dielectroforesis

Movimiento de partículas en un campo eléctrico no uniforme debido a interacciones de campo dipolo

Dielectroforesis que ensambla células cancerosas en un modelo de microfluidos 3D.

La dielectroforesis ( DEP ) es un fenómeno en el que se ejerce una fuerza sobre una partícula dieléctrica cuando se somete a un campo eléctrico no uniforme . ^{[1] [2] [3] [4] [5] [6]} Esta fuerza no requiere que la partícula esté cargada . Todas las partículas exhiben actividad dielectroforética en presencia de campos eléctricos. Sin embargo, la intensidad de la fuerza depende en gran medida de las propiedades eléctricas del medio y 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 nanopartículas ^{[2] [7]} y nanocables. ^[8] Además, un estudio del cambio en la fuerza DEP en función de la frecuencia puede permitir dilucidar las propiedades eléctricas (o electrofisiológicas en el caso de las células) de la partícula.

Antecedentes y propiedades

Aunque el fenómeno que ahora llamamos dielectroforesis se describió de pasada ya a principios del siglo XX, sólo fue objeto de un estudio serio, nombrado y comprendido por primera vez por Herbert Pohl en la década de 1950. ^{[9] [10]} Recientemente, la dielectroforesis ha sido revivida 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 una fuerza a lo largo de las líneas de campo, que puede ser atractiva o repulsiva según la orientación del dipolo. Como el campo no es uniforme, el polo que experimente el mayor campo eléctrico dominará sobre el otro y la partícula se moverá. La orientación del dipolo depende de la polarizabilidad relativa de la partícula y el medio, de acuerdo con la polarización de Maxwell-Wagner-Sillars . Dado que la dirección de la fuerza depende del gradiente del campo más que de la dirección del campo, la DEP se producirá tanto en campos eléctricos de CA como de CC; La polarización (y por tanto la dirección de la fuerza) dependerá de las polarizaciones relativas de la partícula y el medio. Si la partícula se mueve en la dirección del campo eléctrico creciente, el comportamiento se conoce como DEP positivo (a veces pDEP), si actúa para alejar la partícula de regiones de alto campo, se conoce como DEP negativo (o nDEP). Como las polarizabilidades relativas de la partícula y el medio dependen de la frecuencia, variar la señal de activación y medir la forma en que cambia la fuerza se puede utilizar para determinar las propiedades eléctricas de las partículas; esto también permite la eliminación del movimiento electroforético de las partículas debido a la carga inherente de las mismas.

Los fenómenos asociados con la dielectroforesis son la electrorotación y la dielectroforesis de ondas viajeras (TWDEP). Estos requieren equipos complejos de generación de señales para crear los campos eléctricos giratorios o itinerantes necesarios y, como resultado de esta complejidad, han encontrado menos aceptación entre los investigadores que la dielectroforesis convencional.

Fuerza dielectroforética

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 permitividad compleja en un medio con permitividad compleja, la fuerza DEP (promediada en el tiempo) es: ^[4] ${\displaystyle r}$ ${\displaystyle \varepsilon _{p}^{*}}$ ${\displaystyle \varepsilon _{m}^{*}}$

${\displaystyle \langle F_{\mathrm {DEP} }\rangle =2\pi r^{3}\varepsilon _{m}{\textrm {Re}}\left\{{\frac {\varepsilon _{p}^{*}-\varepsilon _{m}^{*}}{\varepsilon _{p}^{*}+2\varepsilon _{m}^{*}}}\right\}\nabla \left|{\vec {E}}_{rms}\right|^{2}}$

El factor entre llaves se conoce como función compleja de Clausius-Mossotti ^{[2] [4] [5]} y contiene toda la dependencia de la frecuencia de la fuerza DEP. Cuando la partícula consta de esferas anidadas (cuyo 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 se puede representar mediante expresiones anidadas para las capas y la forma en que interactúan, permitiendo dilucidar las propiedades cuando existen suficientes parámetros relacionados con el número de incógnitas que se buscan. Para un elipsoide alineado en campo más general de radio y longitud con constante dieléctrica compleja en un medio con constante dieléctrica compleja, la fuerza dielectroforética dependiente del tiempo viene dada por: ^[4] ${\displaystyle r}$ ${\displaystyle l}$ ${\displaystyle \varepsilon _{p}^{*}}$ ${\displaystyle \varepsilon _{m}^{*}}$

