Движение частиц в неоднородном электрическом поле под действием дипольных взаимодействий.

Введение

Движение частиц в неоднородном электрическом поле вследствие взаимодействия дипольных полей. Диэлектрофорез (DEP) – это явление, при котором на диэлектрическую частицу действует сила в неоднородном электрическом поле. Для возникновения этой силы не требуется, чтобы частица имела заряд. Все частицы проявляют диэлектрофоретическую активность в присутствии электрического поля. Однако величина силы сильно зависит от электрических свойств среды и частиц, формы и размера частиц, а также от частоты электрического поля. Следовательно, электрические поля определенной частоты могут манипулировать частицами с высокой селективностью. Это позволяет, например, разделять клетки или ориентировать и манипулировать наночастицами и нанопроволоками. Кроме того, изучение изменения силы DEP в зависимости от частоты может помочь определить электрические (или электрофизиологические, в случае клеток) свойства частицы.

История и свойства

Хотя явление, которое мы теперь называем диэлектрофорезом, было мимоходом описано еще в начале XX века, серьезному изучению, наименованию и первому пониманию оно подверглось благодаря Герберту Полю в 1950-х годах. В последнее время диэлектрофорез получил новое развитие благодаря своему потенциалу в манипулировании микрочастицами, наночастицами и клетками. Диэлектрофорез возникает, когда поляризуемая частица находится во взвешенном состоянии в неоднородном электрическом поле. Электрическое поле поляризует частицу, и полюсы затем испытывают силу вдоль линий поля, которая может быть как притягивающей, так и 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 самого поля, диэлектрофорез происходит как в переменных, так и в постоянных электрических полях; поляризация (и, следовательно, направление силы) зависит от относительных поляризуемостей частицы и среды. Если частица движется в направлении возрастания электрического поля, это поведение называют положительным диэлектрофорезом (иногда pDEP), а если частица отталкивается от областей с высоким полем, то это отрицательный диэлектрофорез (или nDEP). Поскольку относительная поляризуемость частицы и среды зависит от частоты, изменение подаваемого сигнала и измерение изменения силы могут быть использованы для определения электрических свойств частиц; это также позволяет исключить электрофоретическое движение частиц, обусловленное их собственным зарядом. К явлениям, связанным с диэлектрофорезом, относятся электроротация и диэлектрофорез с бегущей волной (TWDEP). Для их реализации требуется сложное оборудование для генерации сигналов, создающее необходимые вращающиеся или бегущие электрические поля, и из-за этой сложности они пользуются меньшей популярностью среди исследователей, чем традиционный диэлектрофорез.

Although the phenomenon we now call dielectrophoresis was described in passing as far back as the early 20th century, it was only subject to serious study, named and first understood by Herbert Pohl in the 1950s. Recently, dielectrophoresis has been revived due to its potential in the manipulation of microparticles, nanoparticles and cells. Dielectrophoresis occurs when a polarizable particle is suspended in a non uniform electric field. The electric field polarizes the particle, and the poles then experience a force along the field lines, which can be either attractive or repulsive according to the orientation on the dipole. Since the field is non uniform, the pole experiencing the greatest electric field will dominate over the other, and the particle will move. The orientation of the dipole is dependent on the relative polarizability of the particle and medium, in accordance with Maxwell–Wagner–Sillars polarization. Since the direction of the force is dependent on field gradient rather than field direction, DEP will occur in AC as well as DC electric fields; polarization (and hence the direction of the force) will depend on the relative polarizabilities of particle and medium. If the particle moves in the direction of increasing electric field, the behavior is referred to as positive DEP (sometime pDEP), if acting to move the particle away from high field regions, it is known as negative DEP (or nDEP). As the relative polarizabilities of the particle and medium are frequency dependent, varying the energizing signal and measuring the way in which the force changes can be used to determine the electrical properties of particles; this also allows the elimination of electrophoretic motion of particles due to inherent particle charge. Phenomena associated with dielectrophoresis are electrorotation and traveling wave dielectrophoresis (TWDEP). These require complex signal generation equipment in order to create the required rotating or traveling electric fields, and as a result of this complexity have found less favor among researchers than conventional dielectrophoresis.

Диэлектрофоретическая сила

Самая простая теоретическая модель — это однородная сфера, окруженная проводящей диэлектрической средой. Для однородной сферы радиуса *r* и комплексной диэлектрической проницаемости ε* в среде с комплексной диэлектрической проницаемостью εm (в среднем по времени) сила DEP равна:

Для клетки с оболочкой, окружающей однородное ядро, где окружающая среда рассматривается как слой, как показано на рисунке 2, общий диэлектрический отклик определяется комбинацией свойств оболочки и ядра. Здесь 1 обозначает ядро (в клеточных терминах, цитоплазму), а 2 — оболочку (в клетке, мембрану). r1 — радиус от центра сферы до внутренней поверхности оболочки, а r2 — радиус от центра сферы до внешней поверхности оболочки.

