介電電泳分析細胞電生理

微電極結(jié)構(gòu)開發(fā)的進展已導致使用非均勻交流電場對細胞，微生物和其他生物顆粒進行介電電泳表征和分選的新技術(shù)。 這些方法利用了細胞的介電極化率的差異來實現(xiàn)其有效性，控制這些性質(zhì)的因素包括膜和任何細胞壁的電導率和介電常數(shù)，與表面電荷相關(guān)的雙電層，細胞形態(tài)和內(nèi)部結(jié)構(gòu)。 介電泳的應(yīng)用包括細菌，活細胞和不活細胞，癌細胞和正常細胞以及紅細胞和白細胞的混合物的選擇性空間操縱和分離。

1. 系統(tǒng)介紹

該3DEP系統(tǒng)是突破性新技術(shù)
介電泳技術(shù)雖已發(fā)展數(shù)十年，但由于傳統(tǒng)介電泳普遍為2D，需在單一樣本內(nèi)改變頻率做數(shù)小時以上的觀測，且由于能放置細胞數(shù)量少，導致實驗變異性大，跨入門坎高。
3DEP整合了微電極微孔槽芯片、光學感應(yīng)偵測系統(tǒng)、自動信號擷取系統(tǒng)及自動化分析軟件等，將介電泳此一技術(shù)商品化進入市場；不但操作門檻降低，更有高度的穩(wěn)定性與再現(xiàn)性，讓介電泳細胞分析從理論變成真實可靠的應(yīng)用。


該3DEP系統(tǒng)專利芯片設(shè)計
拋棄式的芯片設(shè)計讓實驗之間不會有交叉污染的機會；樣本的分析小到病毒微粒，大到心肌細胞都適用，整個實驗樣本不需標定也不會傷害樣本。
實驗時20個孔洞同時給與不同頻率進行偵測，只需數(shù)秒就可得到實驗結(jié)果，跳脫了過往費時費工的限制；3D孔洞的設(shè)計可放入大量的樣本，以明暗度的變化來量化DEP-Force，使實驗的穩(wěn)定性與再現(xiàn)性達到可商業(yè)化的標準。


該3DEP系統(tǒng)自動化分析軟件
20個孔洞中的明暗度變化直接換算為DEP-Force，中間省略繁瑣的物理公式。由環(huán)境導電度與電場強度、大小等參數(shù)的固定之下，軟件會自動進一步計算出細胞膜導電度（membrane conductance）、細胞膜電容度（membrane capacitance）、細胞質(zhì)導電度（cytoplasm conductivity）和細胞質(zhì)介電度（cytoplasm permittivity），讓細胞在介電泳下的分析獲得更多的信息。

該3DEP系統(tǒng)是一種細胞分析系統(tǒng)，可同時分析數(shù)千個細胞，并產(chǎn)生可確定其電特性的輸出。 它包括一個可放入細胞以進行分析的一次性芯片，以及一個裝有已裝載的芯片的讀取器。 然后，這種革命性的裝置使用了一種稱為介電電泳（簡稱DEP）的現(xiàn)象，可在10秒內(nèi)分析多達20,000個細胞。3DEP是市場上款能夠測量細胞群體電特性的儀器。

該系統(tǒng)是個的、功能更強大的、更簡單的技術(shù)細胞介電電泳分析系統(tǒng)，廣泛應(yīng)用于干細胞的分化、癌細胞及細菌抗性的檢測、癌細胞凋亡的快速檢測、病毒顆粒的特性檢測、水質(zhì)的檢測、酵母細胞的存活狀態(tài)快速檢測，穿膜藥物對血細胞的影響等。

2. 基本原理

細胞在高頻不均勻電場作用下產(chǎn)生極化，不同的細胞由于介電特性、電導率、形狀不同而感應(yīng)出不同的偶電極，因此受到不同介電力的作用.

