جداسازی دی الکتروفورتیک در سیستم های آزمایشگاه بر روی چیپ (1)

این اثبات شده است که "دی الکتروفورزیز" که در واقع حرکت القا شده ی ذرات پلاریزه در میدان های غیر یکنواخت می باشد، یک روش مؤثر در جداسازی بیوذراتی مانند سلول ها، ویروس ها و پروتئین ها می باشد. در این مقاله، کاربرد دی الکتروفورزیز در کوچک سازی (miniaturization) سیستم های آزمایشگاه بر روی چیپ بحث می شود. همچنین استراتژی های مربوط به استفاده از دی الکتروفورزیز برای جدایش دوتایی بیوذرات و جزئی شدن در یک چنین وسیله ای، مورد بحث قرار می گیرد.

مقدمه

آزمایشگاه بر روی چیپ (Laboratories-on-a-chip) وسایلی هستند که در آن، اجزای مربوط به آزمایشگاه مدرن، بخش های انتقال مایع، رآکتورها، هیترها، پمپ ها، جداسازها و سنسورها، بر روی آن قرار می گیرد و به صورت کوچک سازی شده، بر روی آن قرار می گیرد. این بخش ها، در اندازه ای در حدود یک تمبر پستی و کارت های اعتباری می باشد. کاهش در اندازه، به همراه مزیت تولید انبوه، قابلیت حمل و نقل و سهولت در استفاده، بدین معناست که یک چنین وسیله ای، دارای پتانسیل خوبی برای تشخیص و مراقبت، ادوات غربال گری قابل حمل و نقل برای آب و آنالیز سریع سلول، پروتئین و DNA در کشف سریع داروها، می باشد. ادوات بر پایه ی استفاده از آزمایشگاه بر روی چیپ، به طور گسترده به عنوان یکی از صنایع در حال رشد قرن 21، تلقی می شود.
علاوه بر استفاده از انواع مختلف از ادوات آزمایشگاهی کوچک سازی شده مانند پمپ ها، هیترها، ستون ها و شیرهای الکتروفورز، سایر تکنولوژی هایی وجود دارد که به طور ایده آل، برای دستکاری ذرات و رسوبات میکرومتری، مورد استفاده قرار می گیرند. در بین این روش ها، دستکاری ذرات با استفاده از میدان های الکتریکی غیر یکنواخت نیز قابل انجام می باشد. اگر چه دی الکتروفورز برای ذراتی قابل انجام می باشد که اندازه ی آنها بین نانومتر تا میلی متر است، کاربردهای بالقوه ی این روش در طی 4 دهه، کاهش یافته است. یکی از دلایلی این مسئله، وابستگی نیروی دی الکترفورز به گرادیان های میدان الکتریکی است. این بدین معناست که باید یا از الکترودهای کوچک استفاده شود و یا از پتانسیل های بزرگ برای ایجاد گرادیان های مناسب، استفاده شود. در بین این دو روش، روش اول، بیشتر ترجیح داده می شود. برای سال های متمادی، نیروی دی الکتروفورز که بواسطه ی سوزن های کوچک و یا سایر الکترودهای فلزی، ایجاد می شود، برای ایجاد میدان های الکتریکی غیر هموژن، کاربرد داشته است(همانگونه که بوسیله ی Pohl و همکارانش، توصیف شد). به هر حال، استفاده از روش های تولید مختلف در صنعت نیمه رساناها، موجب شد تا بتوان الکترودهای با اشکال مختلف مانند اشکال صفحه ای و با دقت نانومتری، ساخته شوند. از زمان اولین استفاده از این روش ها در اواخر دهه ی 1980، ساختار الکترودهای مورد استفاده برای دی الکتروفورز، منحصرا با روش های میکرومهندسی، ساخته شدند.
دی الکتروفورز مزیت های متعددی دارد و از این رو، این روش، برای تکنولوژی های جداسازی مورد استفاده در سیستم های آزمایشگاه بر روی چیپ، مناسب می باشند. اولاً، این تکنولوژی نیازمند تولید میکروالکترودهایی است که تکنولوژی مورد استفاده در ساخت آنها، دقیقا مشابه تکنولوژی مورد استفاده در ساخت بقیه ی اجزای آزمایشگاه بر روی چیپ است. در واقع این بخش ها، از روش فوتولیتوگرافی متداول تولید می شوند. این روش در صنعت نیمه رسانا، کاربرد دارد. دی الکتروفورز همچنین برای ایجاد تمایز میان سلول و اجزای مشابه، مورد استفاده قرار می گیرد. این کار بر اساس تفاوت در خواص دی الکتریک آنها انجام می شود. در این روش، بر اساس پدیده های فیزیکی اتفاق افتاده در داخل ذرات، مانند تغییر در رسانایی سیتوپلاسم و یا حضور غشاهای اضافی، تمایز را ایجاد می کند. در نهایت، دی الکتروفوز، که در واقع نیرویی است که مقدار و جهت آن به خواص ذره وابسته است، برای سیستم طبقه بندی استفاده می شود. در این بخش ها، جمعیت هایی ذره ای با خواص مختلف به گروه های هموژن و هم سان، طبقه بندی می شوند. این کار یا با استفاده از ایجاد تمایز در میدان نیرو انجام می شود و یا با استفاده از پمپ های اضافی (این پمپ ها، موجب ایجاد حرکت در سیستم ذرات می شوند).
در این مقاله، ما جداسازی با روش دی الکتروفورز را در مقیاسی مورد ارزیابی قرار خواهیم داد که برای سیستم های آزمایشگاه بر روی چیپ، مناسب می باشند. همچنین در این مقاله، استراتژی های متفاوتی را مورد بررسی قرار می دهیم که بوسیله ی آنها، دی الکتروفورز می تواند برای جداسازی بیوذراتی مانند سلول ها، به خدمت گرفته می شوند (یا با استفاده از روش جداسازی دوتایی ذرات به دو گروه مختلف و یا با جزء به جزء کردن آنها به جمعیت های مختلف).

