介電泳
關(guān)注創(chuàng)建者：C乘風(fēng)破浪 創(chuàng)建時(shí)間：2021-09-03
介電泳的實(shí)例教程
這聽起來(lái)似乎是不可能的，但在這篇文章中，您會(huì)看到介電泳（DEP）現(xiàn)象可以解決這個(gè)難題。我們將學(xué)習(xí)如何利用介電泳進(jìn)行顆粒分離，并演示一個(gè)簡(jiǎn)單的生物醫(yī)學(xué)仿真 App，該 App 是使用 App 開發(fā)器創(chuàng)建的，通過(guò) COMSOL Server? 運(yùn)行。
在非均勻靜電場(chǎng)中粒子所受的力
在直流和交流場(chǎng)中，都會(huì)發(fā)生介電泳效應(yīng)。我們先來(lái)看看直流的情況。
考慮一個(gè)浸入流體中的介電粒子。另外，假設(shè)存在一個(gè)施加到流體-顆粒系統(tǒng)的外部靜態(tài)(DC)電場(chǎng)。在這種情況下，只要粒子的介電常數(shù)高于周圍流體的介電常數(shù)，粒子就會(huì)從弱電場(chǎng)區(qū)域被拉到強(qiáng)電場(chǎng)區(qū)域。如果粒子的介電常數(shù)低于周圍流體，那么情況正好相反，粒子會(huì)被拉到弱電場(chǎng)區(qū)域。這些效應(yīng)分別被稱為
正介電泳 (pDEP)和負(fù)介電泳 (nDEP)
。
下面兩幅圖片分別演示了這兩種情況，并將幾個(gè)重要的量可視化：
電場(chǎng)
麥克斯韋應(yīng)力張量（表面力密度）
正介電泳(pDEP)的示意圖，粒子介電常數(shù)高于周圍流體的介電常數(shù) 。
負(fù)介電泳(nDEP)的示意圖，粒子介電常數(shù)低于周圍流體的介電常數(shù) 。
麥克斯韋應(yīng)力張量代表粒子表面的局部力場(chǎng)。為了使這個(gè)應(yīng)力張量能夠代表作用在粒子上的力，流體需要是“簡(jiǎn)單的”，也就是它不應(yīng)該表現(xiàn)出太復(fù)雜的機(jī)械行為。假設(shè)流體是簡(jiǎn)單的，我們可以從上面的插圖中看到，在 pDEP 和 nDEP 這兩種情況下，粒子上的凈力看起來(lái)是方向相反的。對(duì)表面力進(jìn)行積分確實(shí)會(huì)出現(xiàn)這種情況。
事實(shí)證明，如果我們把粒子縮小，例如一個(gè)無(wú)限小的情況，一個(gè)非常小的粒子在流體中像偶極子一樣運(yùn)動(dòng)，那么凈力是電場(chǎng)平方梯度的函數(shù)。
為什么凈力會(huì)有這樣的表現(xiàn)？為了理解這一點(diǎn)，我們來(lái)觀察在粒子表面的一個(gè)點(diǎn)上會(huì)發(fā)生什么。
展開 細(xì)胞分離過(guò)程數(shù)值仿真 ￥1000
<p>介電泳（dielectrophoresis or DEP)，也稱雙向電泳， 是介電常數(shù)較低的物體在非勻強(qiáng)電場(chǎng)中受力的現(xiàn)象。介電力大小與物體是否帶電無(wú)關(guān)，與物體的大小、電學(xué)性質(zhì)、周圍介質(zhì)的電學(xué)性質(zhì)以及外加電場(chǎng)的場(chǎng)強(qiáng)、場(chǎng)強(qiáng)變化率、頻率有關(guān)。Herbert Pohl在上世紀(jì)50年代發(fā)表了第一篇關(guān)于雙向電泳的文章，最近由于這一現(xiàn)象對(duì)于微小粒子的可操縱性又成為了熱門的研究領(lǐng)域。Pohl在他的書中對(duì)于雙向電泳的定義是中性物質(zhì)由于在非勻強(qiáng)場(chǎng)中的極化作用而產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)的現(xiàn)象。由于介電泳成本低，科學(xué)上正在研究用介電泳來(lái)操作細(xì)胞，DNA，蛋白質(zhì)，以此來(lái)取代光探針（optical tweezer)或磁探針（magnetic tweezer)。</p><p>本案例基于介電泳原理仿真了對(duì)細(xì)胞進(jìn)行操縱，并將不同細(xì)胞進(jìn)行分離的過(guò)程。</p><p>未考慮介電泳下，細(xì)胞混合在一起，無(wú)法分離，如圖所示：</p><p><img src="https://img.jishulink.com/upload/202109/95311cb88ea348b4b772052b80606ef9.gif" alt="Untitled1.gif"></p><p>考慮介電泳下，細(xì)胞發(fā)生偏轉(zhuǎn)分離，如圖所示：</p><p><img src="https://img.jishulink.com/upload/202109/db2e4f612a3d465f9cc0684e24092ea6.gif" alt="Untitled2.gif"></p><p>感興趣的朋友可下載模型源文件，詳細(xì)了解，也可以在此基礎(chǔ)上，結(jié)合自己的課題內(nèi)容進(jìn)行拓展研究分析。</p><p><br></p><p><br></p>
