Кіріспе
Дипольдік өрістің өзара әсерлесуіне байланысты біркелкі емес электр өрісінде бөлшектердің қозғалысы. Диэлектрофорез (DEP) – диэлектрлік бөлшекке біркелкі емес электр өрісі әсер еткен кезде пайда болатын күш. Бұл күш бөлшектің зарядталған болуын қажет етпейді. Барлық бөлшектер электр өрісінде диэлектрофоретикалық белсенділік көрсетеді. Дегенмен, күштің шамасы ортаның және бөлшектердің электрлік қасиеттеріне, бөлшектердің пішіні мен көлеміне, сондай-ақ электр өрісінің жиілігіне тікелей байланысты. Осының салдарынан, белгілі бір жиіліктің өрістері бөлшектерді жоғары дәлдікпен манипуляциялауға мүмкіндік береді. Бұл, мысалы, жасушаларды бөлуге немесе нанобөлшектер мен наносымдарды бағыттауға және өңдеуге мүмкіндік береді. Сонымен қатар, DEP күшінің жиіліктен өзгеруін зерттеу бөлшектің электрлік (немесе жасушалар үшін электрофизиологиялық) қасиеттерін анықтауға көмектеседі.
Dielectrophoresis (DEP) is a phenomenon in which a force is exerted on a dielectric particle when it is subjected to a non uniform electric field. This force does not require the particle to be charged. All particles exhibit dielectrophoretic activity in the presence of electric fields. However, the strength of the force depends strongly on the medium and particles' electrical properties, on the particles' shape and size, as well as on the frequency of the electric field. Consequently, fields of a particular frequency can manipulate particles with great selectivity. This has allowed, for example, the separation of cells or the orientation and manipulation of nanoparticles and nanowires. Furthermore, a study of the change in DEP force as a function of frequency can allow the electrical (or electrophysiological in the case of cells) properties of the particle to be elucidated.
Негізгі деректер және қасиеттері
Біз қазір диэлектрофорез деп атаған құбылыс 20 ғасырдың басында айтылған болса да, оны 1950 жылдары Герберт Поль тұңғыш рет зерттеп, атап, түсіндірді. Жақында диэлектрофорез микробөлшектер, нанобөлшектер және жасушаларды манипуляциялау мүмкіндігіне байланысты қайта жанданды. Диэлектрофорез поляризацияланатын бөлшектің біртекті емес электр өрісіне енген кезде пайда болады. Электр өрісі бөлшекті поляризациялайды, содан кейін полюстер өріс сызықтары бойымен күшті сезінеді, бұл күш дипольдің бағытына қарай тартымды немесе тебілу күші болуы мүмкін. Өріс біртекті болмағандықтан, ең күшті электр өрісіне ие полюсь екіншісінен басымдық алады және бөлшек қозғалады. Дипольдің бағыты бөлшек пен ортаның салыстырмалы поляризациялануына және Максвелл-Вагнер-Силларс поляризациясына сәйкес келеді. Күштің бағыты өріс бағытына емес, өріс градиентіне байланысты болғандықтан, DEP тұрақты (AC) және тікелей (DC) электр өрістерінде де жүреді; поляризация (демек, күштің бағыты) бөлшек пен ортаның салыстырмалы поляризациялануына байланысты. Егер бөлшек электр өрісінің күшею бағытында қозғалса, бұл оң DEP (кейде pDEP) деп аталады, ал егер бөлшек жоғары өрістік аймақтардан алыстаса, онда теріс DEP (немесе nDEP) деп аталады. Бөлшек пен ортаның салыстырмалы поляризациялануы жиілікке тәуелді болғандықтан, энергия беру сигналын өзгерту және күштің өзгеруін өлшеу арқылы бөлшектердің электрлік қасиеттерін анықтауға болады; бұл сонымен қатар бөлшектердің ішкі зарядынан туындаған электрофоретикалық қозғалысын жоюға мүмкіндік береді. Диэлектрофорезбен байланысты құбылыстарға электроротация және жылдамды толқынды диэлектрофорез (TWDEP) жатады. Бұларға қажетті айналмалы немесе жылдамды электр өрістерін жасау үшін күрделі сигнал генерациялау жабдықтары қажет, нәтижесінде бұл құбылыстар дәстүрлі диэлектрофорезге қарағанда зерттеушілер арасында аз қолдау тапқан.
