الترحيل الكهربائي

أقطاب حجرات الترحيل الكهربائي

كذلك، طُوِّرت هذه الأقطاب الكهربائية لتوفير بديل عالي الإنتاجية ومنخفض التكلفة لهياكل الأقطاب الكهربائية التقليدية في تقنية الترحيل الكهربائي. فبدلاً من استخدام طرق الطباعة الضوئية أو غيرها من أساليب الهندسة الدقيقة، تُصنع أقطاب الترحيل الكهربائي ذات الآبار من تكديس طبقات متتالية من المواد الموصلة والعازلة في رقاقة، ثم تُحفر عدة «آبار» عبر هذه الرقاقة. عند فحص جدران هذه الآبار، تظهر الطبقات كأقطاب كهربائية متداخلة تمتد بشكل مستمر حول جدران الأنبوب. وعند توصيل طبقات موصلة متناوبة بمرحلتي إشارة التيار المتردد، يتشكل تدرج في المجال الكهربائي على طول الجدران، مما يؤدي إلى تحريك الخلايا بواسطة الترحيل الكهربائي.

وفي هذا السياق، يمكن استخدام أقطاب حجرات الترحيل الكهربائي في وضعين: للتحليل أو الفصل. في الوضع الأول، يمكن رصد خصائص الترحيل الكهربائي للخلايا عن طريق قياس امتصاص الضوء: يجذب الترحيل الكهربائي الموجب الخلايا إلى جدار البئر، وبالتالي عند تسليط شعاع ضوئي على البئر، تزداد شدة الضوء المار عبره. ويحدث العكس في حالة الترحيل الكهربائي السالب، حيث تحجب الخلايا شعاع الضوء. بدلاً من ذلك، يمكن استخدام هذه الطريقة لبناء فاصل، حيث تُمرر مخاليط الخلايا عبر عدد كبير (>100) من الآبار بالتوازي؛ تُحجز الخلايا التي تتعرض للترحيل الكهربائي الموجب في الجهاز بينما تُطرد الخلايا الأخرى. يسمح إيقاف المجال الكهربائي بتحرير الخلايا المحصورة في حاوية منفصلة. تعني الطبيعة المتوازية العالية لهذه الطريقة أن الشريحة قادرة على فرز الخلايا بسرعات أعلى بكثير، تُضاهي تلك المستعملة في وقياس التدفق الخلوي (FACS).

من جانب آخر، يُقدّم هذا النهج الكثير من المزايا مقارنةً بالأجهزة التقليدية القائمة على الطباعة الضوئية، منها خفض التكلفة، وزيادة كمية العينة التي يُمكن تحليلها في وقت واحد، وتبسيط حركة الخلايا بحيث تقتصر على بُعد واحد (حيث تتحرك الخلايا شعاعيًا فقط باتجاه مركز البئر أو بعيدًا عنه). تُسوّق الأجهزة المصنّعة باستخدام مبدأ أقطاب حجرات الترحيل الكهربائي تحت العلامة التجارية «DEPtech».

الترحيل الكهربائي العازل للتدفق الميداني

وعلى صعيد آخر، يُعرف استخدام الفرق بين قوى الترحيل الكهربائي المؤثرة على الجسيمات المختلفة في المجالات الكهربائية غير المنتظمة بفصل الترحيل الكهربائي. وقد صُنِّف استخدام قوى الترحيل الكهربائي إلى مجموعتين: هجرة الترحيل الكهربائي واحتجاز الترحيل الكهربائي. تستعمل هجرة الترحيل الكهربائي قوىً ذات إشارات متعاكسة تؤثر على أنواع الجسيمات المختلفة لجذب بعضها ودفع البعض الآخر. أما احتجاز الترحيل الكهربائي فيعتمد على التوازن بين قوى الترحيل الكهربائي وقوى تدفق السائل. تُزال الجسيمات التي تتعرض لقوى استقطاب كهربائي تنافرية وقوى جذب ضعيفة بواسطة تدفق السائل، بينما تُحاصر الجسيمات التي تتعرض لقوى استقطاب كهربائي قوية عند حواف الأقطاب الكهربائية في مواجهة مقاومة التدفق.

