Диэлектрофорез

редактировать

Воспроизвести медиа Диэлектрофорез, собирающий раковые клетки в трехмерной микрофлюидной модели.

Диэлектрофорез (DEP ) представляет собой явление, при котором сила действует на диэлектрическую частицу, когда она подвергается воздействию неоднородного электрического поля. Эта сила не требует, чтобы частица была заряжена. Все частицы проявляют диэлектрофорезную активность в присутствии электрических полей. Однако сила этой 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 управлять частицами с большой избирательностью. Это позволило, например, разделить клетки или ориентировать наночастицы и нанопроволоки и манипулировать ими. Кроме того, исследование изменения силы DEP как функции частоты может позволить выяснить электрические (или электрофизиологические в случае клеток) свойства частицы.

Содержание

1 Предпосылки и свойства
2 Диэлектрофоретическая сила
3 Применение диэлектрофореза
- 3.1 DEP как инструмент характеристики клеток
4 Осуществление диэлектрофореза
- 4.1 Геометрия электродов
- 4.2 Электроды DEP-скважины
- 4.3 Диэлектрофорез, фракционирование в полевом потоке
- 4.4 Оптический диэлектрофорез
5 Ссылки
6 Дополнительная литература
7 Внешние ссылки

Предпосылки и свойства

Хотя Явление, которое мы сейчас называем диэлектрофорезом, было мимоходом описано еще в начале 20-го века, оно было предметом серьезного изучения, названного и впервые понятого Гербертом Полом в 1950-х годах. Недавно диэлектрофорез был возрожден благодаря его потенциалу в манипулировании микрочастицами, наночастицами и клетками.

Диэлектрофорез происходит, когда поляризуемая частица находится во взвешенном состоянии в неоднородной электрическое поле. Электрическое поле поляризует частицу, и полюса затем испытывают силу вдоль силовых линий, которая может быть притягивающей или отталкивающей в зависимости от ориентации диполя. Поскольку поле неоднородно, полюс, испытывающий наибольшее электрическое поле, будет преобладать 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 происходить как в электрических полях переменного, так и постоянного тока; поляризация (и, следовательно, направление силы) будет зависеть от относительной поляризуемости частицы и среды. Если частица движется в направлении увеличения электрического поля, поведение называется положительным DEP (иногда pDEP), если частица перемещается из областей с сильным полем, это известно как отрицательное DEP (или nDEP). Поскольку относительные поляризуемости частицы и среды зависят от частоты, изменение возбуждающего сигнала и измерение способа изменения силы можно использовать для определения электрических свойств частиц; это также позволяет исключить электрофоретическое движение частиц из-за собственного заряда частицы.

Явлениями, связанными с диэлектрофорезом, являются электровращение и бегущая волна диэлектрофорез (TWDEP). Для этого требуется сложное оборудование для генерации сигналов для создания необходимых вращающихся или бегущих электрических полей, и в результате такой сложности исследователи не так популярны, как традиционный диэлектрофорез.

Диэлектрофоретическая сила

Простейшая теоретическая модель - это модель однородной сферы, окруженной проводящей диэлектрической средой. Для однородной сферы радиуса $r {\ displaystyle r}$ $r$ и комплексной диэлектрической проницаемости $ε p ∗ {\ displaystyle \ varepsilon _ {p} ^ {*}}$ $\ varepsilon_p ^ *$ в среде с комплексной диэлектрической проницаемостью $ε m ∗ {\ displaystyle \ varepsilon _ {m} ^ {*}}$ $\ varepsilon_m ^ *$ (усредненная по времени) сила DEP составляет:

⟨FDEP⟩ = 2 π r 3 ε m Re {ε p ∗ - ε m ∗ ε p ∗ + 2 ε m ∗} ∇ | E → r m s | 2 {\ displaystyle \ 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}}

