La dielectroforesis ( DEP ) es un fenómeno en el que se ejerce una fuerza sobre una partícula dieléctricacuando se somete a un campo eléctrico no uniforme . [1] [2] [3] [4] [5] [6] Esta fuerza no requiere que la partícula se cargue. Todas las partículas exhiben actividad dielectroforética en presencia de campos eléctricos. Sin embargo, la fuerza de la fuerza depende en gran medida del medio y las propiedades eléctricas de las partículas, de la forma y el tamaño de las partículas, así como de la frecuencia del campo eléctrico. En consecuencia, los campos de una frecuencia particular pueden manipular partículas con gran selectividad. Esto ha permitido, por ejemplo, la separación de células o la orientación y manipulación de las nanopartículas [2] [7] y los nanocables. [8] Además, un estudio del cambio en la fuerza de DEP en función de la frecuencia puede permitir que se diluciden las propiedades eléctricas (o electrofisiológicas en el caso de las células) de la partícula.
Fondo y propiedades [ editar ]
Aunque el fenómeno que ahora llamamos dielectroforesis se describió de pasada ya en el siglo XX, solo fue objeto de un estudio serio, nombrado y entendido por primera vez por Herbert Pohl en la década de 1950. [9] [10]Recientemente, la dielectroforesis ha revivido debido a su potencial en la manipulación de micropartículas , [2] [4] [5] [11] nanopartículas y células .
La dielectroforesis ocurre cuando una partícula polarizable se suspende en un campo eléctrico no uniforme. El campo eléctrico polariza la partícula, y los polos experimentan entonces una fuerza a lo largo de las líneas del campo, que puede ser atractiva o repulsiva según la orientación del dipolo. Como el campo no es uniforme, el polo que experimenta el mayor campo eléctrico dominará sobre el otro y la partícula se moverá. La orientación del dipolo depende de la polarización relativa de la partícula y del medio, de acuerdo con la polarización de Maxwell-Wagner-Sillars.. Dado que la dirección de la fuerza depende del gradiente del campo en lugar de la dirección del campo, el DEP se producirá tanto en CA como en campos eléctricos de CC; La polarización (y, por tanto, la dirección de la fuerza) dependerá de las polaridades relativas de las partículas y el medio. Si la partícula se mueve en la dirección de aumentar el campo eléctrico, el comportamiento se denomina DEP positivo (en ocasiones pDEP), si actúa para alejar la partícula de las regiones de campo alto, se conoce como DEP negativo (o nDEP). Como las polaridades relativas de la partícula y el medio dependen de la frecuencia, varían la señal de activación y miden la forma en que se pueden usar los cambios de fuerza para determinar las propiedades eléctricas de las partículas; Esto también permite la eliminación de electroforesis. Movimiento de partículas debido a la carga inherente de partículas.
Los fenómenos asociados con la dielectroforesis son la electrorotación y la dielectroforesis de onda viajera(TWDEP). Estos requieren equipos de generación de señal complejos para crear los campos eléctricos giratorios o de desplazamiento requeridos, y como resultado de esta complejidad, los investigadores han encontrado menos favor que la dielectroforesis convencional.
Fuerza dielectroforética [ editar ]
El modelo teórico más simple es el de una esfera homogénea rodeada por un medio dieléctrico conductor. [12]Para una esfera homogénea de radio. y la permitividad compleja En un medio con permitividad compleja. la fuerza DEP (promediada en el tiempo) es: [4]
El factor entre paréntesis se conoce como la función compleja de Clausius-Mossotti [2] [4] [5] y contiene toda la dependencia de frecuencia de la fuerza DEP. Cuando la partícula está formada por esferas anidadas, el ejemplo más común es la aproximación de una célula esférica compuesta por una parte interna (el citoplasma) rodeada por una capa externa (la membrana celular), entonces esto puede representarse mediante expresiones anidadas para las conchas y la forma en que interactúan, lo que permite dilucidar las propiedades donde hay suficientes parámetros relacionados con el número de incógnitas que se buscan. Para un elipsoide de radio más general alineado con el campo y longitud con constante dieléctrica compleja En un medio con constante dieléctrica compleja. la fuerza dielectroforética dependiente del tiempo está dada por: [4]