${\displaystyle F_{\mathrm {DEP} }={\frac {\pi r^{2}l}{3}}\varepsilon _{m}{\textrm {Re}}\left\{{\frac {\varepsilon _{p}^{*}-\varepsilon _{m}^{*}}{\varepsilon _{m}^{*}}}\right\}\nabla \left|{\vec {E}}\right|^{2}}$

La constante dieléctrica compleja es , donde 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 como los glóbulos rojos (como esferoides achatados) o tubos largos y delgados (como elipsoides alargados), permitiendo 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 de los electrodos) o cuando la partícula no se mueve a lo largo de un eje en el que el gradiente de campo es cero (como en el centro de un electrodo axisimétrico). matriz), ya que las ecuaciones solo tienen en cuenta el dipolo formado y no la 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 sólo se aplica a partículas sin pérdidas, porque la pérdida crea un retraso entre el campo y el dipolo inducido. Cuando se promedia, el efecto se cancela y la ecuación también es válida para las partículas con pérdidas. Se puede obtener fácilmente una ecuación equivalente promediada en el tiempo reemplazando E con E _rms o, para voltajes sinusoidales, dividiendo el lado derecho por 2. Estos modelos ignoran el hecho de que las celdas tienen una estructura interna compleja y son heterogéneas. Se puede utilizar un modelo de capas múltiples en un medio de baja conductividad para obtener información sobre la conductividad de la membrana y la permitividad del citoplasma. ^[13] Para una celda con una capa 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 a partir de una combinación de las propiedades de la capa y el núcleo. ^[14] ${\displaystyle \varepsilon ^{*}=\varepsilon +{\frac {i\sigma }{\omega }}}$ ${\displaystyle \varepsilon }$ ${\displaystyle \sigma }$ ${\displaystyle \omega }$ ${\displaystyle i}$

${\displaystyle \varepsilon _{1eff}^{*}(\omega )=\varepsilon _{2}^{*}{\frac {({\frac {r_{2}}{r_{1}}})^{3}+2{\frac {\varepsilon _{1}^{*}-\varepsilon _{2}^{*}}{\varepsilon _{1}^{*}+2\varepsilon _{2}^{*}}}}{({\frac {r_{2}}{r_{1}}})^{3}-{\frac {\varepsilon _{1}^{*}-\varepsilon _{2}^{*}}{\varepsilon _{1}^{*}+2\varepsilon _{2}^{*}}}}}}$

donde 1 es el núcleo (en términos celulares, el citoplasma), 2 es la cubierta (en una célula, la membrana). r1 es el radio desde el centro de la esfera hasta el interior del caparazón y r2 es el radio desde el centro de la esfera hasta el exterior del caparazón.

Aplicaciones

La dielectroforesis se puede utilizar para manipular, transportar, separar y clasificar diferentes tipos de partículas. 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 tecnología de matriz DEP para la gestión simultánea de miles de células en dispositivos de microfluidos. Los microelectrodos individuales en el piso de una celda de flujo son administrados por un 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.

Como las células biológicas tienen propiedades dieléctricas, ^{[15] [16] [17]} la dielectroforesis tiene muchas aplicaciones biológicas y médicas. Se han fabricado instrumentos capaces de separar células cancerosas de células sanas ^{[18] [19] [20] [21]} , así como de aislar células individuales a partir de muestras mixtas forenses. ^[22] Las plaquetas se han separado de la sangre completa con un clasificador de células activado por DEP . ^[23]

DEP ha permitido caracterizar y manipular partículas biológicas como células sanguíneas , células madre , neuronas , células β pancreáticas , ADN , cromosomas , proteínas y virus . DEP se puede utilizar para separar partículas con diferentes signos de polarización a medida que se mueven en diferentes direcciones a una frecuencia determinada del campo de CA aplicado. DEP se ha aplicado para la separación de células vivas y muertas, siendo las células vivas restantes aún viables después de la separación ^[24] o para forzar el contacto entre células individuales seleccionadas para estudiar la interacción célula-célula. ^[25] DEP se ha utilizado para separar cepas de bacterias y virus. ^{[26] [27]} La ​​DEP también se puede utilizar para detectar la apoptosis poco después de la inducción del fármaco midiendo los cambios en las propiedades electrofisiológicas. ^[28]

Como herramienta de caracterización celular.