Приложения

Диэлектрофорез может использоваться для манипулирования, транспортировки, разделения и сортировки различных типов частиц. DEP применяется в таких областях, как медицинская диагностика, разработка лекарственных препаратов, клеточная терапия и фильтрация частиц. DEP также используется в сочетании с технологией полупроводниковых чипов для разработки технологии DEP-массивов, позволяющей одновременно управлять тысячами клеток в микрофлюидных устройствах. Отдельные микроэлектроды на дне проточной ячейки управляются CMOS-чипом для формирования тысяч диэлектрофоретических "ловушек", каждая из которых способна захватывать и перемещать одну клетку под управлением маршрутизирующего программного обеспечения. Поскольку биологические клетки обладают диэлектрическими свойствами, диэлектрофорез имеет множество биологических и медицинских применений. Созданы приборы, способные отделять раковые клетки от здоровых, а также изолировать отдельные клетки из криминалистических смешанных образцов. Тромбоциты были отделены от цельной крови с помощью клеточного сортера, активированного DEP. DEP позволяет характеризовать и манипулировать биологическими частицами, такими как клетки крови, стволовые клетки, нейроны, β-клетки поджелудочной железы, ДНК, хромосомы, белки и вирусы. DEP может использоваться для разделения частиц с различной полярностью поляризуемости, 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 сохраняют жизнеспособность после разделения, или для обеспечения контакта между выбранными отдельными клетками для изучения межклеточных взаимодействий. DEP использовался для разделения штаммов бактерий и вирусов. DEP также может использоваться для обнаружения апоптоза вскоре после индукции лекарственным средством, путем измерения изменений электрофизиологических свойств.

Как инструмент для характеристики клеток

DEP в основном используется для характеристики клеток, измеряя изменения их электрических свойств. Для этого существует множество методов количественной оценки диэлектрофоретического ответа, поскольку непосредственно измерить силу DEP невозможно. Эти методы основаны на косвенных измерениях, получая пропорциональный ответ, характеризующий величину и направление силы, которые необходимо масштабировать относительно модельного спектра. Поэтому большинство моделей учитывают только фактор Клаузиуса-Моссотти частицы. Наиболее часто используемыми методами являются измерения скорости сбора: это самый простой и распространенный метод – электроды погружаются в суспензию с известной концентрацией частиц, и подсчитывается количество частиц, собравшихся на электроде; измерения частоты перехода: частота перехода между положительным и отрицательным DEP измеряется для характеристики частиц – этот метод используется для более мелких частиц (например, вирусов), которые сложно подсчитать предыдущим методом; 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 хорошо подходит для характеристики отдельных частиц и в основном используется для более крупных частиц, таких как клетки; импедансная сенсорика: частицы, собирающиеся на краю электрода, влияют на импеданс электродов – это изменение можно отслеживать для количественной оценки DEP. Для изучения больших популяций клеток свойства можно получить путем анализа диэлектрофоретических спектров. Эти небольшие электроды позволяют работать с малыми биочастицами. Наиболее часто используемые геометрии электродов – изометрическая, полиномиальная, гребенчатая и перекрестная. Изометрическая геометрия эффективна для манипулирования частицами с помощью DEP, но отталкиваемые частицы не собираются в четко определенных областях, что затрудняет разделение на две однородные группы. Полиномиальная геометрия – это новая конструкция, создающая четко выраженные различия в областях с высоким и низким уровнем силы, что позволяет собирать частицы с помощью положительного и отрицательного DEP. Эта геометрия электродов показала, что электрическое поле наиболее сильное в середине межэлектродных зазоров. Гребенчатая геометрия состоит из чередующихся электродов-пальцев с противоположной полярностью и в основном используется для диэлектрофоретической ловушки и анализа. Перекрестная геометрия потенциально полезна для сетей межсоединений.

DEP is mainly used for characterising cells measuring the changes in their electrical properties. To do this, many techniques are available to quantify the dielectrophoretic response, as it is not possible to directly measure the DEP force. These techniques rely on indirect measures, obtaining a proportional response of the strength and direction of the force that needs to be scaled to the model spectrum. So most models only consider the Clausius Mossotti factor of a particle. The most used techniques are collection rate measurements: this is the simplest and most used technique – electrodes are submerged in a suspension with a known concentration of particles and the particles that collect at the electrode are counted; crossover measurements: the crossover frequency between positive and negative DEP is measured to characterise particles – this technique is used for smaller particles (e. g. viruses), that are difficult to count with the previous technique; particle velocity measurements: this technique measures the velocity and direction of the particles in an electric field gradient; measurement of the levitation height: the levitation height of a particle is proportional to the negative DEP force that is applied. Thus, this technique is good for characterising single particles and is mainly used for larger particles such as cells; impedance sensing: particles collecting at the electrode edge have an influence on the impedance of the electrodes – this change can be monitored to quantify DEP. In order to study larger populations of cells, the properties can be obtained by analysing the dielectrophoretic spectra. These small electrodes allow the handling of small bioparticles. The most used electrode geometries are isometric, polynomial, interdigitated, and crossbar. Isometric geometry is effective for particle manipulation with DEP but repelled particles do not collect in well defined areas and so separation into two homogeneous groups is difficult. Polynomial is a new geometry producing well defined differences in regions of high and low forces and so particles could be collected by positive and negative DEP. This electrode geometry showed that the electrical field was highest at the middle of the inter electrode gaps. Interdigitated geometry comprises alternating electrode fingers of opposing polarities and is mainly used for dielectrophoretic trapping and analysis. Crossbar geometry is potentially useful for networks of interconnects.

