиеся вокруг стенок трубки. Когда чередующиеся проводящие слои подключены к двум фазам переменного сигнала, градиент поля, образующийся вдоль стенок, перемещает клетки за счет DEP.

ДЭП-скважины могут использоваться в двух режимах; для анализа или разделения. В первом случае диэлектрофоретические свойства клеток можно контролировать путем измерения светопоглощения : положительный DEP притягивает клетки к стенкам лунки, поэтому при зондировании лунки световым лучом интенсивность света через лунку увеличивается. Обратное верно для отрицательного DEP, при котором световой луч затеняется клетками. В качестве альтернативы этот подход можно использовать для создания сепаратора, в котором смеси клеток проталкиваются параллельно через большое количество (>100) скважин; те, у кого наблюдается положительный ДЭП, задерживаются в устройстве, а остальные смываются. Выключение поля позволяет выпустить захваченные клетки в отдельный контейнер. Высокопараллельный характер подхода означает, что чип может сортировать ячейки на гораздо более высоких скоростях, сравнимых с теми, которые используются MACS и FACS .

Этот подход предлагает много преимуществ по сравнению с традиционными устройствами на основе фотолитографии, но снижает стоимость, увеличивает количество образца, который можно анализировать одновременно, а также простоту движения клеток, сводящуюся к одному измерению (где клетки могут перемещаться только радиально к центру или от него). из колодца). Устройства, изготовленные по принципу DEP-well, продаются под брендом DEPtech.

Диэлектрофорез, фракционирование в полевом потоке

Использование разницы между диэлектрофоретическими силами, действующими на разные частицы в неоднородных электрических полях, известно как разделение ДЭП. Использование сил DEP можно разделить на две группы: миграция DEP и удержание DEP. Миграция DEP использует силы DEP, которые оказывают противоположные знаки силы на разные типы частиц, чтобы притягивать одни частицы и отталкивать другие. Удержание DEP использует баланс между DEP и силами потока жидкости. Частицы, испытывающие отталкивающие и слабые силы притяжения DEP, элюируются потоком жидкости, тогда как частицы, испытывающие сильные силы притяжения DEP, улавливаются на краях электрода, препятствуя сопротивлению потока.

Диэлектрофорезное фракционирование в полевом потоке (DEP-FFF), предложенное Дэвисом и Гиддингсом, представляет собой семейство методов разделения, подобных хроматографии. В DEP-FFF силы DEP сочетаются с потоком сопротивления для фракционирования образца на различные типы частиц. Частицы впрыскиваются в поток носителя, который проходит через камеру разделения, при этом внешняя разделяющая сила (сила DEP) прикладывается перпендикулярно потоку. Под действием различных факторов, таких как диффузионные, стерические, гидродинамические, диэлектрические и другие эффекты или их комбинация, частицы (диаметром менее 1 мкм) с разными диэлектрическими или диффузионными свойствами занимают разные положения вдали от стенки камеры, что в в свою очередь, демонстрируют различный характерный профиль концентрации. Частицы, которые движутся дальше от стенки, достигают более высоких позиций в параболическом профиле скорости жидкости, текущей через камеру, и будут элюироваться из камеры с большей скоростью.

Оптический диэлектрофорез

Использование фотопроводящих материалов (например, в лабораторных устройствах на чипе) позволяет локализовать диэлектрофоретические силы за счет применения света. Кроме того, можно проецировать изображение, чтобы вызвать силы в области узорчатого освещения, что позволяет выполнять некоторые сложные манипуляции. При манипулировании живыми клетками оптический диэлектрофорез представляет собой безопасную альтернативу оптическим пинцетам , поскольку интенсивность света примерно в 1000 раз меньше.

Дальнейшее чтение

• Турку, я; Лукачу, CM (1989). «Диэлектрофорез: модель сферической оболочки». Журнал физики A: Математический и общий . 22 (8): 985–993. Бибкод : 1989JPhA...22..985T . дои : 10.1088/0305-4470/22/8/014 . ISSN   0305-4470 .
• Джонс, Томас Б. (2002). «О связи диэлектрофореза и электросмачивания». Ленгмюр . 18 (11): 4437–4443. дои : 10.1021/la025616b . ISSN   0743-7463 .

Внешние ссылки

• Общество электрофореза AES - Учебный центр
• Биологическое разделение клеток с помощью диэлектрофореза в микрофлюидном устройстве
• Устройство диэлектрофореза Sandia может произвести революцию в подготовке проб