من جانب آخر، يُعدّ فصل التدفق الميداني بالترحيل الكهربائي العازل (DEP-FFF)، الذي طوّره ديفيس وجيدينجز، مجموعة من طرق الفصل الشبيهة بالكروماتوغرافيا. في هذه الطريقة، تُدمج قوى الترحيل الكهربائي العازل مع تيار السحب لفصل عينة من أنواع مختلفة من الجسيمات. تُحقن الجسيمات في تيار حامل يمر عبر حجرة الفصل، مع تطبيق قوة فصل خارجية (قوة الترحيل الكهربائي العازل) عمودية على اتجاه التيار. وبفضل عوامل مختلفة، كالتأثيرات الانتشارية والفراغية والهيدروديناميكية والعازلة وغيرها، أو مزيج منها، تصل الجسيمات (قطرها أقل من 1 ميكرومتر) ذات الخصائص العازلة أو الانتشارية المختلفة إلى مواقع مختلفة بعيدًا عن جدار الحجرة، مما يُؤدي بدوره إلى ظهور توزيعات تركيز مميزة مختلفة. تصل الجسيمات التي تتحرك بعيدًا عن الجدار إلى مواقع أعلى في منحنى السرعة المكافئ للسائل المتدفق عبر الحجرة، وسيتم إخراجها من الحجرة بمعدل أسرع.

مركز التعلم التابع لجمعية AES للرحلان الكهربائي

من جانب آخر، فصل الخلايا البيولوجية باستخدام الترحيل الكهربائي في جهاز ميكروفلويدي

كذلك، قد يُحدث جهاز الترحيل الكهربائي العازل من سانديا ثورة في تحضير العينات

القوة العازلة الكهربائية

وفي السياق ذاته، ثابت العزل الكهربائي المركب هو ، أين ثابت العزل الكهربائي، هي الموصلية الكهربائية، هو تردد المجال، و هي الوحدة التخيلية. وقد كان هذا التعبير مفيدًا لتقريب السلوك الكهربائي العازل للجسيمات مثل خلايا الدم الحمراء (كأشكال كروية مفلطحة) أو الأنابيب الطويلة الرفيعة (كأشكال بيضاوية متطاولة)، مما يسمح بتقريب الاستجابة الكهربائية العازلة لأنابيب الكربون النانوية أو فيروسات تبرقش التبغ في المعلقات. وتكون هذه المعادلات دقيقة للجسيمات عندما لا تكون تدرجات المجال الكهربائي كبيرة جدًا (مثلًا، بالقرب من حواف الأقطاب الكهربائية) أو عندما لا يتحرك الجسيم على طول محور يكون فيه تدرج المجال صفرًا (كما هو الحال في مركز متناظرة محوريًا)، حيث تأخذ المعادلات في الاعتبار فقط ثنائي القطب المتكون وليس الاستقطاب من الرتب الأعلى. عندما تكون تدرجات المجال الكهربائي كبيرة، أو عندما يكون هناك انعدام للمجال يمر عبر مركز الجسيم، تصبح الحدود من الرتب الأعلى ذات صلة، وتؤدي إلى قوى أكبر. بدقة، تنطبق المعادلة المعتمدة على الزمن فقط على الجسيمات عديمة الفقد، لأن الفقد يُحدث تأخيرًا بين المجال وثنائي القطب المستحث. عند حساب المتوسط، يُلغى هذا التأثير، وتصبح المعادلة صحيحة للجسيمات ذات الفقد كذلك. يمكن الحصول بسهولة على معادلة مكافئة متوسطة زمنيًا باستبدال E بـErms، أو، بالنسبة للجهود الجيبية، بقسمة الطرف الأيمن على 2. تتجاهل هذه النماذج حقيقة أن الخلايا لها بنية داخلية معقدة وغير متجانسة. يمكن استخدام نموذج متعدد الأغلفة في وسط منخفض التوصيل للحصول على معلومات حول موصلية الغشاء وسماحية السيتوبلازم. بالنسبة لخلية ذات غلاف يحيط بنواة متجانسة مع اعتبار الوسط المحيط بها طبقة، كما هو موضح في الشكل 2، يتم الحصول على الاستجابة العازلة الكلية من مزيج من خصائص الغلاف والنواة.