Диэлектрофоретикалық күш
Ең қарапайым теориялық модель – өткізгіш диэлектрлік ортамен қоршалған біртекті шар. Радиусы және күрделі диэлектрлік өтімділігі бар біртекті шар үшін күрделі диэлектрлік өтімділігі ортадағы (уақыт бойынша орташа) DEP күші: 2-суретте көрсетілгендей, өзегі біртекті және сырты қабықшамен жабылған, ал қоршаған ортасы қабат ретінде қарастырылатын жасуша үшін жалпы диэлектрлік жауап қабықша мен өзектің қасиеттерінің үйлесімінен алынады. Мұндағы 1 – өзектің (клеткалық терминдерде цитоплазма), 2 – қабықшаның (клеткада мембрана) радиусы. r1 – шардың ортасынан қабықшаның ішкі бетіне дейінгі радиус, ал r2 – шардың ортасынан қабықшаның сыртқы бетіне дейінгі радиус.
For a cell with a shell surrounding a homogeneous core with its surrounding medium considered as a layer, as seen in Figure 2, the overall dielectric response is obtained from a combination of the properties of the shell and core. where 1 is the core (in cellular terms, the cytoplasm), 2 is the shell (in a cell, the membrane). r1 is the radius from the centre of the sphere to the inside of the shell, and r2 is the radius from the centre of the sphere to the outside of the shell.
Қолданбалар
Диэлектрофорез әр түрлі бөлшектерді манипуляциялау, тасымалдау, бөлу және сұрыптау үшін қолданылады. ДЭП медициналық диагностика, дәрі-дәрмектерді табу, жасушалық терапия және бөлшектерді сүзгілеу сияқты салаларда қолданылуда. DEP жартылай өткізгіш чип технологиясымен бірге микросұйық құрылғыларында мыңдаған жасушаларды бір мезгілде басқару үшін DEP матрицалық технологиясын әзірлеуде де қолданылды. Ағын жасушасының төменгі жағындағы жеке микроэлектродтар CMOS чипімен басқарылады, нәтижесінде мыңдаған диэлектрофореттік "қоршаулар" пайда болады, олардың әрқайсысы бағытталмалы бағдарламалық жасақтаманың бақылауымен бір жасушаны ұстап алып, жылжытуға қабілетті. Биологиялық жасушалардың диэлектрлік қасиеттеріне байланысты диэлектрофорез биологиялық және медициналық салаларда кеңінен қолданылады. Қатерлі жасушаларды сау жасушалардан бөліп алуға, сондай-ақ сот-медициналық қоспалардан жеке жасушаларды оқшаулауға арналған құралдар жасалды. Тромбоциттер ДЭП-активирленген жасуша сұрыптағышы арқылы толық қаннан бөлінді. DEP қан жасушалары, дің жасушалары, нейрондар, бүйрек безінің β жасушалары, ДНК, хромосомалар, ақуыздар және вирустар сияқты биологиялық бөлшектерді сипаттауға және манипуляциялауға мүмкіндік берді. DEP әртүрлі поляризациялық белгілері бар бөлшектерді бөлу үшін қолданылуы мүмкін, себебі олар қолданылатын айнымалы ток өрісінің белгілі бір жиілігінде әртүрлі бағытта қозғалады. DEP тірі және өлі жасушаларды бөлу үшін қолданылды, бөлінгеннен кейін тірі жасушалар әлі де тірі қалады немесе жасушалар арасындағы өзара әрекеттесуді зерттеу үшін таңдалған жеке жасушалардың арасында байланыс орнатуға мәжбүрлейді. DEP бактериялар мен вирустардың штамдарын бөлу үшін де қолданылды. DEP сонымен қатар дәрілік заттардың әсерінен кейін электрофизиологиялық қасиеттердегі өзгерістерді өлшеу арқылы апоптозды анықтау үшін де қолданылуы мүмкін.