展開 Imec 研究人員正在從理論上和實(shí)驗(yàn)上探索使用頻率相關(guān)介電泳作為寫入機(jī)制的可行性。按照這種機(jī)制，跨電極產(chǎn)生的交變電場(chǎng)對(duì)納米顆粒施加力。
這種力是吸引力還是排斥力取決于粒子的類型和誘發(fā)電場(chǎng)的頻率等。可以通過(guò)選擇對(duì)所施加頻率(吸引與排斥)響應(yīng)不同的兩個(gè)粒子來(lái)創(chuàng)建選擇性寫入過(guò)程。
膠體記憶技術(shù)處于研發(fā)探索階段。第一組采用不同配置(包括叉指(interdigital)和棋盤排列陣列(checkboard arranged arrays))的 μm 尺寸電極的實(shí)驗(yàn)標(biāo)志著第一個(gè)里程碑。利用介電泳(dielectrophoresis)效應(yīng)，他們展示了從混合溶液中選擇性提取聚苯乙烯納米粒子的可行性。但所需的技術(shù)仍需要重大發(fā)展。正在進(jìn)行進(jìn)一步的研究以微調(diào)該概念并提供納米級(jí)的第一個(gè)原理證明。
圖4.寫入過(guò)程的演示：(熒光)聚苯乙烯納米粒子被棋盤排列中的電極產(chǎn)生的交變電場(chǎng)吸引。
電石存儲(chǔ)器：利用電化學(xué)
與膠體存儲(chǔ)器一樣，電石存儲(chǔ)器也使用流體儲(chǔ)存器和capillaries陣列。但在這種情況下，金屬離子溶解在液體中，讀寫操作是通過(guò)更傳統(tǒng)的電沉積和溶解技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。
更詳細(xì)地，儲(chǔ)液器包含其中溶解有(至少)兩種金屬離子(A和B)的流體。該儲(chǔ)層連接到一系列capillaries(或孔)。工作電極(由惰性金屬如釕 (Ru) 制成)位于每個(gè)毛細(xì)管的底部。儲(chǔ)存器也與單個(gè)反電極接觸。
展開 這些是可以操縱細(xì)胞的例子，使用一種稱為介電泳的方法，其中不同細(xì)胞受到通道兩側(cè)兩根導(dǎo)電線之間產(chǎn)生的電場(chǎng)的不同影響。
“利用這些微通道中的導(dǎo)線，人們可以控制電壓，在高流速下推拉細(xì)胞完成分離，”Voldman說(shuō)。
作為演示，研究小組制作了一種長(zhǎng)通道光纖裝置，用于分離細(xì)胞，將死細(xì)胞與活細(xì)胞分類，并證明了它在完成這項(xiàng)任務(wù)中的效率。Yuan說(shuō)，隨著進(jìn)一步的發(fā)展，他們希望能夠在不同類型細(xì)胞之間進(jìn)行更細(xì)微的區(qū)分。
“對(duì)我來(lái)說(shuō)，這是一個(gè)很好的例子，由研究生發(fā)起和領(lǐng)導(dǎo)在RLE等跨學(xué)科實(shí)驗(yàn)室，研究小組之間的相互作用引發(fā)了一個(gè)突破性的研究。“我們的老師基本上被我們的學(xué)生拖累了，”Fink說(shuō)。
" 研究人員強(qiáng)調(diào)，他們不認(rèn)為這種新方法現(xiàn)在可替代微流體，在很多方面都有很好應(yīng)用。"Voldman說(shuō)，"這并不意味著要取代'現(xiàn)有的方法'，允許一些以前沒(méi)有可能使用的特定功能的新功能。"
展開 (所有類型，例如等速電泳法，等電聚焦)
· 介電泳
· 電鍍
· 磁－流體動(dòng)力學(xué)
有限元應(yīng)力/變形和結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)模塊
· 選擇單元類型線性，等參元)
· 剪切鎖定的殼單元
· 接觸模型
· 線性和幾何非線性彈性
· 壓電
· 熱彈性
· 模態(tài)分析
· 各向異性材料屬性
靜電模塊(ESTAT)
· 有限體積法(FVM)求解器
· 自由空間的邊界元（BEM）求解器
· 直流和交流場(chǎng)
· 電流連續(xù)方程
· 電熱效應(yīng) (焦耳熱)
· 熱電作用 (例如TEC 冷卻器)
電磁模塊(EMAG)
· 有限體積法(FVM)求解器
· 全麥克斯韋方程勢(shì)形式(電標(biāo)勢(shì)－磁矢勢(shì))
· 時(shí)域
· 頻域
· 所有頻率段(RF, MMW, 光譜)
· 天線，波導(dǎo)，感應(yīng)器，互連，衍射單元
等離子物理模塊