قوة الترحيل الكهربائي (المتوسطة زمنيًا) هي:

ومن ناحية أخرى، أبسط نموذج نظري هو نموذج كرة متجانسة محاطة بوسط عازل موصل. بالنسبة لكرة متجانسة نصف قطرها والسماحية المعقدة في وسط ذي سماحية معقدة

ومن ناحية أخرى، حيث يمثل الرقم 1 النواة (السيتوبلازم في المصطلحات الخلوية)، ويمثل الرقم 2 الغلاف (الغشاء في الخلية). r1 هو نصف القطر من مركز الكرة إلى داخل الغلاف، و r2 هو نصف القطر من مركز الكرة إلى خارج الغلاف.

إضافةً إلى ذلك، يُعرف العامل الموجود بين قوسين معقوفين المركبة، ويحتوي على جميع تبعيات التردد لقوة الترحيل الكهربائي. عندما يتكون الجسيم من كرات متداخلة –وأكثر الأمثلة شيوعًا هو تقريب الخلية الكروية المكونة من جزء داخلي (السيتوبلازم) محاط بطبقة خارجية (الغشاء الخلوي)– يمكن تمثيل ذلك بتعبيرات متداخلة للأغلفة وكيفية تفاعلها، مما يسمح بتوضيح الخصائص عند وجود معلمات كافية تتعلق بعدد المجاهيل المطلوبة. بالنسبة لقطع ناقص أكثر عمومية محاذٍ للمجال بنصف قطر والطول مع ثابت عزل كهربائي معقد في وسط ذي ثابت عزل كهربائي معقد :

ومن جهة أخرى، تُعطى قوة الترحيل الكهربائي المعتمدة على الزمن بالصيغة التالية:

الترحيل الكهربائي الضوئي

ومن جهة أخرى، يُتيح استخدام المواد الموصلة للضوء (مثلًا، في أجهزة المختبر على رقاقة) إمكانية توليد قوى الترحيل الكهربائي موضعيًا من خلال تطبيق الضوء. إضافةً إلى ذلك، يُمكن إسقاط صورة لتوليد قوى في منطقة إضاءة مُنمّطة، مما يسمح بإجراء بعض العمليات المعقدة. عند التعامل مع الخلايا الحية، يُوفر الترحيل الكهربائي الضوئي بديلاً غير مُتلف للملاقط الضوئية، حيث أن شدة الضوء أقل بنحو 1000 مرة.

• المراجع
• للقراءة الإضافية
• وصلات خارجية

الخلفية والخصائص

وفي هذا الصدد، على الرغم من أن الظاهرة التي نسميها الآن الترحيل الكهربائي قد وُصفت بشكل عابر في أوائل القرن العشرين، إلا أنها لم تخضع للدراسة الجادة إلا في خمسينيات القرن العشرين، حيث أطلق عليها هربرت بول اسمًا وفهمها لأول مرة. ومؤخرًا، تم إحياء الترحيل الكهربائي نظرًا لإمكاناته في معالجة الجسيمات الدقيقة، والجسيمات النانوية والخلايا.

إضافةً إلى ذلك، تحدث ظاهرة الترحيل الكهربائي عندما يُعلق جسيم قابل للاستقطاب في مجال كهربائي غير منتظم. يُستقطب المجال الكهربائي الجسيم، فتتعرض أقطابه لقوة على طول خطوط المجال، قد تكون جاذبة أو دافعة تبعًا لاتجاه ثنائي القطب. ولأن المجال غير منتظم، فإن القطب الذي يتعرض لأكبر قدر من المجال الكهربائي سيسيطر على الآخر، مما يؤدي إلى حركة الجسيم. يعتمد اتجاه ثنائي القطب على الاستقطابية النسبية للجسيم والوسط، وفقًا . ولأن اتجاه القوة يعتمد على تدرج المجال وليس اتجاهه، فإن الترحيل الكهربائي يحدث في المجالات الكهربائية المترددة والمستمرة على حد سواء؛ ويعتمد الاستقطاب (وبالتالي اتجاه القوة) على الاستقطابية النسبية للجسيم والوسط. إذا تحرك الجسيم باتجاه تزايد المجال الكهربائي، يُشار إلى هذا السلوك بالترحيل الكهربائي الموجب (أو pDEP)، أما إذا كان يتحرك بعيدًا عن مناطق المجال العالي، فيُعرف بالترحيل الكهربائي السالب (أو nDEP). وبما أن الاستقطابية النسبية للجسيم والوسط تعتمد على التردد، فإن تغيير إشارة التنشيط وقياس كيفية تغير القوة يُمكن من تحديد الخصائص الكهربائية للجسيمات؛ وهذا يسمح كذلك باستبعاد الحركة الكهربائية للجسيمات الناتجة عن شحنتها الذاتية.