Жасушаларды сипаттау құралы ретінде
ДЭП негізінен жасушаларды сипаттау үшін қолданылады, олардың электрлік қасиеттерінің өзгеруін өлшеу арқылы. Мұны істеу үшін диэлектрофоретикалық жауапты сандық бағалауға арналған көптеген техникалар бар, себебі ДЭП күшін тікелей өлшеу мүмкін емес. Бұл техникалар тікелей емес өлшемдерге сүйенеді, күштің күші мен бағытына пропорционалды жауапты алады, оны модель спектріне қатысты масштабтау қажет. Сондықтан көптеген модельдер бөлшектің Клаузиус-Моссотти факторын ғана қарастырады. Ең көп қолданылатын техникалар: жинау жылдамдығын өлшеу – бұл ең қарапайым және кең таралған техника, электродтар белгілі бір концентрациядағы бөлшектердің суспензиясына батырылады және электродта жиналатын бөлшектер саналады; кроссоверлік өлшеулер: оң және теріс ДЭП арасындағы кроссовер жиілігі бөлшектерді сипаттау үшін өлшенеді – бұл техника алдыңғы техникамен санау қиын кішкентай бөлшектер үшін (мысалы, вирустар) қолданылады; бөлшектердің жылдамдығын өлшеу: бұл техника электр өрісі градиентінде бөлшектердің жылдамдығы мен бағытын өлшейді; левитация биіктігін өлшеу: бөлшектің левитация биіктігі қолданылатын теріс ДЭП күшіне пропорционалды. Осылайша, бұл техника жеке бөлшектерді сипаттауға жақсы және негізінен жасушалар сияқты үлкен бөлшектер үшін қолданылады; импеданс сезімталдығы: электрод жиегінде жиналатын бөлшектер электродтардың импедансына әсер етеді – бұл өзгерісті ДЭП-ті сандық бағалау үшін бақылауға болады. Жасушалардың үлкен популяцияларын зерттеу үшін қасиеттерді диэлектрофоретикалық спектрлерді талдау арқылы алуға болады. Бұл кішкентай электродтар кішкентай биобөлшектерді манипуляциялауға мүмкіндік береді. Ең көп қолданылатын электрод геометриялары: изометриялық, полиномдық, араластырылған және қиылысқан. Изометриялық геометрия ДЭП арқылы бөлшектерді манипуляциялауда тиімді, бірақ теріскейіп қайтарылған бөлшектер анықталған аймақтарда жиналмайды, сондықтан екі біртекті топқа бөлу қиын. Полиномдық геометрия – жоғары және төмен күштер аймақтарында анық айырмашылықтар жасайтын жаңа геометрия, сондықтан бөлшектерді оң және теріс ДЭП арқылы жинауға болады. Бұл электрод геометриясы электр өрісінің электродтар арасындағы кеңістіктің ортасында ең жоғары екенін көрсетті. Араластырылған геометрия қарама-қарсы полярлықтағы электрод саусақтарынан тұрады және негізінен диэлектрофоретикалық тұтқындау және талдау үшін қолданылады. Қиылысқан геометрия өзара байланыс желілері үшін пайдалы болуы мүмкін.
DEP-құдық электроды
Бұл электродтар DEP үшін дәстүрлі электрод құрылымдарына қарағанда жоғары өнімділікпен және төмен құнмен балама ұсыну үшін әзірленді. Фотолитографиялық әдістерді немесе басқа микроинженерлік тәсілдерді пайдаланудың орнына, DEP ұңғыма электроды ламинат құрамындағы кезекті өткізгіш және оқшаулағыш қабаттарды үйіп салу арқылы жасалады, содан кейін құрылым арқылы бірнеше "ұңғымалар" бұрғыланады. Егер осы ұңғымалардың қабырғаларын қарасақ, қабаттар түтік қабырғалары бойымен үздіксіз созылған, бір-бірімен тізбектелген электродтар түрінде көрінеді. Кезектесетін өткізгіш қабаттар АЖ сигналының екі фазасына қосылғанда, қабырғалар бойында қалыптасқан өріс градиенті жасушаларды DEP арқылы жылжытады. DEP ұңғымаларын екі режимде қолдануға болады: талдау немесе бөлу