· 等離子化學(xué)，電磁學(xué)，離子和中子傳輸，傳熱的完全耦合
· 感應(yīng)耦合等離子體(ICP)
· 電容耦合等離子體(CCP)
· 直流 (DC)
· 動(dòng)能模型
微電子，光電子(SEMI, O'SEMI)模塊
· 半導(dǎo)體裝置的全面物理特性
· 漂移擴(kuò)散和能量平衡形式
· 進(jìn)位和格子的能量方程
· 硅CMOS和化合物半導(dǎo)體模型
· 光電裝置的光子密度和光學(xué)模擬(VCSELs EELs, MSMs)
· 鈉電子學(xué)和彈道設(shè)備的波爾茲曼輸送方程(BTE)
· 輻射強(qiáng)化效應(yīng)(離子觸發(fā)，離子放電，single event upsets,總劑量)
計(jì)算醫(yī)學(xué)和生物學(xué)(CMB)模塊
· 內(nèi)含的的微毛細(xì)管網(wǎng)
· 具有薄膜感受器的細(xì)胞膜模型
· 薄膜信號(hào)模型
· 新陳代謝和信號(hào)發(fā)射路徑
· 電池循環(huán)模型
· 細(xì)菌趨藥性
· 腫瘤動(dòng)力學(xué)和血管造影術(shù)
· 射頻切除, 高熱療法模型
· 電穿孔
· 藥物輸送
展開 
介電泳的最新內(nèi)容
其次是物理場(chǎng)相關(guān)：heat transfer(傳熱)、mass transfer(傳質(zhì))、natural convection(自然對(duì)流)、electric field(電場(chǎng))、magnetic field(磁場(chǎng))、dielectrophoresis(介電泳)、stress(應(yīng)力)等。
下面是 COMSOL 官網(wǎng)案例庫(kù)中使用牛頓型，忽略慣性項(xiàng)公式來(lái)追蹤長(zhǎng)求解時(shí)間內(nèi)的很小的粒子的示例：
層流靜態(tài)混合器中的粒子軌跡
使用介電泳從紅細(xì)胞中分離血小板
因?yàn)榱Ｗ幼銐虼笠灾掠趹T性對(duì)粒子運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生重大影響，所以下示例使用了牛頓型公式：
微混合器中的顆粒跟蹤
污染物顆粒造成的管道沖蝕
這些效應(yīng)分別被稱為
正介電泳 (pDEP)和負(fù)介電泳 (nDEP)
。
下面兩幅圖片分別演示了這兩種情況，并將幾個(gè)重要的量可視化：
電場(chǎng)
麥克斯韋應(yīng)力張量（表面力密度）
正介電泳(pDEP)的示意圖，粒子介電常數(shù)高于周圍流體的介電常數(shù) 。
利用介電泳(dielectrophoresis)效應(yīng)，他們展示了從混合溶液中選擇性提取聚苯乙烯納米粒子的可行性。但所需的技術(shù)仍需要重大發(fā)展。正在進(jìn)行進(jìn)一步的研究以微調(diào)該概念并提供納米級(jí)的第一個(gè)原理證明。
利用溶液法制備納米管陣列和其他各向異性粒子的方法，例如：使用剪切真空過(guò)濾、定向蒸發(fā)、介電電泳、蒸發(fā)自組裝、彈性釋放、尺寸限制自對(duì)準(zhǔn)、DNA定向組裝、Langmuir-Blodgett和Langmuir-Schaefer等，前人都進(jìn)行了研究。然而，在這些方法在滿足半導(dǎo)體電子工業(yè)的需要之前，還需要進(jìn)行更多的研究。
由于介電泳成本低，科學(xué)上正在研究用介電泳來(lái)操作細(xì)胞，DNA，蛋白質(zhì)，以此來(lái)取代光探針（optical tweezer)或磁探針（magnetic tweezer)。</p><p>本案例基于介電泳原理仿真了對(duì)細(xì)胞進(jìn)行操縱，并將不同細(xì)胞進(jìn)行分離的過(guò)程。
這些是可以操縱細(xì)胞的例子，使用一種稱為介電泳的方法，其中不同細(xì)胞受到通道兩側(cè)兩根導(dǎo)電線之間產(chǎn)生的電場(chǎng)的不同影響。
“利用這些微通道中的導(dǎo)線，人們可以控制電壓，在高流速下推拉細(xì)胞完成分離，”Voldman說(shuō)。
作為演示，研究小組制作了一種長(zhǎng)通道光纖裝置，用于分離細(xì)胞，將死細(xì)胞與活細(xì)胞分類，并證明了它在完成這項(xiàng)任務(wù)中的效率。
平衡反應(yīng)模型
· 單步有限速率模型
· 漩渦破碎模型
· 指定PDF模型
· 多步有限速率模型
· 表面反應(yīng)
· Site Chemistry
· Stiff Kinetic求解器
生物模塊
· 結(jié)合動(dòng)力
· 表面反應(yīng)模型
· 環(huán)境反應(yīng)
· 酶催化
· 基于微球的免疫測(cè)定
電化學(xué)
· 電滲
· 電泳(所有類型，例如等速電泳法，等電聚焦)
· 介電泳
