誘電泳動

誘電泳動（DEP ）は、誘電体粒子が不均一な電界にさらされると力が加わる現象である。^{[1] [2] [3] [4] [5] [6]}この力は粒子が帯電している必要はない。すべての粒子は電界の存在下で誘電泳動活性を示す。しかし、力の強さは媒体と粒子の電気的特性、粒子の形状とサイズ、および電界の周波数に大きく依存する。その結果、特定の周波数の電界は粒子を非常に選択的に操作することができる。これにより、例えば細胞の分離やナノ粒子^{[2] [7]}およびナノワイヤの配向と操作が可能になった。^[8]さらに、周波数の関数としてのDEP力の変化を研究することで、粒子の電気的（または細胞の場合は 電気生理学的）特性を解明 することができる。

現在誘電泳動と呼ばれている現象は、20世紀初頭にはすでに説明されていましたが、本格的な研究が行われたのは1950年代にハーバート・ポールによって命名され、初めて理解されたときでした。^{[9] [10]近年、誘電泳動は、}マイクロ粒子、^{[2] [4] [5] [11]} ナノ粒子、細胞の操作における可能性から復活しました。

誘電泳動は、分極粒子が不均一な電界に浮遊しているときに発生します。電界は粒子を分極し、次に両極は電界線に沿って力を受けます。この力は、双極子の向きに応じて、引力または反発力になります。電界は不均一であるため、最大の電界を受ける極が他の極よりも優位になり、粒子が移動します。双極子の向きは、マクスウェル–ワグナー–シラーズ分極に従って、粒子と媒体の相対的な分極率に依存します。力の方向は電界の方向ではなく電界の勾配に依存するため、DEP は AC 電界でも DC 電界でも発生します。分極 (したがって力の方向) は、粒子と媒体の相対的な分極率に依存します。粒子が電界が増加する方向に移動する場合、その動作は正の DEP (pDEP の場合もあります) と呼ばれ、粒子を高電界領域から遠ざけるように動作する場合は、負の DEP (または nDEP) と呼ばれます。粒子と媒体の相対的な分極率は周波数に依存するため、通電信号を変化させ、力の変化を測定することで粒子の電気的特性を判定できます。また、これにより、粒子固有の電荷による粒子の 電気泳動運動を排除することもできます。

誘電泳動に関連する現象には、電気回転と進行波誘電泳動 (TWDEP) があります。これらには、必要な回転または進行電場を生成するために複雑な信号生成装置が必要であり、この複雑さの結果として、従来の誘電泳動よりも研究者の間であまり好まれていません。

最も単純な理論モデルは、導電性誘電体媒体に囲まれた均質球のモデルである。^[12]複素誘電率を持つ媒体内の半径と複素誘電率の均質球の場合、（時間平均）DEP力は次のようになる。^[4]${\displaystyle r}$${\displaystyle \varepsilon _{p}^{*}}$${\displaystyle \varepsilon _{m}^{*}}$

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

中括弧内の係数は複素クラウジウス・モソッティ関数^{[2] [4] [5]}として知られ、DEP 力の周波数依存性をすべて含んでいます。粒子が入れ子状の球体で構成されている場合 (最も一般的な例は、外側の層 (細胞膜) に囲まれた内側の部分 (細胞質) からなる球状の細胞の近似です)、これはシェルとそれらが相互作用する方法の入れ子式で表すことができ、探している未知数の数に関連する十分なパラメータがある場合に特性を解明することができます。複素誘電率を持つ媒体内の、半径と長さのより一般的な場に沿った楕円体の場合、時間依存の誘電泳動力は次のように表されます: ^[4]${\displaystyle r}$${\displaystyle l}$${\displaystyle \varepsilon _{p}^{*}}$${\displaystyle \varepsilon _{m}^{*}}$

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

複素誘電率は で、 は誘電率、は電気伝導率、は電界周波数、 は虚数単位です。^{[2] [4] [5]この式は}、赤血球（扁平回転楕円体）や細長いチューブ（長楕円体） などの粒子の誘電泳動挙動を近似するのに役立ち、懸濁液中のカーボンナノチューブやタバコモザイクウイルスの誘電泳動応答を近似することができます。 これらの方程式は、電界勾配がそれほど大きくない場合（たとえば、電極の端に近い場合）、または粒子が電界勾配がゼロである軸に沿って移動していない場合（軸対称電極アレイの中心など）には正確です。これは、方程式が形成された双極子のみを考慮し、高次の分極を考慮していないためです。^[4]電界勾配が大きい場合、または粒子の中心に電界ヌルがある場合、高次の項が関係し、^{[4] より}大きな力が生じます。正確に言うと、時間依存方程式は損失のない粒子にのみ適用されます。損失によって場と誘導双極子の間に遅延が生じるためです。平均化すると、その効果は打ち消され、方程式は損失のある粒子にも当てはまります。同等の時間平均方程式は、E をE _rmsに置き換えるか、または、正弦波電圧の場合は右辺を 2 で割ることで簡単に得られます。これらのモデルは、細胞が複雑な内部構造を持ち、不均質であるという事実を無視しています。低伝導媒体のマルチシェルモデルを使用すると、膜の導電率と細胞質の誘電率に関する情報を取得できます。^[13] 図 2 に示すように、周囲の媒体を層と見なして均質なコアを囲むシェルを持つ細胞の場合、全体的な誘電応答は、シェルとコアの特性の組み合わせから得られます。^[14]${\displaystyle \varepsilon ^{*}=\varepsilon +{\frac {i\sigma }{\omega }}}$${\displaystyle \epsilon }$${\displaystyle \sigma}$${\displaystyle \omega}$${\displaystyle i}$