үшін. Біріншісінде, жасушалардың диэлектрофоретикалық қасиеттерін жарық сіңіруін өлшеу арқылы бақылауға болады: оң DEP жасушаларды ұңғыма қабырғасына тартады, сондықтан ұңғыманы жарық сәулесімен тексергенде, ұңғыма арқылы жарық интенсивтілігі артады. Теріс DEP үшін керісінше жағдай орын алады, онда жарық сәулесі жасушалармен жасырылады. Балама ретінде, бұл тәсіл сепаратор құру үшін де қолданылуы мүмкін, онда жасушалар қоспасы (>100) ұңғыма арқылы қатарластырылып өткізіледі; оң DEP-ті сезінгендер құрылғыда тұрақтанады, ал қалғандары шайылып кетеді. Өрісті өшіру тұтқынға түскен жасушаларды бөлек ыдысқа жіберуге мүмкіндік береді. Бұл тәсілдің жоғары параллельділігі чиптің MACS және FACS қолданатын жылдамдыққа салыстырмалы түрде жасушаларды әлдеқайда жылдам сұрыптауға мүмкіндік береді. Бұл тәсіл дәстүрлі фотолитографиялық құрылғыларға қарағанда көптеген артықшылықтар ұсынады, себебі шығындарды төмендетіп, бір мезгілде талдауға болатын үлгілердің мөлшерін арттырады және жасушалардың қозғалысын бір өлшемге дейін шектейді (жасушалар тек ұңғыманың ортасына немесе одан алысқа қарай радиалды бағытта қозғала алады). DEP ұңғымалық принципін қолдана отырып жасалған құрылғылар DEPtech таңбасымен сатылады.
Диэлектрофорезтік өріс ағыны фракциялануы
Диэлектрофоретикалық күштердің әртүрлі бөлшектерге біркелкі емес электр өрістерінде әсер ету айырмашылығын пайдалану DEP бөлу деп аталады. ДЭП күштерін пайдалану екі топқа жіктеледі: ДЭП көшіру және ДЭП ұстап қалу. ДЭП көшіруі әртүрлі бөлшек түрлеріне қарама-қарсы күш белгілерін қолданып, кейбір бөлшектерді тартады, ал басқаларын итермелейді. ДЭП ұстап қалуы ДЭП және сұйық ағыны күштері арасындағы тепе-теңдікті пайдаланады. Кері ДЭП күштерін және әлсіз тартымды күштерді сезінетін бөлшектер сұйық ағынымен шығарылады, ал күшті тартымды ДЭП күштерін сезінетін бөлшектер ағынға қарсы электрод шеттерінде тұрақталады. Дэвис пен Гиддингс енгізген диэлектрофорездік өріс ағыны фракциялау (DEP FFF) – хроматографияға ұқсас бөлу әдістерінің тобы. DEP FFF-де ДЭП күштері әртүрлі бөлшектерден тұратын үлгіні бөлшектеу үшін соққы ағынымен біріктіріледі. Бөлшектер бөлу камерасы арқылы өтетін тасымалдаушы ағынға енгізіледі, ал сыртқы бөлу күші (ДЭП күші) ағынға перпендикуляр қолданылады. Диффузиялық және стерикалық, гидродинамикалық, диэлектрлік және басқа да әсерлер немесе олардың комбинациясы арқылы, әртүрлі диэлектрлік немесе диффузиялық қасиеттері бар бөлшектер (1 мкм-ден кіші диаметрлі) камера қабырғасынан әртүрлі қашықтықта орналасады, бұл олардың әртүрлі сипаттамалық концентрация профилін көрсетеді. Қабырғадан алыс жылған бөлшектер камера арқылы ағып жатқан сұйықтың параболалық жылдамдық профилінде жоғарырақ орналасады және камерадан жылдам шығарылады.
Оптикалық диэлектрофорез
Фотоөткізгіш материалдарды қолдану (мысалы, «лабораторияда чип» құрылғыларында) жарық арқылы диэлектрофоретикалық күштерді локальды түрде тудыруға мүмкіндік береді. Бұдан өзге, күрделі манипуляцияларға жол беретін, белгілі бір үлгіде жарықтандыру аймағында күштерді тудыру үшін бейнені проекциялауға болады. Тірі жасушаларды манипуляциялау кезінде оптикалық диэлектрофорез, оптикалық қысқыштарға қарағанда зиян келтірмейтін балама болып табылады, себебі жарықтың қарқындылығы шамамен 1000 есе төмен.