تئوری

اگر یک ذره ی دی الکتریک در داخل میدان الکتریکی معلق شوند، پلاریزه می شوند و مقدار و جهت این دو قطبی ایجاد شده، به فرکانس و بزرگی میدان الکتریکی اعمال شده، خواص دی الکتریک ذره و محیط وابسته است. برهمکنش میان دوقطبی های موجود و میدان، می تواند موجب تشکیل حرکت در ذره شود. این پدیده ی طبیعی، به تعدادی فاکتور وابسته است که شامل میزان ناهمگونی مقدار و فاز میدان می باشد.
اگر میدان الکتریکی یکنواخت باشد، بنابراین، جاذبه ی کلمبی میان بارهای دو قطبی و میدان الکتریکی، برابر و مخالف است و بنابراین هیچ حرکت خالصی، وجود ندارد، مگر آنکه ذرات بار خالصی حمل کنند و یا فرکانس میدان برابر با نزدیک به صفر باشد. به هر حال، اگر میدان به طور فضایی غیر هموژن باشد، پس مقدار نیروهای کلمبی، در هر دو سمت ذره، متفاوت است . از این رو، نیروی خالصی در جهت با میزان بالاتر از میدان، ایجاد می شود. به دلیل اینکه، جهت نیرو، بوسیله ی متغیرهای فضایی مربوط به قدرت میدان، تعیین می شود، ذره همواره در جهتی حرکت می کند که در آن، میدان الکتریکی به میزان ماکزیمم است. این مسئله در هر دو میدان AC و DC مشاهده شده است. باز آرایی دوباره با پلاریته ی میدان اعمال شده، ایجاد می شود و این نیرو همواره دارای گرادیان می باشد نه جهت گیری.
الکتروفورزیز می تواند همچنین با توجه به جهت، تقسیم بندی شود. اگر نیرو در جهت افزایش گرادیان میدان باشد، دی الکتروفورز مثبت نامیده می شود و اگر در جهت مخالف باشد، دی الکتروفورز منفی نامیده می شود. دی الکتروفورز منفی، موجب می شود تا ذره از نواحی دارای میدان الکتریکی بزرگتر، دفع گردد و به سمت گرادیان های پایین تر حرکت کند. این مسئله که ذره تحت الکتروفورز منفی قرار دارد یا مثبت، به پلاریزاسیون نسبی بین ذره و محیط اطراف آن، وابسته است. در واقع این مورد به تفاوت در مقدار بار القا شده در سطح مشرک میان ذره و محیط وابسته است و این تفاوت موجب می شود تا دو قطبی ها، نسبت به میدان اعمال شده، در جهت عکس قرار گیرند. که در اینجا، پلاریزاسیون ذره بیشتر از محیط است و در جهت مشابه، این پلاریزاسیون در جهت مشابه با میدان اعمال شدهش است. از آنجایی که پلاریزاسیون نسبی، یک تابع پیچیده است که نه تنها به ثابت دی الکتریک، بلکه به رسانایی ذره و محیط وابسته است، این پلاریزاسیون، به طور قابل توجهی، به فرکانش وابسته است و از این رو، رفتار ذرات ممکن است در فرکانس های مختلف، متفاوت باشد.
در جایی که میدان الکتریکی اعمال شده، در فضا متحرک باشد، سایر اثرات نیز مشاهده می شود. یک میدان الکتریکی که در طی زمان در فضا حرکت می کند، می تواند به عنوان موجی توصیف شود که دارای فازهای مختلفی نسبت به موقعیت است. در جایی که میدان الکتریکی در عرض ذره، حرکت می کند، یک دو قطبی، ایجاد می شود که همچنین این دو قطبی نیز در عرض ذره، حرکت می کند. اگر سرعت میدان در عرض توده به اندازه ی کافی بزرگ باشد، بنابراین دو قطبی در فاصله ی محدود، دارای تأخیر می شود و از این رو، برهمکنش میان پیک های میدان الکتریکی و دو قطبی ها، موجب القای نیرو به توده می شود. مشابه دی الکتروفورز معمولی، جهت حرکت توده به قابلیت پلاریزاسیون توده، وابسته است، اگر ذره قابلیت پلاریزه شدن بیشتری نسبت به محیط داشته باشد. در این حالت دو قطبی در جهت مخالف میدان الکتریکی جهت گیری می کنند و این مسئله موجب می شود تا نیروی جاذبه القا شود و این مسئله موجب شود تا ذره به سمت مسیری حرکت کند که میدان در حال حرکت است، اگر ذره قابلیت پلاریزاسیون کمتری نسبت به محیط داشته باشد. به طور مشابه، اگر جابجایی دو قطبی، بزرگتر از نیمی از طول موج میدان الکتریکی باشد (وقتی میدان در فضا حرکت می کند)، بنابراین، این میدان با ماکزیمم میدان ایجاد شده، واکنش می دهد و بنابراین موجب معکوس شدن جهت می شود. نامی که بر این پدیده گذاشته شده، دی الکتروفورز موج عبوری (travelling-wave dielectrophoresis) می باشد. از آنجایی که تولید یک میدان الکتریکی متغیر در فضا (متغیر از لحاظ فاز و میدان) وجود دارد، یک ذره ی معلق در داخل یک چنین میدانی، به طور همزمان، متحمل نیروی دی الکتروفورز و دی الکتروفورز موج عبوری می شود. در این حالت، بردارهای نیرو، در جهت های بار ماکزیمم موجود در میدان و بار ماکزیمم فاز میدان، قرار دارند. این اثرات به صورت شماتیک در شکل 1 نشان داده شده است.
ممنتوم دو قطبی ایجاد شده (m(t)) برای یک ذره که در دمای اتاق، متحمل میدان الکتریکی (RMS) برابر با E شده است، برابر است با:

که در اینجا سه مختصات دکارتی می باشد. بعد از کار تحقیقاتی انجام شده بوسیله ی Wang و همکارانش، اجزای مربوط به مومنتوم دو قطی به صورت زیر بیان شد:

که در اینجا، r شعاع مربوط به ذره، ε_m ثابت دی الکتریک مطلق مربوط به محیط می باشد. عبارت Re و Im به ترتیب، بیان کننده ی اجزای حقیقی و موهومی می باشند. فاکتور کلازیوس- موساتی به صورت زیر بیان می شود:

که در اینجا، بیان کننده ی ثابت دی الکتریک پیچیده به ترتیب مربوط به محیط و ذره می باشد. و است. همچنین σ رسانایی، ε ثابت دی الکتریک و w برابر است با فرکانس زاویه ای میدان الکتریکی اعمال شده.
وقتی این دو قطبی بوسیله ی میدان الکتریکی غیر یکنواخت ایجاد می شود، نیروی الکتروفورتیک خالص بر روی ذره ایجاد می شود. این نیرو به صورت زیر بیان می شود:

که در اینجا، r شعاع ذره، ε_m ثابت دی الکتریک مربوط به محیط، ε_m براابر با اپراتور بردار دل (Del vector (gradient) operator)، به ترتیب بیان کننده ی بردارهای فاز محلی است. در غیاب تغییر فازی، مانند چیزی که در یک سیستم دو الکترودی، مشاهده می شود، این بیان می تواند به بیان کلاسیک در مورد نیروی دی الکتروفوز، تبدیل شود:

به طور مشابه، در غیاب گرادیان های طولی و حضور یک گرادیان فازی به دلیل وجود یک میدان الکتریکی عبوری یک بعدی با طول موج λ، بیان برای نیروی القا شده، به صورت بیانی تبدیل می شود که بوسیله ی Huang و همکارانش، بیان شده است:

جداسازی دی الکتروفورتیک

با در نظر گرفتن تئوری مربوط به نیروهای دی الکتروفورتیکی و جهات بیان شده، می توانیم نحوه ی عمل نیروی دی الکتروفورز را در زمینه ی جداسازی ذرات، را بفهمیم. مشابه با هر روش جداسازی دیگر، جداسازی دی الکتروفورز، با اعمال یک میدان نیرو انجام می شود. به دلیل تفاوت فیزیکی، گروه های مختلف ذره ای، جداسازی می شوند. در این مورد، اساس مربوط به جداسازی دی الکترفورز عموماً با تفاوت در قابلیت پلاریزه شدن جمعیت های ذره ای مختلف، انجام می شود. این تفاوت در مقدار K(w) می باشد. به دلیل اینکه فاکتور کلازیوس- موساتی، از ثابت دی الکتریک مختلط ذره و محیط تشکیل شده است، که هر دوی آنها نیز به فرکانس وابسته هستند، این شگفت آور نیست که فاکتور کلازیوس- ماسوتی، به خودی خود، وابسته به فرکانس است. طیف فرکانس مربوط به بخش های حقیقی و موهومی K(w)، قابل پیش بینی می باشند و از الگوهایی تبعیت می کنند که مشابه الگوی بیان شده در شکل 2 است. عموماً به جز فرکانس نزدیک به پراکندگی دی الکتریک، بخش حقیقی، به طور نمونه وار، مقداری ثابت است که می تواند مثبت یا منفی باشد، این در حالی است که بخش موهومی، مقدار صفر است به جز در فرکانس های مربوط به پراکندگی دی الکتریک. در این فرکانس ها، پیک های مثبت و منفی، مشاهده می شود. در شرایط خاص، یک ذره ممکن است دی الکتروفورز مثبت را در یک پنجره ی فرکانس، تجربه کند و در پنجره ی دیگر، فرکانس منفی دریافت کند. در این مورد، فرکانس شاخصی وجود داد که در آن، علامت نیرو، تغییر می کند. در این نقطه، نیروی وارد شده به ذره صفر می شود. این فرکانس به خواص دی الکتریک ذره و محیط، وابسته است. ذرات با فرکانس های متقاطع مختلف، نیروهایی با پنجره ی علامتی مختلف دریافت می کنند که دارای مرزهایی با فرکانس های متقاطع می باشد. این مسئله موجب می شود تا یک جمعیت ذره ای، به نواحی با میدان بزرگتر، جذب شود در حالی که ذره ی دیگر، از این ناحیه، دفع می گردد. به طور مشابه، ذرات دارای تفاوت در ساختار دی الکتریکی، می توانند در جهتی مخالف با میدان حرکت کنند. علاوه بر این، یک مخلوط هموژن تر از ذرات ممکن است بوسیله ی وجود تفاوت های اندک در پلاریزاسیون، جداسازی شوند و یا با استفاده از نیروی دی الکتروفورتیکی در محل اتصال، و تغییر در فاکتورهای دیگر مانند نفوذپذیری، این عمل انجام شود.
برای ذرات پیچیده که شامل لایه های متعدد هستند، مقدار K(w) به توزیع این لایه ها، وابسته است. این مسئله در حقیقت بدین معناست که دی الکتروفورز می تواند برای آنالیز ذراتی مورد استفاده قرار گیرد که دارای پوسته های مختلف هستند. برای مثال، برای بررسی تغییر در سیتوپلاسم سلول ها بعد از آلودگی آنها به مواد ویروسی. این پتانسیل، دارای کاربردهای متعددی در انالیز سلولی دارد مخصوصا برای تشخیص زیرکانه ی سلول ها. از این روش برای جداسازی سلول های سالم از سلول های سرطانی ، سلول های زنده و مرده، سلول های لوسمی از سلول های سالم خون، گونه های مختلف از باکتری و سلول تروفوبلاست از سلول های خون مادری استفاده می شود.