ومن ناحية أخرى، تشمل الظواهر المرتبطة بالترحيل الكهربائي والترحيل الكهربائي الموجي المتحرك. تتطلب هذه الظواهر معدات معقدة لتوليد الإشارات لإنشاء المجالات الكهربائية الدوارة أو المتحركة المطلوبة، ونتيجةً لهذا التعقيد، لم تحظَ بشعبية كبيرة بين الباحثين مقارنةً بالترحيل الكهربائي التقليدي.

هندسة الأقطاب الكهربائية

ومن جهة أخرى، في البداية، كانت الأقطاب الكهربائية تُصنع أساسًا من الأسلاك أو الصفائح المعدنية. أما اليوم، فيُولد المجال الكهربائي في تقنية الترحيل الكهربائي (DEP) باستخدام أقطاب كهربائية تُقلل من قيمة الجهد المطلوب. وقد أصبح ذلك ممكنًا بفضل تقنيات التصنيع مثل الطباعة الضوئية، والاستئصال بالليزر، وتشكيل شعاع الإلكترون. تسمح هذه الأقطاب الصغيرة بمعالجة الجسيمات الحيوية الصغيرة. ومن أكثر أشكال الأقطاب الكهربائية استخدامًا: متساوية الأبعاد، ومتعددة الحدود، ومتشابكة، ومتقاطعة. يُعد الشكل متساوي الأبعاد فعالًا في معالجة الجسيمات باستخدام تقنية الترحيل الكهربائي، لكن الجسيمات المتنافرة لا تتجمع في مناطق محددة جيدًا، مما يجعل فصلها إلى مجموعتين متجانستين أمرًا صعبًا. أما الشكل متعدد الحدود فهو شكل جديد يُنتج اختلافات واضحة في مناطق القوى العالية والمنخفضة، وبالتالي يمكن جمع الجسيمات باستخدام تقنية الترحيل الكهربائي الموجبة والسالبة. وقد أظهر هذا الشكل أن المجال الكهربائي يكون في أعلى مستوياته في منتصف المسافات بين الأقطاب. يتكون الشكل المتشابك من أصابع أقطاب كهربائية متناوبة ذات قطبية متعاكسة، ويُستعمل بشكل أساسي في احتجاز الجسيمات وتحليلها باستخدام الترحيل الكهربائي. قد يكون تصميم العارضة المتقاطعة مفيدًا لشبكات التوصيلات البينية.

التطبيقات

وعلى صعيد آخر، نظراً لامتلاك الخلايا البيولوجية خصائص عازلة، فإنّ تقنية الترحيل الكهربائي العازل لها تطبيقات بيولوجية وطبية عديدة. وقد صُممت أجهزة قادرة على فصل الخلايا السرطانية عن الخلايا السليمة، إلى جانب عزل الخلايا المفردة من عينات الطب الشرعي المختلطة. كما تمّ فصل الصفائح الدموية من الدم الكامل باستخدام جهاز فرز الخلايا المُنشّط بالترحيل الكهربائي العازل.

من جهة ثانية، يمكن استخدام الترحيل الكهربائي لمعالجة ونقل وفصل وفرز أنواع مختلفة من الجسيمات. ويجري تطبيق هذه التقنية في مجالات مثل التشخيص الطبي، واكتشاف الأدوية، والعلاجات الخلوية، وترشيح الجسيمات.

