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介电电泳细胞分离的基本理论

带电粒子在直流电场作用下于一定介质中所发生的定向运动, 称为电泳;非带电颗粒(电介质)在电场作用下的定向运动叫电介质电泳(Dielectrophoresis, DEP), 简称“介电电泳”,是一种区别于使用实验室离心机尽心分离的分离方式。电泳和介电电泳有着本质的区别。电泳的粒子带电, 而介电电泳的颗粒为电中性。悬浮于盐溶液中的细胞可以在电场中运动, 这是因为细胞表面具有一定的电荷(通常为负电荷), 可以吸附被极化的水分子层, 它与介质之间存在着电位差, 此电位差产生了细胞电泳运动的驱动力。电中性颗粒(例如细胞)处于非均匀电场时, 电介质颗粒中的电荷在电场极化作用下发生移动从而构成一个电偶极子, 该细胞电偶极子在电场中受到电场力的作用。该电场力即为介电电泳力, 简称DEP力。

当微粒和溶液处于交流电场中时, 微粒和溶液都会受到极化作用, 当微粒比溶液受到的极化作用强时, 微粒受到的沿场强增大方向的力大于溶液, 从而使中性微粒聚集在电场的极大值处, 这一现象称为正介电电泳, 所受的力为正介电电泳力, 简称 pDEP 力;反之则为负介电电泳, 所受的力为负介电电泳力, 简称 nDEP 力。

对球形颗粒或者球形细胞(半径为 r,相对介电常数为 ε P ,电导率为 σ p )悬浮于流体介质(相对介电常数为 ε f ,电导率为 σ f )的情形, 处于外加非均匀交变电场中且电场的相位不发生变化时, 根据偶极子模型可以得到作用在其上的 DEP 力(F DEP ), 其简化计算公式为:

式中: ε 0 为真空介电常数;ω 为外加电场信号的角频率;E rms 为外加电场的均方根。DEP 力的方向取决于 K * (ω)实部部分(Clausius- Mossotti 因子, 简称 CM 因子, 用 fCM (ω)表示)的符号。当 Re[ K*(ω)]>0

时, 颗粒在非均匀外加电场的作用下从低电场区域被吸引至高电场区域, 为正介电电泳(pDEP);反之,当Re[ K * (ω)]<0 时, 将从高电场区域被排斥至低电场区域, 则为负介电电泳(nDEP)。式(1)所示DEP 力(F DEP )的计算有一个前提, 那就是施加的非均匀交变电场的相位不发生变化。当相位发生变化的时候, 式(1)就不再适用了, 此时的介电电泳力与 K * (ω)的虚部部分有关, 计算较为复杂, 称为行波DEP。

细胞在介电电泳力作用下可改变其运动状态或趋势, 进而可以实现细胞操作。根据细胞在缓冲液中所受介电电泳力的差异, 可以进行细胞的分离。通常情况下, 在分离样本和缓冲液环境固定后, CM因子只与电场信号频率有关, 因此在实验中 CM 因子- 频率图谱是选定合适的介电电泳分离频段的重要依据。要分离两种不同细胞的混合样品, 可以借助介电电泳力的差异设计相应的实验方案。目前经典的方案有两种:

(1)使一种细胞的 CM 因子为正值, 受到正介电电泳作用,运动方向为靠近电极方向(高电场区域), 另一种细胞的 CM 因子为负值, 受到负介电电泳作用, 运动方向为远离电极方向(低电场区域);

(2)两种细胞受到同一类型介电电泳力时(pDEP 或 nDEP),借助介电电泳力大小的差异实现样本在芯片内部运动轨迹差异达到分离的目的。