توسعه های اخیر نشاندهنده ی این است که جداسازی با دی الکتروفورتیک، برای ذرات زیر میکرون مانند ویروس ها، نانوذرات لاتکس و حتی ماکرومولکول ها نیز قابل استفاده می باشد. این فهمیده شده است که برخی اوقات که قطر ذره ای که الکتروفورز را دریافت می کند، کمتر از یک میکرون باشد، پاسخ دی الکترفورز غالب می شود و موجب ایجاد حرکت هایی در سطح ذره می شود. این مسئله در حقیقت به دلیل تغییر سطحی ذره ایجاد می شود. برای مثال، این نشان داده شده است که ذرات کروی با قطر 92 نانومتر از جنس لاتکس که دارای رسانایی سطحی هستند را می توان از طریق آرایه های الکترودی و با توجه به رسانایی سطحی شان، جداسازی نمود. این اثر بعدها، بوسیله ی Hughes و همکارانش مورد استفاده قرار گرفت و بدین وسیله ، سطح ذرات لاتکس اصلاح و با آنتی بادی، عامل دار شد. این نشان داده شده است که تغییر در فرکانس سطح مقطع متناسب با میزان پروتئین موجود در سطح، موجب می شود تا آنتی بادی های ثانویه بر روی لایه ی آنتی بادی اولیه بچسبد.
روش های مشابه می توانند بر روی بیو ذرات نانومقیاس، اعمال شوند. برای مثال، این نشان داده شده است که ذرات ویروس با ویژگی های سطح مقطعی مختلف، می توانند از طریق آرایه های الکترودی، جداسازی شوند. این روش برای جداسازی هرپس سیمپلکس (Herpes simplex) و ذرات توتون و تنباکو مورد استفاده قرار گرفته است. این نشان داده شده است که رفتار متقاطع ویروس های هرپس به طور قابل توجهی به استفاده از روش های عمل آوری مانند استفاده از آنتی بیوتیک ها وابسته است و موجب می شود تا سیستم های مناسب برای جدایش ویروس ها و همچنین ارزیابی زنده بودن آنها، فراهم آید. در نهایت، جداسازی دی الکتروفورتیک، می تواند برای ماکرومولکول هایی مانند پروتیئن ها و بخش های DNA مورد استفاده قرار گیرد. این مسئله بوسیله ی Washizu و همکارانش، نشان داده شده است. این کار با تفکیک یک مخلوط از پروتئین ها و مولکول های DNA بوسیله ی ترکیبی از میدان- جریان های الکتروفورتیک، قابل انجام می باشد و دارای پتانسل استفاده خوبی در کاربردهای ژنومی دارد.
یک ملاحظه ی مهم در زمینه ی بهینه سازی شرایط جداسازی دی الکتروفورز، انتخاب محیط معلق سازی است. از آنجایی که رفتار دی الکتروفورز یک ذره، مربوط به خاصیت دی الکتریک محیط و خود ذره است، انتخاب مناسب یک محیط، مسئله ای حیاتی است. عموماً کنترل استفاده کننده نسبت به خواص محیط، تنهامحدود به انتخاب مناسب رسانایی بوسیله ی تعیین مناسب ملالیته، می باشد. به هر حال، این باید تذکر داده شود که محیط با رسانایی بیشتر، می تواند منجر به اثرات حرارتی در محیط شود و بدین صورت، سلول ها و سایر عوامل بیوذره ی، آسیب می بینند. این مسئله همچنین موجود ایجاد جریان های سیال اضافی به دلیل وجود اثرات الکترودینامیکی می شود. یک بررسی کامل بر روی سیستم های الکتروکینتیکی بوسیله ی Ramos و همکارانش بیان شده است. این ممکن است که ثابت دی الکتریک محیط را از طریق افزودن آمینواسیدها یا پروتئین های خاص به محلول، تنظیم کرد. در نهایت، وقتی سلول ها معلق می شود، این مهم است که اطمینان حاصل شود که محیط آنها ایزو اسمزی باشد (معمولاً بوسیله ی افزودن مقادیر مناسبی از مواد خانواده ی قندها مانند مانیتول یا ساکروز، که بر روی رسانایی اثری ندارد).