من جانب آخر، أتاحت تقنية الترحيل الكهربائي (DEP) إمكانية توصيف ومعالجة الجسيمات البيولوجية مثل خلايا الدم، والخلايا الجذعية، والخلايا العصبية، وخلايا بيتا البنكرياسية، والحمض النووي (DNA)، والكروموسومات، والبروتينات، والفيروسات. ويمكن استخدام هذه التقنية لفصل الجسيمات ذات الاستقطابية المختلفة أثناء حركتها في اتجاهات مختلفة عند تردد معين للمجال الكهربائي المتردد المُطبق. وقد طُبقت تقنية الترحيل الكهربائي لفصل الخلايا الحية عن الميتة، مع بقاء الخلايا الحية المتبقية قابلة للحياة بعد الفصل أو لفرض التلامس بين خلايا مفردة مختارة لدراسة التفاعل بين الخلايا. كما استُخدمت هذه التقنية لفصل سلالات من البكتيريا والفيروسات. ويمكن استخدامها كذلك للكشف عن موت الخلايا المبرمج (الاستماتة) بعد فترة وجيزة من تحفيزها بالأدوية، وذلك بقياس التغيرات في الخصائص الفيزيولوجية الكهربائية.

وعلى صعيد آخر، استُخدمت تقنية الترحيل الكهربائي العازل (DEP) كذلك بالتزامن مع تقنية رقائق أشباه الموصلات لتطوير تقنية مصفوفات الترحيل الكهربائي العازل، وذلك لإدارة آلاف الخلايا في الأجهزة الميكروفلويدية في آنٍ واحد. تُدار الأقطاب الكهربائية الدقيقة المفردة الموجودة في قاع خلية التدفق بواسطة شريحة سيموس لتشكيل آلاف «الأقفاص» الكهربائية العازلة، كل منها قادر على التقاط خلية واحدة وتحريكها تحت سيطرة برنامج التوجيه.

كأداة لتوصيف الخلايا

كذلك، تُستعمل تقنية الترحيل الكهربائي (DEP) بشكل أساسي لتوصيف الخلايا من خلال قياس التغيرات في خصائصها الكهربائية. ولتحقيق ذلك، تتوفر الكثير من التقنيات لتحديد استجابة الترحيل الكهربائي كميًا، نظرًا لعدم إمكانية قياس قوة الترحيل الكهربائي بشكل مباشر. تعتمد هذه التقنيات على قياسات غير مباشرة، حيث يتم الحصول على استجابة متناسبة لقوة واتجاه القوة، والتي يجب معايرتها بحسب طيف النموذج. لذلك، لا تأخذ أغلب النماذج في الاعتبار سوى عامل كلاوزيوس-موسوتي للجسيم. ومن أكثر التقنيات استخدامًا: قياس معدل التجميع: وهي أبسط التقنيات وأكثرها شيوعًا، حيث تُغمر الأقطاب الكهربائية في معلق ذي تركيز معروف من الجسيمات، ثم تُحصى الجسيمات التي تتجمع عند القطب؛ قياسات التقاطع: حيث يُقاس تردد التقاطع بين الترحيل الكهربائي الموجب والسالب لتوصيف الجسيمات، وتُستعمل هذه التقنية للجسيمات الصغيرة (مثل الفيروسات) التي يصعب عدّها بالتقنية السابقة؛ قياسات سرعة الجسيمات: حيث تقيس هذه التقنية سرعة واتجاه الجسيمات في . قياس ارتفاع الرفع: يتناسب ارتفاع رفع الجسيم طرديًا مع قوة الترحيل الكهربائي السالبة المطبقة. لذا، تُعد هذه التقنية مناسبة لتوصيف الجسيمات المفردة، وتُستعمل بشكل أساسي مع الجسيمات الأكبر حجمًا مثل الخلايا؛ استشعار المعاوقة: تؤثر الجسيمات المتجمعة على حافة القطب الكهربائي على معاوقة الأقطاب، ويمكن رصد هذا التغير لتحديد كمية الترحيل الكهربائي. لدراسة مجموعات أكبر من الخلايا، يمكن الحصول على الخصائص من خلال تحليل أطياف الترحيل الكهربائي.

التنفيذ