Elektromanipulation

Elektromanipulation är en analysmetod för mikromaterial som oftast används för manipulationer av biologiska celler som använder egenskaper hos olika elektriska fält . Inom nanoteknik är nanomaterial så små att de knappast kan manipuleras direkt mekaniskt . Därför appliceras elektriska fält på dem för att göra fältinducerade rörelser eller deformationer . Det är en nyutvecklad teknik och håller fortfarande på att bredda tillämpningar. Typer av elektronmanipulation inkluderar dielektrofores , elektrorotation , elektrodeformation, elektroavbrott, elektroförstöring, elektroporation och elektrofusion . Olika elektromanipulationer uppnås med hjälp av olika elektriska fält inklusive AC (växelström) , DC (likström) och pulsade (leverera högenergiurladdningar vid mycket korta perioder) elektriska fält. Elektromanipulering av celler tillåter olika cellmanipulationer med minimal mekanisk kontakt mellan celler och enhetsstrukturer. Även om elektromanipulation till övervägande del används i celler, bidrar den också till andra vetenskapliga områden såsom hybridomteknologi och nanoelektroniska enheter.

Typer av elektromanipulation

Det finns sju typer av elektromanipulation, vissa är drastiskt olika i syfte och funktion medan vissa är nära besläktade. Den mest utvecklade och vanliga typen är dielektrofores. Olika manipulationer av mikromaterial kan uppnås med en eller flera av de sju elektromanipulationerna. Distinkta typer kräver ibland olika elektriska fält eller förhållanden.

Dielektrofores (DEP)

Elektriskt fält applicerat: DC eller AC oscillerande (de flesta fall)

Syfte: förskjutning

Tillstånd: suspensionsmedia med låg elektrisk ledningsförmåga ; rumsligt olikformigt elektriskt fält

Teori: DEP-kraft produceras av differentiell polariserbarhet av celler och deras suspenderande medium. Det finns två typer av DEP-kraft, positiv DEP(pDEP) och negativ DEP(nDEP). pDEP pekar mot starka områden av det olikformiga elektriska fältet medan nDEP pekar mot svaga områden av det olikformiga elektriska fältet. Levande celler kan snabbt attraheras till elektrodkanten vid applicering av DEP, vilket separerar levande celler och döda celler. Dielektriska egenskaper hos celler kan analyseras med hjälp av mätningar av DEP-spektra av celler.

Elektrorotation (ER)

Elektriskt fält applicerat: AC oscillerande

Syfte: rotation

Tillstånd: suspensionsmedia med låg elektrisk ledningsförmåga; frekvensen är ungefär övergångsfrekvensen (DEP-kraften är försumbar)

Teori: ER ändrar inriktningen av icke-sfäriska celler genom att ändra frekvensen för det oscillerande elektriska fältet.

Elektrodeformation (ED)

Elektriskt fält applicerat: AC oscillerande

Syfte: deformation; jämföra cellers viskoelastiska och kraftlagsegenskaper

Tillstånd: suspensionsmedia med låg elektrisk ledningsförmåga

Teori: ED kontrollerar och deformerar celler som attraheras till kanten av elektrodkanten (av DEP) genom att öka AC-potentialen

Elektrostörning

Elektriskt fält applicerat: pulsat

Syfte: störning av subcellulära strukturer

Tillstånd: ojämnt elektriskt fält

Teori: ED utför elektromanipulation inuti en cell som har komprometterat cytoskelett och en fristående kärna. Nedslitna celler stöter ut cytosoliskt innehåll och blir "spöken" (cirka 1,5 gånger den normala cellstorleken). Spöken kan avledas av pulsade fält och böjas av växelströmsfält.

Elektrodestruktion (lys)

Elektriskt fält applicerat: pulsat

Syfte: lysering (sönderfall av en cell genom bristning av cellväggen eller membranet.)

Tillstånd: ojämnt elektriskt fält

Teori: pDEP används för att öka förekomsten av lys, och nDEP används för att minska förekomsten av lys. Förhållanden för cellys kan studeras genom att byta pulserande amplituder.

Electroporation (EP) och Electro-fusion (EF)

Elektriskt fält applicerat: pulsat

Syfte: Cellmembranstörning

Tillstånd: ojämnt elektriskt fält; dielektroforetisk inriktning av celler

Teori: Cellmembranstörning kan uppnås genom att byta amplitud, varaktighet, pulshastighet och antal pulser i det pulserade elektriska fältet. När cellers membran störs smälter vissa celler samman till en stor cell som kan vara 3-4 gånger så stor som en normal cell. Det finns två typer av EP: Den ena är irreversibel EP som kan leda till cytolys (bristning av cellmembranet när överskott av vatten finns i cellen); den andra är reversibel EP som hjälper till att upprätthålla cellernas vitalitet samtidigt som den omvandlar molekyler till celler.