آزمایشگاه بر روی چیپ

همانگونه که در مقدمه گفته شد، جداسازی با دی الکتروفورز، به طور قابل توجهی موجب بهبود میکروالکترونیک می شود. این مسئله بواسطه ی ساخت ساختارهای میکروالکترود می شود که بدین صوررت می تواند میدان های الکتریکی غیر هموژن تولید کرد. اکثر این روش ها، برای ایجاد الگوهای مواد رسانا بر روی مواد نارسانا مانند شیشه، استفاده می شود. زیرلایه های مختلفی ممکن است مورد استفاده قرار گیرد البته شیشه دارای مزیت های نوری نسبت به سایر زیرلایه هاست و در صورت استفاده از شیشه، می توان مقادیر ذره ی جمع آوری شده بر روی آرایه های الکترودی را تشخیص و اندازه گیری کرد. ساختارهای الکترودی به طور نمونه وار دارای ضخامت میکرومتر تا چند میکرومتر است و ساختارهای دو بعدی و یا صفحه ای محسوب می شود. ایجاد الگو با استفاده از فوتولیتوگرافی انجام می شود. ساختارهای پیچیده تر، مانند الکترودهای مورد استفاده در ایجاد الکتروفورز موج عبوری، ممکن است بوسیله ی میله های اتوبوسی بر روی لایه های مختلف، مورد استفاده شود. این ساختارها بوسیله ی لایه های عایق کننده از هم جدا شده اند و بوسیله ی سوراخ ها در تماس هستند.
مفهوم آزمایشگاه بر روی چیپ در دهه ی 1990 ایجاد شد. این مفهوم برای توصیف سیستم های مجتمعی استفاده می شود که برای انجام آنالیز استفاده می شوند. برای انجام این آزمایشگاه، مجبور بودیم تا از ادوات آزمایشگاهی مختلفی استفاده کنیم. یک چنین وسایلی، می تواند به طور بالقوه بر روی نمونه های خون اعمال شوند. این کار در بالین بیمار انجام می شود و یا حداقل پتانسیلی برای آنالیز ساده تر و ارزان تر در بیمارستان می باشد. شاید اولین وسیله ای که از روش های میکرومهندسی برای ساخت یک آزمایشگاه بر روی چیپ، استفاده کرده است، مدارهای مجتمع سیال دی الکتروفورز می باشد که بوسیله ی Washizu، Masuda و Nanba توصیف شده است. این وسیله قادر است تا سلول را در داخل کانال های میکرونی، حرکت دهد و آنها را در خروجی های مختلف، طبقه بندی کند. از آنجایی که سلول ها، به سهولت و با استفاده از دی الکتروفورز دستکاری می شوند و قادر هستند تا بین نوع سلول و خواص داخلی آنها، تمایز قائل شود، بیشتر کارهای انجام شده در مورد آزمایشگاه بر روی چیپ، موجب می شود تا آشکارسازهای سلولی برای کاربردهای پزشکی، تولید شوند. به هر حال، بیشتر وسایل آزمایشگاهی بر روی چیپ، دارای ویژگی هایی هستند که موجب می شود بتوان آنها را با روش های تولید نیمه رسانا، تولید کرد.
یک تعداد از رویه ها برای استفاده از روش دی الکتروفورز در مورد مفهوم آزمایشگاه بر روی چیپ، وجود دارد. برخی محققین، تلاش هایی را توصیف کرده اند که بوسیله ی آنها، می توان یک گستره از عملکردها را با استفاده از دی الکتروفورز، انجام شود. این عملکردها عبارتند از جداسازی، به دام انداختن و آنالیز. سایر عملکردها نیز در زمینه ی واکنش زنجیره ی پلیمراز (PCR)، الکتروپورشن یا روش های بیوشیمیایی برای تشخیص سلول های دل می باشد که در اصل روشی برای ایزوله کردن سلول های خاص در مرحله مقدماتی می باشد. کمک این مقاله ی مروری، این است که بررسی کنیم نیروهای دی الکتروفورز چگونه می تواند نقش خاص وسایل میکروالکترودی صفحه ای را ایفا کند.
استراتژی های جداسازی در آزمایشگاه بر روی چیپ
اگر چه جداسازی دی الکتروفورز ذرات، برای گستره ی وسیعی از کاربردها، مورد استفاده قرار می گیرد، این روش اغلب برای یک تعداد اندک از سلول ها در یک حجمی مورد استفاده قرار می گیرد که شاید در حد چند نانولیتر باشد. در حالی که جداسازی مقادیر اندک از مخلوط های ذره ای، بر روی آرایه های الکترودی، ساده است، اعمال روش های مشابه بر روی مقادیر بزرگتر از میکرولیتر، به طور نمونه وار نیازمند کاربردهای عملی است که می تواند مشکل باشد. این مسئله به خطر مقدار نیروی دی الکتروفورزی است که به صورت اکسپونانسیلی با افزایش فاصله از سطح الکترود، کاهش می یابد. به منظور فرآوری مقادیر بزرگتر، این ضروری است که ناحیه ی مربوط به الکترودها، افزایش یابد. اگر چه این کار نیز عمر نفوذ را تغییر نمی دهد و می تواند موجب افزایش در احتمال عدم تحرک ذره در نزدیکی الکترودها و در طی زمان می شود. علاوه بر این، استفاده از الکترودهای با مساحت سطحی بزرگ، موجب افزایش در حجم کل مربوط به اثر دی الکتروفورز می شود و موجب می شود تا ذرات بیشتری به دام افتد. این مسئله می تواند افزایش یابد اگر ارتفاع کل مربوط به محیط سوسپانسونی موجود در بالای الکترودها، بوسیله ی بخش هایی محدود باشند.
یکی دیگر از شرایط مربوط به جداسازی عملی، این است که برخی راه ها برای استخراج ذرات در زمان جداسازی، وجود داشته باشد. در واقع جداسازی باید در فاصله ی مناسبی نسبت به محل جداسازی انجام شود تا بدین صورت، استخراج انجام شود. این فاصله ممکن است در فضایی باشد که جداسازی جمعیت ها رخ می دهد. در این حالت، این جمعیت های جداسازی شده به خروجی های مختلف هدایت می شوند به نحوی که در خروجی های مختلف، جمعیت های ذره ای مختلف داریم. به طور مشابه، این وسایل، ممکن است قادر به جداسازی دوتایی ساده باشند یا بتوانند یک تعداد زیاد از گروه های ذره ای را تجزیه و تفکیک کنند. در این جا، راه های مختلفی در نظر گرفته خواهد شد که در واقع بیان کننده ی کارایی یک چنین جداسازی در سیستم های آزمایش روی چیپ است.