La constante dieléctrica compleja es , dónde es la constante dieléctrica ,es la conductividad eléctrica , es la frecuencia de campo, y Es la unidad imaginaria . [2] [4] [5] Esta expresión ha sido útil para aproximar el comportamiento dielectroforético de partículas tales como glóbulos rojos (como esferoides oblatos) o tubos largos y delgados (como elipsoides prolatos) que permiten la aproximación de la respuesta dielectroforética de los nanotubos de carbono. O virus del mosaico del tabaco en suspensión. Estas ecuaciones son precisas para partículas cuando los gradientes del campo eléctrico no son muy grandes (por ejemplo, cerca de los bordes del electrodo) o cuando la partícula no se mueve a lo largo de un eje en el que el gradiente del campo es cero (como en el centro de un electrodo de simetría axial). matriz), ya que las ecuaciones solo tienen en cuenta el dipoloForma y no polarización de orden superior . [4] Cuando los gradientes del campo eléctrico son grandes, o cuando hay un campo nulo que atraviesa el centro de la partícula, los términos de orden superior se vuelven relevantes, [4] y dan como resultado fuerzas mayores. Para ser precisos, la ecuación dependiente del tiempo solo se aplica a las partículas sin pérdida, porque la pérdida crea un retraso entre el campo y el dipolo inducido. Cuando se promedia, el efecto se cancela y la ecuación también se aplica a las partículas con pérdidas. Se puede obtener fácilmente una ecuación equivalente promediada en el tiempo al reemplazar E con E rms, o, para voltajes sinusoidales dividiendo el lado derecho por 2. Estos modelos ignoran el hecho de que las células tienen una estructura interna compleja y son heterogéneas. Se puede usar un modelo de múltiples capas en un medio de baja conductividad para obtener información de la conductividad de la membrana y la permitividad del citoplasma. [13] Para una celda con una envoltura que rodea un núcleo homogéneo con su medio circundante considerado como una capa, como se ve en la Figura 2, la respuesta dieléctrica general se obtiene de una combinación de las propiedades de la envoltura y el núcleo. [14]
donde 1 es el núcleo (en términos celulares, el citoplasma), 2 es la cáscara (en una célula, la membrana). r1 es el radio desde el centro de la esfera hasta el interior de la cubierta, y r2 es el radio desde el centro de la esfera hasta el exterior de la cubierta.
Aplicaciones de la dielectroforesis [ editar ]
La dielectroforesis se puede utilizar para manipular, transportar, separar y clasificar diferentes tipos de partículas. Dado que las células biológicas tienen propiedades dieléctricas, [15] [16] [17] la dielectroforesis tiene muchas aplicaciones médicas. Se han fabricado instrumentos que separan las células cancerosas de las células sanas. [18] Las plaquetas se han separado de la sangre completa con un clasificador de células activado por DEP . [19] Ladielectroforesis se puede utilizar para manipular, transportar, separar y clasificar diferentes tipos de partículas. La DEP se está aplicando en campos como el diagnóstico médico, el descubrimiento de fármacos, la terapéutica celular y la filtración de partículas.
DEP también se ha utilizado junto con la tecnología de chips semiconductores para el desarrollo de la tecnología DEPArray (Menarini Silicon Biosystems) para la gestión simultánea de miles de células en un dispositivo microfluídico. Los microelectrodos individuales en el piso de una celda de flujo son administrados por el chip CMOS para formar miles de "jaulas dielectroforéticas", cada una capaz de capturar y mover una sola celda bajo el control de un software de enrutamiento.
El mayor esfuerzo en estudiar DEP se ha dirigido a satisfacer las necesidades no satisfechas en las ciencias biomédicas.
Como las células biológicas tienen propiedades dieléctricas [15] [16], la dielectroforesis tiene muchas aplicaciones médicas. Se han fabricado instrumentos capaces de separar células cancerosas de células sanas [18] [20] [21] [22] , así como aislar células individuales de muestras mixtas forenses. [23] DEP ha hecho posible caracterizar y manipular partículas biológicas como células sanguíneas , células madre , neuronas , células β pancreáticas , ADN , cromosomas , proteínas y virus.. El DEP se puede usar para separar partículas con diferentes polarizabilidades de signo a medida que se mueven en diferentes direcciones a una frecuencia dada del campo de CA aplicado. Se ha aplicado DEP para la separación de células vivas y muertas, con el resto de las células vivas aún viables después de la separación [24] o para forzar el contacto entre las células individuales seleccionadas para estudiar la interacción célula-célula. [25]
- Cepas de bacterias y virus [26] [27] Sangre y células rojas y blancas. [ cita requerida ] DEP también se puede usar para detectar la apoptosis poco después de la inducción del fármaco que mide los cambios en las propiedades electrofisiológicas. [28]
DEP como herramienta de caracterización de celdas [ editar ]