Utveckling

I början av 1900-talet görs upptäckter av irreversibel membrannedbrytning och dielektrofores. Dessa upptäckter fungerar som grundläggande idéer för cellulär elektromanipulation. I slutet av 1900-talet utvecklades cellulära elektromanipulationstekniker baserat på upptäckten av senare upptäckt reversibel membrannedbrytning.

Enheter

Enheter för olika typer av elektromanipulation uppdateras ständigt, några av nyuppfunna EM-enheter introduceras i detta avsnitt. Varje enhet är dedikerad för att utföra en unik typ av elektromanipulation.

Flerskikts mikroelektrodstruktur

Denna flerskiktiga mikroelektrodstruktur är designad för selektiv manipulation och separation av biopartiklar med hjälp av dielektrofores i färdfält.

Syfte

Flerskiktig mikroelektrodstruktur gör det möjligt för biopartiklar att röra sig i en stationär stödvätska, vilket leder till stationära separationer av livskraftiga och icke-livsdugliga jästceller. Det kan också uppnå transport av biopartiklar i suspenderade blandningar. Det spelar också en viktig roll som en integrerad komponent som bidrar till "biofactory on a chip"-tekniken .

Strukturera

Den innehåller en basdel och en toppdel. Var och en innehåller ett lager av elektroder. Basdelen består (från botten till toppen):

1. Ett lager glas
2. Ett tunt lager krom
3. Ett 0,1 μm lager av guld
4. Baselektrodstruktur

Efter basdelen appliceras ett isolerande lager. Ovanpå det isolerande lagret finns den övre delen som består (från botten till toppen):

1. Översta elektrodstruktur
2. Ytterligare ett lager av 0,1μm krom
3. Ytterligare ett lager av 0,1μm guld

Den innehåller också fyra elektriska samlingsskenor för att strömförsörja elektroduppsättningar för färdfält. Elektroder på varje sida av en kanal är inriktade med fönster mellan elektroderna på den motsatta sidan. Motstående elektroder på varje sida av en kanal utformades för att vara förskjutna från varandra.

Fördelar jämfört med gamla enheter

1. Minimera spänningsanvändning och värmeförlust.
2. Utför partikelval på mycket litet prov.
3. Fungera som byggstenar i andra teknologier som biopocessorer eller biofabrikschips.

Elektroporationsanordning

En förbättrad anordning för att genomföra elektroporering uppfanns av Andrew M. Hoff, Richard Gilbert, Richard Heller, Mark J. Jaroszeski från University of South Florida 2010.

Syfte

Denna enhet är dedikerad för att leverera en molekyl till en vävnad med hjälp av elektroporering.

Fördelar jämfört med gamla enheter

1. Har en mycket mindre skala
2. Har en lägre risk för skada cell; låg aktiveringsenergi och minimerar vävnadsskador och patientens obehag
3. Har lägre pålagd effekt, spänning
4. Hantera flera målvävnader samtidigt
5. Inkluderar en reservoar av kemiska arter

Andra tillämpningar av elektromanipulation

Elektromanipulation av Spin Crossover Nanorods

Spin Crossover-komplex bildas av övergångsmetalljoner . De kan växla mellan högt spinn och lågt spinn vilket leder till förändringar av magnetiska, optiska, mekaniska egenskaper med mera. Dielektrofores (DEP) används för att utföra molekylär spin-state switching. Den organiserar nanoobjekt mellan elektroderna. DEP-kraften riktar in SCO nanoroderna med riktningen för det elektriska fältet som appliceras. Elektromanipulation av spinnöverkorsade nanorods är ett nytt område för elektromanipulation som är möjliga byggstenstekniker för nanoelektronik.

Elektromanipulation av droppar för mikrofluidiska applikationer

Elektromanipulation av droppar hänvisar till att använda elektriska fält för att flytta eller forma små mängder vätskor. När ett elektriskt lågfrekvent AC-fält appliceras på en högledande vätskedroppe inuti en parallell kondensator deformeras droppen till en ny form. Genom att utföra ett flertal experiment kan en ekvation som beskriver deformationen av vätskedroppar sammanfattas.