جداسازی جریان

ساده ترین راه برای جداسازی دی الکتروفورز به صورت عملی، جداسازی جریانی است. با استفاده از این روش، مخلوطی از ذرات با عبور از میان محفظه ی جداسازی، تفکیک می شوند. محفظه ی جداسازی شامل آرایه های الکترودی در کف می باشد. از این نوع آرایه ها در دیواره هم وجود دارد و یک سر پوش بر روی این بخش، قرار داده می شود. این کار موجب افزایش نفوذ عمقی کل نیروی دی الکتروفورز می شود. یک ورودی و یک خروجی، وجود دارد. مخلوط در داخل آرایه های الکترودی، تزریق می شود. این کار با استفاده از منابع خارجی مانند پمپ سرنگی انجام می شود. الکترودها به نحوی باردار می شوند که مخلوط جداسازی شود و یکی از گروه های ذره ای، دی الکتروفورز مثبت و دیگری، دی الکتروفورز منفی دریافت کنند. مورد اول به سمت الکترودها جذب می شود و در آنجا به دام می افتد، در حالی که ذرات دیگر، از این بخش، دور می شوند. ذراتی که بوسیله ی دی الکتروفورز مثبت، جذب می شوند، به داخل محفظه وارد می شوند و به خروجی، پمپ می شوند. در این جا، این ذرات در یک حفره ی ثانویه، جمع آوری می شود. این مسئله به صورت شماتیک در شکل 3 نشان داده شده است. در این شکل، تفاوت در میان نوع سلول، اندک است. بازده جداسازی، ممکن است با عبور چندباره ی محلول، ایجاد می شود. این مسئله به طور خاص، در جایی مهم است که ارتفاع محفظه به اندازه ی کافی بزرگ باشد و بدین صورت، برخی از ذرات بدون تآثیرپذیری از میدان، عبور کند. جداسازی جریانی، می تواند یا به صورت یک فرایند پیوسته انجام شود و یا به صورت یک فرایند بچ.
متداول ترین شکل از اشکال مورد استفاده در الکترودهای مورد استفاده در به دام افتادن دی الکتروفورز، آرایه های الکترودی به هم پیوسته می باشد. در اینجا، اشکال شبه انگشتی با پلاریته ی مخالف، در هم قبل می شوند. یک تغییر متداول، دندانه دار کردن لبه های الکترودها می باشد که موجب ایجاد نواحی های مناسب با گرادیان های میدانی پایین و بالا می باشد و می تواند موجب بهبود بازده به دام افتادن در این الکترودها، شود. این کنگره دار شدن ها، به نحوی است که این برآمدگی های حاصله از الکترودها، موازی نیستند. این مسئله موجب می شود تا مجموعه ی مثبت و منفی از دی الکتروفورز، ایجاد می شود. به منظور از بین رفتن و جبران این مشکل، کنگره دار کردن به گونه ای باید باشد که صفحات موازی با جهت جریان باشند به نحوی که نواحی ارای گرادیان های الکتریکی بالا و پایین، در عرض کانال، تغییر کنند و بدین صورت، مسیری ایجاد شود که ذراتی که دی الکتروفورز منفی دریافت می کنند، بتوانند حرکت کنند. این طراحی می تواند با ایجاد کنگره های غیر متقارن، بهبود بیشتری پیدا کند. این مسئله موجب می شود تا حرکت ذرات دفع شده، به سمت یک طرف کانال باشد. این روش، مشابه با روش جداسازی مانعی نامتقارن می باشد که برای جداسازی الکتروفورتیک، پیشنهاد شده است.
این مسئله در واقع با این مزیت روبروست که استفاده از دو خروجی مجزا را میسر می سازد (یکی برای هر دو جمعیت ذره ای مورد نظر). سیستم های جداساز جریان، برای جداسازی سلول های سرطانی ، سلول های موجود در محیط کشت، و سلول های مخمر ، مؤثر می باشند اما به طور روزافزون با سایل تفکیک جریان- میدانی، جایگزین شده اند. یک کاربرد بالقوه ی دیگر، ممکن است استفاده از این سیستم در موانع دی الکتروفورتیک مورد استفاده برای جلوگیری از ورود ذرات به داخل وسایل، می باشد. این مسئله اخیرا بوسیله ی Dussaud و همکارانش، پیشنهاده شده است.