DEP se utiliza principalmente para caracterizar células que miden los cambios en sus propiedades eléctricas. Para hacer esto, hay muchas técnicas disponibles para cuantificar la respuesta dielectroforética, ya que no es posible medir directamente la fuerza DEP. Estas técnicas se basan en medidas indirectas, obteniendo una respuesta proporcional de la fuerza y la dirección de la fuerza que se debe escalar al espectro del modelo. Así que la mayoría de los modelos solo consideran el factor Clausius-Mossotti de una partícula. Las técnicas más utilizadas son las mediciones de la tasa de recolección: esta es la técnica más simple y más utilizada: los electrodos se sumergen en una suspensión con una concentración conocida de partículas y se cuentan las partículas que se acumulan en el electrodo; [29]Mediciones de cruce: la frecuencia de cruce entre DEP positivo y negativo se mide para caracterizar partículas: esta técnica se utiliza para partículas más pequeñas (por ejemplo, virus), que son difíciles de contar con la técnica anterior; [30] mediciones de velocidad de partículas: esta técnica mide la velocidad y la dirección de las partículas en un gradiente de campo eléctrico; [31] medida de la altura de levitación: la altura de levitación de una partícula es proporcional a la fuerza DEP negativa que se aplica. Por lo tanto, esta técnica es buena para caracterizar partículas individuales y se usa principalmente para partículas más grandes como las células; [32] impedanciadetección: las partículas que se acumulan en el borde del electrodo influyen en la impedancia de los electrodos; este cambio se puede monitorear para cuantificar la DEP. [33] Para estudiar poblaciones más grandes de células, las propiedades se pueden obtener al analizar los espectros dielectroforéticos. [14]
La implementación de dielectroforesis [ editar ]
Geometrías de electrodos [ editar ]
Al principio, los electrodos estaban hechos principalmente de alambres u hojas de metal. Hoy en día, el campo eléctrico en DEP se crea por medio de electrodos que minimizan la magnitud de la tensión necesaria. Esto ha sido posible utilizando técnicas de fabricación como la fotolitografía, la ablación con láser y el patrón de haz de electrones. [34] Estos pequeños electrodos permiten el manejo de pequeñas biopartículas. Las geometrías de electrodos más utilizadas son isométricas, polinómicas, interdigitadas y transversales. La geometría isométrica es efectiva para la manipulación de partículas con DEP, pero las partículas repelidas no se acumulan en áreas bien definidas, por lo que la separación en dos grupos homogéneos es difícil. El polinomio es una nueva geometría que produce diferencias bien definidas en las regiones de fuerzas altas y bajas, por lo que las partículas pueden recolectarse mediante DEP positivo y negativo. Esta geometría del electrodo mostró que el campo eléctrico era más alto en el medio de los huecos entre electrodos. [35]La geometría interdigitada comprende dedos de electrodo alternos de polaridades opuestas y se utiliza principalmente para la captura y el análisis dielectroforéticos. La geometría de barra cruzada es potencialmente útil para redes de interconexiones. [36]
Electrodos DEP-pozo [ editar ]
Estos electrodos fueron desarrollados [37] para ofrecer una alternativa de alto rendimiento y bajo costo a las estructuras de electrodos convencionales para DEP. En lugar de utilizar métodos fotolitográficos u otros métodos de microingeniería, los electrodos de pozos de DEP se construyen apilando sucesivas capas conductoras y aislantes en un laminado, después de lo cual se perforan múltiples "pozos" a través de la estructura. Si uno examina las paredes de estos pozos, las capas aparecen como electrodos interdigitados que corren continuamente alrededor de las paredes del tubo. Cuando las capas conductoras alternas están conectadas a las dos fases de una señal de CA, un gradiente de campo formado a lo largo de las paredes mueve las celdas por DEP. [38]
Los pozos DEP se pueden usar en dos modos; Para su análisis o separación. [39] En el primero, las propiedades dielectroforéticas de las células pueden controlarse mediante la absorción de luzMedidas: el DEP positivo atrae las células a la pared del pozo, por lo tanto, cuando se sondea con un haz de luz, la intensidad de la luz aumenta a través del pozo. Lo contrario es cierto para DEP negativo, en el que el haz de luz se oscurece por las células. Alternativamente, el enfoque se puede usar para construir un separador, donde las mezclas de células son forzadas a través de grandes números (> 100) de pozos en paralelo; los que experimentan DEP positivo quedan atrapados en el dispositivo mientras que el resto se enjuaga. Apagar el campo permite liberar las células atrapadas en un contenedor separado. La naturaleza altamente paralela del enfoque significa que el chip puede clasificar las celdas a velocidades mucho más altas, comparables a las utilizadas por MACS y FACS .
Este enfoque ofrece muchas ventajas sobre los dispositivos convencionales basados en fotolitografía, pero reduce el costo, aumenta la cantidad de muestra que se puede analizar simultáneamente y reduce la simplicidad del movimiento de la celda a una dimensión (donde las celdas solo pueden moverse radialmente hacia o desde el centro). del pozo). Los dispositivos fabricados para utilizar el principio de pozo DEP se comercializan bajo la marca DEPtech.