\ 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 сил DEP. Если частица состоит из вложенных сфер - наиболее распространенным примером является аппроксимация сферической клетки, состоящей из внутренней части (цитоплазмы), окруженной внешним слоем (клеточной мембраной), - это может быть представлено вложенными выражениями для оболочки и способ их взаимодействия, что позволяет выяснить свойства там, где есть достаточные параметры, относящиеся к количеству искомых неизвестных. Для более общего выровненного по полю эллипсоида радиуса $r {\ displaystyle r}$ $r$ и длины $l {\ displaystyle l}$ $l$ со сложным диэлектрическая проницаемость $ε p ∗ {\ displaystyle \ varepsilon _ {p} ^ {*}}$ $\ varepsilon_p ^ *$ в среде с комплексной диэлектрической проницаемостью $ε m ∗ {\ displaystyle \ varepsilon _ {m} ^ {*}}$ $\ varepsilon_m ^ *$ зависящая от времени диэлектрофоретическая сила определяется как:

FDEP = π r 2 l 3 ε m Re {ε p ∗ - ε m ∗ ε m ∗} ∇ | E → | 2 {\ displaystyle 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}}

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 $ε ∗ = ε + i σ ω {\ displaystyle \ varepsilon ^ {*} = \ varepsilon + {\ frac {i \ sigma} {\ omega}}}$ $\ varepsilon ^ * = \ varepsilon + \ frac {i \ sigma} {\ omega}$ , где $ε {\ displaystyle \ varepsilon}$ $\ varepsilon$ - диэлектрическая постоянная, $σ {\ displaystyle \ sigma }$ $\ sigma$ - электрическая проводимость, $ω {\ displaystyle \ omega}$ $\ omega$ - частота поля, а $i {\ displaystyle i}$ $i$ - это мнимая единица. Это выражение было полезно для аппроксимации диэлектрофоретического поведения частиц, таких как красные кровяные тельца (в виде сплюснутых сфероидов) или длинных тонких трубок (в виде вытянутых эллипсоидов), что позволяет приблизительно оценить диэлектрофоретический отклик углеродных нанотрубок или вирусы 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, по которой градиент поля равен нулю (например, в центре осесимметричного электрода). массив), поскольку уравнения учитывают только сформированный диполь , а не поляризацию более высокого порядка. Когда градиенты электрического поля велики или когда через центр частицы проходит нуль поля, члены более высокого порядка становятся релевантными и приводят к более высоким силам. Если быть точным, уравнение, зависящее от времени, применимо только к частицам без потерь, поскольку потери создают задержку между полем и индуцированным диполем. При усреднении эффект нейтрализуется, и уравнение справедливо и для частиц с потерями. Эквивалентное усредненное по времени уравнение можно легко получить, заменив E на Erms, или, для синусоидальных напряжений, разделив правую часть на 2. Эти модели игнорируют тот факт, что клетки имеют сложную внутреннюю структуру и неоднородны. Модель с несколькими оболочками в среде с низкой проводимостью может использоваться для получения информации о проводимости мембраны и диэлектрической проницаемости цитоплазмы. Для ячейки с оболочкой, окружающей однородное ядро с окружающей средой, рассматриваемой как слой, как показано на рисунке 2, общий диэлектрический отклик получается из комбинации свойств оболочки и ядра.

ε 1 eff ∗ (ω) = ε 2 ∗ (r 2 r 1) 3 + 2 ε 1 ∗ - ε 2 ∗ ε 1 ∗ + 2 ε 2 ∗ (r 2 r 1) 3 - ε 1 ∗ - ε 2 ∗ ε 1 ∗ + 2 ε 2 ∗ {\ 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} ^ {*}}}}}

\ 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 (в клеточные термины, цитоплазма), 2 - оболочка (в клетке - мембрана). r1 - это радиус от центра сферы до внутренней части оболочки, а r2 - это радиус от центра сферы до внешней стороны оболочки.