تفکیک میدان- جریان

به جز تفکیک دوتایی، دی الکتروفورز جریانی می تواند برای تفکیک جمعیت های هموژن تر از ذره استفاده شود. در این کاربرد، از این نیرو، برای ایجاد یک میدان نیرو در تفکیک جریان- میدانی (FFF) ، استفاده می شود. این روش به طور گسترده در بررسی اثر نیروی ویسکوز بر روی جریان مایع در نزدیکی سطح و اعمال یک میدان نیرو برای قرار دهی انواع مختلف ذرات در ارتفاع های مختلف موجود در سطح، استفاده می شود. این مسئله به دلیل سرعت های عبور مختلف ذرات نسبت به سطح، ایجاد می شود و از این رو، ذراتی که در نقطه و زمان یکسان، وارد میدان نیرو می شوند، در زمان های مختلف و با توجه به ارتفاع آنها از سطح، خارج خواهند شد. میدان های نمونه وار عبارتند از نیروی گرانشی (FFF رسوب دهی، گرادیان دمایی (FFF دمایی) و خواص ویسکوز مختلف ذره در یک جریان بسته (FFF جریان).
کاربرد دی الکتروفورز به عنوان یک راه برای مهیا نمودن میدان نیرو، به طور همزمان بوسیله ی Markx و Gascoyne پیشنهاد شده است. دی الکتروفورز منفی، یک میدان نیروی ایده آل ایجاد می کند زیرا این دی الکتروفورز موجب می شود تا ذره از سطح خارج شود. این مسئله به برهمکنش ذره با میدان، وابسته است. یک ذره بوسیله ی آرایه ای از الکترودها دفع می شود. این آرایه ها بر روی سطح ایجاد شده اند و به دلیل وجود نیروهای دی الکتروفورز (FDEP) و نیروی رانش (FBUOYANCY) ایجاد می شوند. وقتی این نیروها در تعادل باشندف ذره در موقعیت پایدار قرار می گیرد به نحوی که متوسط نیروی کل در جهت Z، صفر است. این مسئله به صورت زیر بیان می شود:
F_Total=F_DEP+F_BUOUANCY=0
یعنی
Re[K(w)]2πr^3 ε_m ∇E^2=4/3 πr^3 (ρ_p-ρ_m )g
که در اینجا، ρ_p و ρ_m دانسیته های نسبی ذره و محیط است. و g شتاب گرانش می باشد. با آرایش مجدد، ما معادله ی زیر را بدست می آوریم:
Re[K(w)]∇E^2=2(ρ_p-ρ_m )g/(3ε_m )
ذره در ارتفاع خاصی به تعادل می رسد که این ارتفاع بالاتر از الکترود قرار دارد. این ارتفاع به مورفولوژی میدان الکتریکی، خواص دی الکتریکی ذره و دانسیته های نسبی ذره و محیط وابسته است. ذرات در ارتفاع های مختلف معلق می شوند. این مسئله به خواص فیزیکی و دی الکتریک آنها وابسته است. این ذرات با سرعت های مختلف و بسته به برهمکنش میان این خواص و شرایط، حرکت می کنند. یک جمعیت غیر هموژن از ذره، که به طور همزمان وارد وسیله می شوند، تفکیک می شوند و به صورت گروه های فرعی مختلف، وارد آرایه می شوند. این مسئله با توجه به ارتفاع تعادلی آنها نسبت به آرایه ی الکترودی، انجام می شود.
این نشان داده شده است که این نوع از وسایل، برای تفکیک یک تعداد از بیوذره ها، مؤثر می باشد که شامل ذره های لاتکس، باکتری ها و سلول های سرطانی می باشد. وسایل واقعی در اصل مشابه آرایه های الکترودی هستند که قبلا توصیف شد. این آرایه ها، الکترودهای مسطحی هستند که بر روی سطح شیشه، تولید می شوند و با یک ماده آب بندی می شوند و یا در ارتفاع ثابت نسبت به آرایه، قرار می گیرند. توسعه های اخیر که بوسیله ی Müller و همکارانش پیشنهاد شده است، یک روش جدید می باشد که در آن، الکترودها به منظور محدود کردن ذره به یک سمت از کانال، مورد استفاده قرار می گیرند. این کار با قیف دی الکتروفورز منفی انجام ی شود که در آن ذرات در داخل کانال، و در فواصل مشخص، قرار می گیرند. یک ورودی منفرد و خروجی منفرد، برای انتقال جریان، ضروری است و به ذرات اجازه ی ورود و خروج را می دهد.
استفاده از مطالب این مقاله، با ذکر منبع راسخون بلامانع می باشد.