Dielectroforesis en campo fraccionamiento de flujo [ editar ]
La utilización de la diferencia entre las fuerzas dielectroforéticas ejercidas sobre diferentes partículas en campos eléctricos no uniformes se conoce como separación DEP. La explotación de las fuerzas de DEP se ha clasificado en dos grupos: migración de DEP y retención de DEP. La migración de DEP utiliza fuerzas de DEP que ejercen signos de fuerza opuestos sobre diferentes tipos de partículas para atraer algunas de las partículas y repeler otras. [40] La retención de DEP utiliza el equilibrio entre DEP y las fuerzas de flujo de fluido. Las partículas que experimentan fuerzas de DEP atractivas repulsivas y débiles son eluidas por el flujo de fluido, mientras que las partículas que experimentan fuertes fuerzas de DEP atractivas se atrapan en los bordes de los electrodos contra la resistencia al flujo. [41]
El fraccionamiento de campo-dielectroforesis (DEP-FFF), introducido por Davis y Giddings, [42] es una familia de métodos de separación de tipo cromatográfico. En DEP-FFF, las fuerzas de DEP se combinan con el flujo de arrastre para fraccionar una muestra de diferentes tipos de partículas. [41] [43] [44] [45] [46] [47]Las partículas se inyectan en un flujo portador que pasa a través de la cámara de separación, aplicándose una fuerza de separación externa (una fuerza DEP) perpendicular al flujo. Mediante diferentes factores, como la difusión y los efectos estéricos, hidrodinámicos, dieléctricos y otros, o una combinación de los mismos, las partículas (<1 a="" alcanzan="" c="" caracter="" con="" concentraci="" ctricas="" de="" del="" di="" diel="" diferentes="" difusivas="" en="" exhiben="" font="" la="" lejos="" m="" mara="" metro="" n="" nbsp="" o="" pared="" perfil.="" posiciones="" propiedades="" que="" sticas="" su="" vez="">Las partículas que se alejan de la pared alcanzan posiciones más altas en el perfil de velocidad parabólica del líquido que fluye a través de la cámara y se eluirán de la cámara a una velocidad mayor.
Dielectroforesis óptica [ editar ]
El uso de materiales fotoconductores (por ejemplo, en dispositivos de laboratorio en chip) permite la inducción localizada de fuerzas dielectroforéticas a través de la aplicación de luz. Además, se puede proyectar una imagen para inducir fuerzas en un área de iluminación con patrón, lo que permite algunas manipulaciones complejas. Al manipular células vivas, la dielectroforesis óptica proporciona una alternativa no dañina a las pinzas ópticas , ya que la intensidad de la luz es aproximadamente 1000 veces menor.
El análisis térmico diferencial (o DTA ) es una técnica termoanalítica similar a la calorimetría diferencial de barrido . En DTA, el material en estudio y una referencia inerte se someten a ciclos térmicos idénticos (es decir, el mismo programa de enfriamiento o calentamiento) al registrar cualquier diferencia de temperatura entre la muestra y la referencia. [1]Esta temperatura diferencial se grafica contra el tiempo o contra la temperatura (curva DTA o termograma). Los cambios en la muestra, ya sea exotérmica o endotérmica, se pueden detectar en relación con la referencia inerte. Por lo tanto, una curva DTA proporciona datos sobre las transformaciones que se han producido, como las transiciones de vidrio, la cristalización, la fusión y la sublimación. El área bajo un pico de DTA es el cambio de entalpía y no se ve afectado por la capacidad de calor de la muestra.
Aparato [ editar ]
Un DTA consiste en un portamuestras, termopares, recipientes para muestras y un bloque cerámico o metálico; un horno un programador de temperatura; y un sistema de grabación. La característica clave es la existencia de dos termopares conectados a un voltímetro. Un termopar se coloca en un material inerte como Al 2 O 3 , mientras que el otro se coloca en una muestra del material en estudio. A medida que aumenta la temperatura, habrá una breve desviación del voltímetro si la muestra está experimentando una transición de fase. Esto ocurre porque la entrada de calor elevará la temperatura de la sustancia inerte, pero se incorporará como calor latente en la fase de cambio de material. [2]
Instrumentos de hoy [ editar ]
En el mercado actual, la mayoría de los fabricantes ya no hacen verdaderos sistemas de DTA, sino que han incorporado esta tecnología en los sistemas de análisis termogravimétrico (TGA), que proporcionan tanto pérdida de masa como información térmica. Con los avances actuales en software, incluso estos instrumentos están siendo reemplazados por verdaderos instrumentos TGA- DSC que pueden proporcionar la temperatura y el flujo de calor de la muestra, simultáneamente con la pérdida de masa.
Aplicaciones [ editar ]
Una curva DTA se puede usar solo como huella digital para fines de identificación, pero generalmente las aplicaciones de este método son la determinación de diagramas de fase, medidas de cambio de calor y descomposición en varias atmósferas.
El DTA se puede utilizar en química del cemento, [8] investigación mineralógica [9] y en estudios ambientales. [10]
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