DEP se utiliza principalmente para caracterizar células midiendo los cambios en sus propiedades eléctricas. Para ello, se encuentran disponibles muchas técnicas 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 debe escalarse al espectro del modelo. Por tanto, la mayoría de los modelos sólo 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 cruzadas: la frecuencia de cruce entre DEP positiva y negativa 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 dirección de las partículas en un gradiente de campo eléctrico; ^[31] medición de la altura de levitación: la altura de levitación de una partícula es proporcional a la fuerza DEP negativa que se aplica. Por tanto, esta técnica es buena para caracterizar partículas individuales y se utiliza principalmente para partículas más grandes, como las células; ^{[32] detección} de impedancia : 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 analizando los espectros dielectroforéticos. ^[14]

Implementación

Geometrías de electrodos

Al principio, los electrodos se fabricaban principalmente con alambres o láminas de metal. Hoy en día, el campo eléctrico en DEP se crea mediante electrodos que minimizan la magnitud del voltaje necesario. Esto ha sido posible utilizando técnicas de fabricación como la fotolitografía, la ablación con láser y el modelado de haces de electrones. ^[34] Estos pequeños electrodos permiten la manipulación de pequeñas biopartículas. Las geometrías de electrodos más utilizadas son isométrica, polinómica, interdigitada y de barra transversal. La geometría isométrica es efectiva para la manipulación de partículas con DEP, pero las partículas repelidas no se acumulan en áreas bien definidas y, por lo tanto, la separación en dos grupos homogéneos es difícil. El polinomio es una nueva geometría que produce diferencias bien definidas en regiones de fuerzas altas y bajas, por lo que las partículas podrían recolectarse mediante DEP positivo y negativo. Esta geometría de electrodo mostró que el campo eléctrico era mayor en el medio de los espacios entre electrodos. ^[35] La geometría interdigitada comprende dedos de electrodos alternos de polaridades opuestas y se utiliza principalmente para captura y análisis dielectroforético. La geometría de barra transversal es potencialmente útil para redes de interconexiones. ^[36]

Electrodos de pozo DEP

Estos electrodos se desarrollaron ^[37] para ofrecer una alternativa de alto rendimiento pero de bajo costo a las estructuras de electrodos convencionales para DEP. En lugar de utilizar métodos fotolitográficos u otros enfoques de microingeniería, los electrodos de pozo DEP se construyen apilando capas conductoras y aislantes sucesivas en un laminado, después de lo cual se perforan múltiples "pozos" a través de la estructura. Si se examinan las paredes de estos pozos, las capas aparecen como electrodos interdigitados que corren continuamente alrededor de las paredes del tubo. Cuando se conectan capas conductoras alternas a las dos fases de una señal de CA, un gradiente de campo formado a lo largo de las paredes mueve las células mediante DEP. ^[38]

Los pozos DEP se pueden utilizar de dos modos; para análisis o separación. ^[39] En el primero, las propiedades dielectroforéticas de las células se pueden monitorear mediante mediciones de absorción de luz : la DEP positiva atrae las células a la pared del pozo, por lo tanto, cuando se explora el pozo con un haz de luz, la intensidad de la luz aumenta a través del pozo. Lo contrario ocurre con la DEP negativa, en la que las células oscurecen el haz de luz. Alternativamente, el enfoque se puede utilizar para construir un separador, donde se fuerzan mezclas de células a través de un gran número (>100) de pocillos en paralelo; aquellos que experimentan DEP positivo quedan atrapados en el dispositivo mientras que el resto se descarga. Apagar el campo permite la liberación de las células atrapadas en un contenedor separado. La naturaleza altamente paralela del enfoque significa que el chip puede clasificar células 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 la simplicidad del movimiento celular se reduce a una dimensión (donde las células solo pueden moverse radialmente hacia o alejándose del centro). del pozo). Los dispositivos fabricados para utilizar el principio DEP-well se comercializan bajo la marca DEPtech.