Применение диэлектрофореза

Диэлектрофорез можно использовать для манипулирования, транспортировки, разделения и сортировки различных типов частиц. Поскольку биологические клетки обладают диэлектрическими свойствами, диэлектрофорез имеет множество медицинских применений. Созданы инструменты, которые отделяют раковые клетки от здоровых. Тромбоциты были отделены от цельной крови с помощью DEP-активированного сортировщика клеток. Диэлектрофорез можно использовать для манипулирования, транспортировки, разделения и сортировки различных типов частиц. DEP применяется в таких областях, как медицинская диагностика, открытие лекарств, клеточная терапия и фильтрация частиц.

DEP также использовался в сочетании с технологией полупроводниковых чипов для разработки технологии DEPArray (Menarini Silicon Biosystems) для одновременного управления тысячами клеток в микрофлюидном устройстве. Отдельные микроэлектроды на дне проточной кюветы управляются КМОП-микросхемой, образуя тысячи «диэлектрофорезных клеток», каждая из которых может захватывать и перемещать одну отдельную ячейку под управлением программного обеспечения для маршрутизации.

Наибольшие усилия при изучении DEP были направлены на удовлетворение неудовлетворенных потребностей в биомедицинских науках.

Поскольку биологические клетки обладают диэлектрическими свойствами, диэлектрофорез находит множество медицинских применений. Были созданы инструменты, способные отделять раковые клетки от здоровых, а также выделять отдельные клетки из смешанных образцов судебно-медицинской экспертизы. DEP позволил характеризовать биологические частицы, такие как клетки крови, стволовые клетки, нейроны, панкреатические β-клетки, <44, и управлять ими.>ДНК, хромосомы, белки и вирусы. DEP может использоваться для разделения частиц с разной знакополяризуемостью, когда они движутся в разных направлениях с заданной частотой приложенного переменного поля. DEP применялся для разделения живых и мертвых клеток, при этом оставшиеся живые клетки оставались жизнеспособными после разделения или для принудительного контакта между выбранными отдельными клетками для изучения межклеточного взаимодействия.

Штаммы бактерий и вирусы красной и белой крови и клеток. DEP также можно использовать для обнаружения апоптоза вскоре после индукции лекарственного средства, измеряя изменения электрофизиологических свойств.

DEP как инструмент характеристики клеток

DEP в основном используется для характеристики клеток, измеряя изменения их электрических свойств. Для этого доступно множество методов количественной оценки диэлектрофоретической реакции, поскольку невозможно напрямую измерить силу DEP. 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. Чаще всего используются методы измерения скорости улавливания: это самый простой и наиболее часто используемый метод - электроды погружаются в суспензию с известной концентрацией частиц и подсчитываются частицы, которые собираются на электроде; измерения кроссовера: частота кроссовера между положительной и отрицательной 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 ячейки; измерение импеданса : частицы, собирающиеся на краю электрода, влияют на импеданс электродов - это изменение может быть контролируется для количественной оценки DEP. Чтобы изучить большие популяции клеток, свойства могут быть получены путем анализа диэлектрофорезных спектров.

Реализация диэлектрофореза

Геометрия электродов

Вначале электроды делались в основном из проволоки или металлических листов. В настоящее время электрическое поле в DEP создается с помощью электродов, которые минимизируют величину необходимого напряжения. Это стало возможным с использованием таких производственных технологий, как фотолитография, лазерная абляция и формирование рисунка электронным лучом. Эти маленькие электроды позволяют работать с небольшими биочастицами. Наиболее часто используемые геометрии электродов - изометрическая, полиномиальная, встречно-гребенчатая и поперечная. Изометрическая геометрия эффективна для манипулирования частицами с помощью DEP, но отталкивающиеся частицы не собираются в четко определенных областях, поэтому разделение на две однородные группы затруднено. Многочлен - это новая геометрия, дающая четко определенные различия в областях высоких и низких сил, и поэтому частицы могут собираться с помощью положительного и отрицательного DEP. Эта геометрия электрода показала, что электрическое поле было самым высоким в середине межэлектродных промежутков. Встречно-штыревая геометрия включает чередующиеся электроды противоположных полярностей и в основном используется для диэлектрофоретического захвата и анализа. Геометрия перекладины потенциально полезна для сетей межсоединений.