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

ここで、1 はコア (細胞用語では細胞質)、2 はシェル (細胞内では膜) です。r1 は球の中心からシェルの内側までの半径、r2 は球の中心からシェルの外側までの半径です。

誘電泳動は、さまざまな種類の粒子の操作、輸送、分離、分類に使用できます。DEP は、医療診断、創薬、細胞治療、粒子ろ過などの分野で応用されています。

DEP は、マイクロ流体デバイス内の何千もの細胞を同時に管理するための DEP アレイ技術の開発のために、半導体チップ技術と組み合わせて使用​​することもできます。フローセルの底にある単一のマイクロ電極は、CMOSチップによって管理され、ルーティング ソフトウェアの制御下で 1 つの細胞を捕捉して移動できる、何千もの誘電泳動「ケージ」を形成します。

生物細胞は誘電特性を持っているため、^{[15] [16] [17]}誘電泳動は多くの生物学的および医学的用途に使用されています。癌細胞を健康な細胞から分離できる機器が作られており^{[18] [19] [20] [21]}、法医学的混合サンプルから単一細胞を分離することもできます。^{[22] DEP活性化}細胞選別装置を使用して全血から血小板が分離されています。^[23]

DEP により、血液細胞、幹細胞、ニューロン、膵臓β 細胞、DNA、染色体、タンパク質、ウイルスなどの生物学的粒子の特性評価と操作が可能になりました。DEP は、印加された AC フィールドの特定の周波数で異なる方向に移動する異なる符号の分極率を持つ粒子を分離するために使用できます。DEP は、分離後も生存可能な生細胞と死細胞の分離に適用されています^[24]。または、選択した単一細胞間の接触を強制して細胞間相互作用を研究するためにも使用されています。^{[25] DEP は、}細菌とウイルス の株を分離するために使用されています。^{[26] [27]} DEP は、電気生理学的特性の変化を測定することで、薬剤誘導直後のアポトーシスを検出するためにも使用できます。^[28]

DEP は主に、細胞の電気的特性の変化を測定して特性評価するために使用されます。DEP 力を直接測定することはできないため、誘電泳動応答を定量化する多くの手法が利用可能です。これらの手法は間接的な測定に依存しており、モデル スペクトルにスケーリングする必要がある力の強度と方向の比例応答を取得します。そのため、ほとんどのモデルでは、粒子のクラウジウス-モソッティ係数のみを考慮します。最もよく使用される手法は、収集率測定です。これは最も単純で最もよく使用される手法です。電極を既知の粒子濃度の懸濁液に浸し、電極に収集された粒子をカウントします。^[29]クロスオーバー測定: 正の DEP と負の DEP 間のクロスオーバー周波数を測定して粒子を特性評価します。この手法は、以前の手法ではカウントが難しい小さな粒子 (ウイルスなど) に使用されます。^[30]粒子速度測定: この手法では、電界勾配内の粒子の速度と方向を測定します。^[31]浮上高の測定：粒子の浮上高は、加えられた負のDEP力に比例します。したがって、この技術は単一粒子の特性評価に適しており、主に細胞などの大きな粒子に使用されます。^[32] インピーダンスセンシング：電極の端に集まる粒子は電極のインピーダンスに影響を与えます。この変化をモニターしてDEPを定量化できます。^[33] より大きな細胞集団を研究するために、誘電泳動スペクトルを分析することで特性を得ることができます。^[14]