Fraccionamiento de flujo de campo de dielectroforesis

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 del DEP se ha clasificado en dos grupos: migración del DEP y retención del DEP. La migración de DEP utiliza fuerzas DEP que ejercen signos de fuerza opuestos sobre diferentes tipos de partículas para atraer algunas partículas y repeler otras. ^[40] La retención de DEP utiliza el equilibrio entre DEP y las fuerzas del flujo de fluido. Las partículas que experimentan fuerzas DEP de atracción débiles y repulsivas son eluidas por el flujo de fluido, mientras que las partículas que experimentan fuerzas DEP de atracción fuertes quedan atrapadas en los bordes de los electrodos contra el arrastre del flujo. ^[41]

El fraccionamiento de flujo de campo por dielectroforesis (DEP-FFF), introducido por Davis y Giddings, ^[42] es una familia de métodos de separación de tipo cromatográfico. En DEP-FFF, las fuerzas 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, con una fuerza de separación externa (una fuerza DEP) que se aplica perpendicular al flujo. Mediante diferentes factores, como la difusión y los efectos estéricos, hidrodinámicos, dieléctricos y otros, o una combinación de los mismos, partículas (<1 μm de diámetro) con diferentes propiedades dieléctricas o difusivas alcanzan diferentes posiciones alejadas de la pared de la cámara, lo que, en a su vez, exhiben un perfil de concentración característico diferente. Las partículas que se alejan más de la pared alcanzan posiciones más altas en el perfil de velocidad parabólica del líquido que fluye a través de la cámara y serán eluidas de la cámara a un ritmo más rápido.

Dielectroforesis óptica

El uso de materiales fotoconductores (por ejemplo, en dispositivos de laboratorio en chip) permite la inducción localizada de fuerzas dielectroforéticas mediante la aplicación de luz. Además, se puede proyectar una imagen para inducir fuerzas en un área de iluminación modelada, 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. ^[48]

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45. Huang, Y.; Wang, XB; Becker, FF; Gascoyne, República Popular China (1997). "Introducción de la dielectroforesis como un nuevo campo de fuerza para el fraccionamiento del flujo de campo". Biofísica. J.​ 73 (2): 1118-1129. Código bibliográfico : 1997BpJ....73.1118H. doi :10.1016/s0006-3495(97)78144-x. PMC 1181008 . PMID  9251828. 
46. Wang, XB; Vykoukal, J.; Becker, FF; Gascoyne, República Popular China (1998). "Separación de microperlas de poliestireno mediante fraccionamiento de flujo de campo dielectroforético / gravitacional". Revista Biofísica . 74 (5): 2689–2701. Código bibliográfico : 1998BpJ....74.2689W. doi :10.1016/s0006-3495(98)77975-5. PMC 1299609 . PMID  9591693. 
47. Rousselet, GH Markx; Pethig, R. (1998). "Separación de eritrocitos y perlas de látex mediante levitación dielectroforética y fraccionamiento de flujo de campo de hipercapa". Coloides y superficies A. 140 (1–3): 209–216. doi :10.1016/s0927-7757(97)00279-3.
48. Dongqing Li, ed. "Enciclopedia de Microfluídica y Nanofluídica". Springer, Nueva York, 2008.

Otras lecturas

• Turcu, yo; Lucaciu, CM (1989). "Dielectroforesis: un modelo de capa esférica". Revista de Física A: Matemática y General . 22 (8): 985–993. Código Bib : 1989JPhA...22..985T. doi :10.1088/0305-4470/22/8/014. ISSN  0305-4470.
• Jones, Thomas B. (2002). "Sobre la relación entre dielectroforesis y electrohumectación". Langmuir . 18 (11): 4437–4443. doi :10.1021/la025616b. ISSN  0743-7463.

enlaces externos

• Sociedad de Electroforesis AES - Centro de Aprendizaje
• Separación biológica de células mediante dielectroforesis en un dispositivo de microfluidos.
• El dispositivo de dielectroforesis de Sandia puede revolucionar la preparación de muestras