（如圖1.所示）。

圖1.電場變化對微粒產(chǎn)生不同的作用力

PositiveDEP-正介電泳力，Negative DEP-負介電泳力

3.  系統(tǒng)亮點概述

通過測量細胞運動速度，可得到細胞的介電特性；可對細胞進行無物理接觸的選擇性操縱、定位、分離。

3.1對細胞進行無物理接觸操縱、定位、分離。

     對細胞無損傷，保證細胞后續(xù)實驗安全

  3.2無需試劑或其他添加劑

     既節(jié)約日后的使用成本，又能保證細胞不收試劑的干擾，保證實驗細胞的原生態(tài)。

3.3功能強大、操作簡單，快速

 3DEPtech是目前的介電電泳分析系統(tǒng)，功能強大，應(yīng)用涉及新藥研發(fā)、樣品準備、診斷、體外細胞毒性檢測等方面，操作簡單，只需簡單的三個步驟。傳統(tǒng)的介電電泳使用的是微組裝設(shè)備，只能一次分析一個樣品，耗時2-3 h，而3DEPtech 使用的是配套的DEP-well多孔板，一次能同時分析20個樣品，只需要10 s。另外相比于傳統(tǒng)的細胞介電電泳分析系統(tǒng)，3DEPtech增加了電極的面積，增加了檢測的準確性。

圖3.DEP-Well使用

3.4完全無需化學標記，測后樣品無損傷，保證繼續(xù)后續(xù)操作

   傳統(tǒng)的分子標記方法是檢測細胞的化學變化，而DEP對細胞的生理變化比較敏感，如細胞胞質(zhì)的離子成分和組成，膜電位，膜電導，細胞形態(tài)、大小、形狀等，這些變化做標記比熒光標簽更有優(yōu)勢，能更快更早更準確的檢測出細胞的變化，費用更低；DEP檢測細胞的生理變化，操作對細胞樣品完全無損傷，操作后可以收回繼續(xù)進行后續(xù)試驗，減少了重復(fù)制備樣品的繁雜步驟。

3.5 DEP-well采用的光譜技術(shù)。

    3DEP是一種新的光密度檢測系統(tǒng)，DEP-well技術(shù)核心是DEP光譜技術(shù)，光譜信號可以提供很多細胞膜和細胞質(zhì)的信息，可以檢測細胞在電場中的變化，是細菌或細胞極化的指標，根據(jù)細胞或細菌的性狀不同，光譜范圍可以調(diào)整，增大了實用性，可以檢測不同的生物顆粒，簡化了操作步驟及減少了費用，可以直接檢測樣品的生理變化，減少了假陽性或假陰性的產(chǎn)生。

圖4.DEP光譜

A typical DEP spectrum. Analysis allowsdetermination of the membrane resistance (blue) and capacitance (red), andcytoplasm conductivity (lime).

3.6一次性DEP-well 多孔設(shè)計，無交叉污染風險

設(shè)備使用的DEP-well是與設(shè)備配套的多孔板，使用新方法設(shè)計，價格便宜，一次性使用，不用擔心交叉污染的問題，可以一次測取不同的樣品，每個樣品設(shè)置多個平行對照；應(yīng)用范圍比較廣泛涉及到生物、醫(yī)學、農(nóng)畜業(yè)、制藥等領(lǐng)域，應(yīng)用細胞凋亡、干細胞分化、腫瘤細胞的檢測。

3.7高通量連續(xù)快速分離不同細胞，進行細胞分選。

不同的細胞性狀不同，在電場中被極化產(chǎn)生的介電力的方向和大小也不同，根據(jù)介電電泳原理，利用3DEPtech就可以快速分離不同的細胞，達到對細胞進行分選的目的；此設(shè)備分離細胞的效率達到mL/min，可以根據(jù)使用者的需求調(diào)整。

圖5.微粒的分離

4. 應(yīng)用領(lǐng)域

5. 主要參數(shù)

主要檢測指標：細胞形態(tài)，細胞膜變化、細胞質(zhì)導電率，細胞膜表面電導率及電容

芯片：1.0mm一次性芯片（20片裝），每片20孔，每孔可容納1000個細胞
芯片體積：<150μL

頻率范圍：0.5kHz到45Mhz
幅度：0 – 20 V peak to peak

電    壓：交流電壓

檢測時間：10s

檢測方式：一次多孔檢測，采用光譜技術(shù)，DEP Reader讀取

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