当初、電極は主にワイヤーや金属板で作られていました。現在、DEP の電界は、必要な電圧の大きさを最小限に抑える電極によって生成されます。これは、フォトリソグラフィー、レーザーアブレーション、電子ビームパターニングなどの製造技術を使用して可能になりました。^[34] これらの小さな電極により、小さなバイオ粒子を扱うことができます。最もよく使用される電極形状は、等角、多項式、インターディジット、クロスバーです。等角形状は DEP による粒子操作に効果的ですが、反発された粒子は明確に定義された領域に集まらないため、2 つの均質なグループに分離することは困難です。多項式は、高い力と低い力の領域に明確に定義された違いを生み出す新しい形状であり、粒子は正と負の DEP によって収集できます。この電極形状は、電界が電極間ギャップの中央で最も高くなることを示しました。^[35]インターディジット形状は、反対の極性の電極フィンガーを交互に配置したもので、主に誘電泳動トラッピングと分析に使用されます。クロスバー形状は、相互接続ネットワークに役立つ可能性があります。^[36]

これらの電極は、DEP 用の従来の電極構造に代わる、高スループットで低コストの代替品を提供するために開発されました^[37]。フォトリソグラフィー法やその他のマイクロエンジニアリング手法を使用するのではなく、DEP ウェル電極は、積層板に連続した導電層と絶縁層を積み重ねて構築され、その後、構造に複数の「ウェル」が穿孔されます。これらのウェルの壁を調べると、層はチューブの壁の周囲を連続的に走る、噛み合った電極のように見えます。交互に導電層が AC 信号の 2 つの位相に接続されると、壁に沿って形成される磁場勾配が DEP によって細胞を移動させます^{[38] 。}

DEP ウェルは、分析用と分離用の 2 つのモードで使用できます。^[39] 最初のモードでは、細胞の誘電泳動特性を光吸収測定によって監視できます。陽性 DEP は細胞をウェルの壁に引き寄せるため、ウェルを光線でプローブすると、ウェル全体の光強度が増加します。陰性 DEP の場合はその逆で、光線は細胞によって遮られます。あるいは、このアプローチを使用してセパレーターを構築することもできます。この場合、細胞の混合物が多数 (> 100) のウェルに並行して通過します。陽性 DEP を経験した細胞はデバイス内に捕捉され、残りはフラッシュされます。磁場をオフにすると、捕捉された細胞を別の容器に放出できます。このアプローチの高度な並列性により、チップはMACSやFACSで使用される速度に匹敵する、はるかに高速で細胞を分類できます。

このアプローチは、従来のフォトリソグラフィーベースのデバイスに比べて多くの利点があり、コストが削減され、同時に分析できるサンプルの量が増え、細胞の動きが 1 次元に簡素化されます (細胞はウェルの中心に向かって、またはウェルの中心から離れて放射状にしか移動できません)。DEP ウェルの原理を使用して製造されたデバイスは、DEPtech ブランドで販売されています。

不均一な電界内で異なる粒子に働く誘電泳動力の差を利用する方法は、DEP分離として知られています。DEP力の利用は、DEPマイグレーションとDEPリテンションの2つのグループに分類されています。DEPマイグレーションでは、異なる粒子タイプに反対の符号の力を及ぼすDEP力を使用して、一部の粒子を引き付け、他の粒子を反発させます。^[40] DEPリテンションでは、DEPと流体力のバランスを使用します。反発力と弱い引力を受けるDEP力を受ける粒子は流体の流れによって溶出されますが、強い引力を受けるDEP力を受ける粒子は流れの抵抗に逆らって電極の端に捕捉されます。^[41]

^{デイビスとギディングス[42]}によって提唱された誘電泳動フィールドフローフラクショネーション（DEP-FFF）は、クロマトグラフィーに似た分離法の一種です。DEP-FFFでは、DEPの力と抗力流を組み合わせて、異なる種類の粒子のサンプルを分画します。^{[41] [43] [44] [45] [46] [47]}粒子は、分離チャンバーを通過するキャリアフローに注入され、外部の分離力（DEP力）がフローに垂直に適用されます。拡散と立体、流体力学、誘電およびその他の効果、またはそれらの組み合わせなどのさまざまな要因により、異なる誘電特性または拡散特性を持つ粒子（直径<1μm）は、チャンバーの壁から離れたさまざまな位置に到達し、その結果、さまざまな特徴的な濃度プロファイルを示します。壁から遠ざかる粒子は、チャンバーを流れる液体の放物線速度プロファイルのより高い位置に到達し、より速い速度でチャンバーから溶出されます。

光伝導性材料（例えば、ラボオンチップデバイス）を使用すると、光を当てることで誘電泳動力を局所的に誘導することができます。さらに、パターン化された照明領域に力を誘導する画像を投影することができ、複雑な操作が可能になります。生細胞を操作する場合、光の強度が約1000倍低いため、光誘電泳動は光ピンセットに代わる非損傷的な代替手段となります。 ^[48]

• AES 電気泳動協会 - 学習センター
• マイクロ流体デバイスにおける誘電泳動を用いた生物細胞分離
• サンディア国立研究所の誘電泳動装置はサンプル調製に革命を起こすかもしれない