Электроды для DEP-кабин

Эти электроды были разработаны, чтобы предложить альтернативу традиционным электродам для DEP, сочетающую высокую пропускную способность и низкую стоимость. Вместо использования фотолитографических методов или других подходов микроинженерии, электроды DEP-скважин создаются путем последовательного наложения проводящих и изолирующих слоев в ламинате, после чего в структуре просверливаются множественные "скважины". При изучении стенок этих скважин слои выглядят как перекрестные электроды, непрерывно идущие по окружности стенок трубки. При подключении чередующихся проводящих слоев к двум фазам переменного сигнала, градиент поля, формирующийся вдоль стенок, перемещает клетки посредством DEP. DEP-скважины могут использоваться в двух режимах: для анализа или разделения. В первом режиме диэлектрофоретические свойства клеток можно отслеживать путем измерения поглощения света: положительный DEP притягивает клетки к стенке скважины, поэтому при зондировании скважины световым лучом интенсивность света в скважине возрастает. Обратное верно для отрицательного DEP, когда световой луч затеняется клетками. В качестве альтернативы, этот подход можно использовать для создания сепаратора, в котором смеси клеток пропускаются через большое количество (>100) скважин параллельно; клетки, испытывающие положительный DEP, задерживаются в устройстве, а остальные вымываются. Отключение поля позволяет высвободить захваченные клетки в отдельный контейнер. Высокая степень параллельности подхода означает, что чип может сортировать клетки значительно быстрее, со скоростью, сравнимой с MACS и FACS. Этот подход имеет множество преимуществ по сравнению с традиционными устройствами, основанными на фотолитографии, включая снижение стоимости, увеличение объема одновременно анализируемого образца и упрощение движения клеток, сводя его к одной размерности (где клетки могут перемещаться только радиально к центру скважины или от него). Устройства, изготовленные по принципу DEP-скважин, продаются под брендом DEPtech.

Фракционирование потока поля диэлектрофореза

Использование разницы между диэлектрофоретическими силами, воздействующими на различные частицы в неоднородных электрических полях, известно как ДЭП-разделение. Использование сил ДЭП классифицируется на две группы: ДЭП-миграция и ДЭП-удержание. ДЭП-миграция использует силы ДЭП, оказывающие противоположные по знаку силы на разные типы частиц, для притяжения одних частиц и отталкивания других. ДЭП-удержание использует баланс между силами ДЭП и силами потока жидкости. Частицы, испытывающие отталкивающие и слабые притягивающие силы ДЭП, элюируются потоком жидкости, в то время как частицы, испытывающие сильные притягивающие силы ДЭП, удерживаются на краях электродов против сопротивления потоку. Фракционирование потока поля диэлектрофореза (ДЭП ФФФ), предложенное Дэвисом и Гиддингсом, представляет собой семейство методов разделения, аналогичных хроматографическим. В ДЭП ФФФ силы ДЭП комбинируются с потоком перетаскивания для фракционирования образца, содержащего частицы различных типов. Частицы вводятся в несущий поток, проходящий через камеру разделения, при этом внешняя разделяющая сила (сила ДЭП) прикладывается перпендикулярно потоку. Под действием различных факторов, таких как диффузия и стерические, гидродинамические, диэлектрические и другие эффекты, или их комбинации, частицы (<1 мкм в диаметре) с различными диэлектрическими или диффузионными свойствами занимают различные положения от стенки камеры, что, в свою очередь, определяет различный характерный профиль концентрации. Частицы, удаляющиеся от стенки, достигают более высоких позиций в параболическом профиле скорости жидкости, протекающей через камеру, и элюируются из камеры с большей скоростью.

Оптический диэлектрофорез

Использование фотопроводящих материалов (например, в устройствах «лаборатория на чипе») позволяет локально индуцировать диэлектрофоретические силы посредством воздействия света. Кроме того, можно проецировать изображение для создания сил в заданной области освещения, что открывает возможности для сложных манипуляций. При работе с живыми клетками оптический диэлектрофорез представляет собой неповреждающую альтернативу оптическому пинцету, так как интенсивность света примерно в 1000 раз ниже.