Электроды DEP-скважины

Эти электроды были разработаны, чтобы предложить высокопроизводительную, но недорогую альтернативу традиционным конструкциям электродов для DEP. Вместо того, чтобы использовать фотолитографические методы или другие подходы к микротехнике, электроды DEP-лунок конструируются путем наложения последовательных проводящих и изолирующих слоев в ламинат, после чего в структуре пробуривается множество «колодцев». Если осмотреть стенки этих лунок, слои выглядят как встречно-гребенчатые электроды, непрерывно проходящие вокруг стенок трубки. Когда чередующиеся проводящие слои подключены к двум фазам сигнала переменного тока, градиент поля, сформированный вдоль стенок, перемещает ячейки посредством DEP.

DEP-лунки могут использоваться в двух режимах; для анализа или разделения. В первом случае диэлектрофоретические свойства клеток можно контролировать с помощью измерений поглощения света : положительное значение DEP притягивает клетки к стенке лунки, таким образом, при зондировании световым лучом в лунке интенсивность света увеличивается через Что ж. Противоположное верно для отрицательного DEP, при котором световой луч становится заслоненным клетками. В качестве альтернативы, этот подход можно использовать для создания разделителя, в котором смеси ячеек проталкиваются через большое количество (>100) лунок параллельно; те, у кого наблюдается положительный DEP, попадают в устройство, а остальные промываются. 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 в MACS и FACS.

. Этот подход предлагает множество преимуществ по сравнению с традиционными методами фотолитографии. устройств, но снижая стоимость, увеличивая количество образца, которое может быть проанализировано одновременно, а простоту движения клеток уменьшали до одного измерения (где клетки могут перемещаться только радиально к центру лунки или от нее). Устройства, изготовленные по принципу DEP-well, продаются под торговой маркой DEPtech.

Диэлектрофорез, фракционирование в поле-потоке

Использование разницы между диэлектрофорезными силами, действующими на разные частицы в неоднородных электрических полях, известно как DEP-разделение. Использование сил DEP было разделено 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 силы отталкивания и слабого притяжения DEP, элюируются потоком жидкости, в то время как частицы, испытывающие сильные силы DEP притяжения, удерживаются на краях электродов, препятствуя сопротивлению потока.

Диэлектрофорезное фракционирование поля-потока (DEP-FFF), введенное Дэвисом и Giddings, представляет собой семейство методов хроматографического разделения. В DEP-FFF силы DEP комбинируются с потоком сопротивления для разделения образца на различные типы частиц. Частицы впрыскиваются в поток-носитель, который проходит через камеру разделения, при этом внешняя разделяющая сила (сила DEP) прилагается перпендикулярно потоку. Посредством различных факторов, таких как диффузия и стерические, гидродинамические, диэлектрические и другие эффекты или их комбинация, частицы (<1 μm in diameter) with different dielectric or diffusive properties attain different positions away from the chamber wall, which, in turn, exhibit different characteristic concentration profile. Particles that move further away from the wall reach higher positions in the parabolic velocity profile of the liquid flowing through the chamber and will be eluted from the chamber at a faster rate.

Оптический диэлектрофорез

Использование фотопроводящих материалов (например, в lab-on-chip) позволяет локализовать индукцию диэлектрофоретических сил посредством приложения света. Кроме того, можно проецировать изображение, чтобы индуцировать силы в области узорчатого освещения, что позволяет выполнять некоторые сложные манипуляции. При манипулировании живыми клетками используется оптический диэлектрофорез обеспечивает безопасную альтернативу оптическому пинцету, так как интенсивность света примерно в 1000 раз меньше.

Ссылки

Дополнительная литература

Внешние ссылки