Phép điện môi (hay DEP) là một hiện tượng trong đó một lực được tạo ra trên một hạt điện môi khi nó phải chịu một điện trường không đồng nhất. Lực này không yêu cầu hạt bị sạc. Tất cả các hạt đều có hoạt tính điện môi khi có điện trường. Tuy nhiên, sức mạnh của lực phụ thuộc mạnh mẽ vào các tính chất điện môi và hạt, hình dạng hạt và kích thước, cũng như tần số của điện trường. Do đó, các trường của một tần số cụ thể có thể thao tác các hạt với độ chọn lọc tuyệt vời. Điều này cho phép, ví dụ, việc tách các tế bào hoặc định hướng và thao tác các hạt nano và các dây nano. Hơn nữa, một nghiên cứu về sự thay đổi lực DEP theo chức năng của tần số có thể cho phép làm nổi bật các tính chất điện (hoặc điện sinh lý học trong trường hợp của tế bào).
Nền và Thuộc tính
Mặc dù hiện tượng chúng ta gọi là dielectrophoresis đã được mô tả trong quá trình chuyển tiếp từ đầu thế kỷ 20, nó chỉ được nghiên cứu nghiêm túc, được đặt tên và hiểu rõ bởi Herbert Pohl vào những năm 1950. Gần đây, phản ứng điện môi đã được hồi phục do tiềm năng của nó trong thao tác các hạt nhỏ, hạt nano và tế bào.
Phép điện phân xảy ra khi một hạt phân cực bị treo trong một trường điện không đồng nhất. Điện trường phân cực hạt, và các cực sau đó trải qua một lực dọc theo các đường trường, có thể hấp dẫn hoặc ghê tởm theo hướng trên lưỡng cực. Vì lĩnh vực này không đồng nhất, cực đạt được điện trường lớn nhất sẽ chiếm ưu thế hơn hạt kia và hạt sẽ di chuyển. Định hướng của lưỡng cực phụ thuộc vào sự phân cực tương đối của hạt và môi trường, phù hợp với sự phân cực của Maxwell-Wagner-Sillar. Vì hướng của lực phụ thuộc vào gradient trường chứ không phải hướng trường, DEP sẽ xảy ra trong các điện trường AC cũng như điện trường DC; sự phân cực (và do đó hướng của lực) sẽ phụ thuộc vào phân cực tương đối của hạt và môi trường. Nếu hạt đi theo hướng gia tăng điện trường, hành vi này được gọi là DEP dương (đôi khi pDEP), nếu tác động để di chuyển hạt ra khỏi vùng trường cao, nó được gọi là DEP âm (hoặc nDEP). Khi phân cực tương đối của hạt và môi trường phụ thuộc vào tần số, thay đổi tín hiệu kích hoạt và đo cách thay đổi lực có thể được sử dụng để xác định tính chất điện của các hạt; điều này cũng cho phép loại bỏ các chuyển động điện của các hạt do tính hạt vốn có.
Các hiện tượng liên quan đến dielectrophoresis là điện di và điện môi di chuyển sóng di chuyển (TWDEP). Các thiết bị này đòi hỏi các thiết bị phát tín hiệu phức tạp để tạo ra các điện trường xoay hoặc đi du lịch cần thiết, và do kết quả của sự phức tạp này, các nhà nghiên cứu ít được ưa chuộng hơn so với phương pháp điện di truyền thống.
Dielectrophoretic force
The simplest theoretical model is that of a homogeneous sphere surrounded by a conducting dielectric medium. For a homogeneous sphere of radius {\displaystyle r} and complex permittivity {\displaystyle \varepsilon _{p}^{*}} in a medium with complex permittivity {\displaystyle \varepsilon _{m}^{*}} the (time-averaged) DEP force is
Yếu tố trong các dấu ngoặc nhọn được gọi là hàm Clausius-Mossotti phức tạp và chứa tất cả sự phụ thuộc tần số của lực DEP. Trường hợp hạt bao gồm các quả cầu lồng nhau – ví dụ phổ biến nhất là xấp xỉ của một tế bào hình cầu bao gồm một phần bên trong (tế bào chất) bao quanh bởi một lớp bên ngoài (màng tế bào) – sau đó có thể được biểu diễn bởi các biểu thức lồng nhau vỏ và cách mà chúng tương tác, cho phép các thuộc tính được làm sáng tỏ khi có đủ các tham số liên quan đến số lượng các ẩn số đang được tìm kiếm. Đối với trường hợp phổ quát ellipsoid của bán kính {\ displaystyle r} r và chiều dài {\ displaystyle l} l với hằng số điện môi phức tạp {\ displaystyle \ varepsilon _ {p} ^ {*}} \ varepsilon_p ^ * trong môi trường có hằng số điện môi phức tạp {\ displaystyle \ varepsilon _ {m} ^ {*}} \ varepsilon_m ^ * lực điện môi phụ thuộc thời gian được cho bởi
Hằng số điện môi phức tạp là {\ displaystyle \ varepsilon ^ {*} = \ varepsilon + {\ frac {i \ sigma} {\ omega}}} \ varepsilon ^ * = \ varepsilon + \ frac {i \ sigma} {\ omega } {\ displaystyle \ varepsilon} \ varepsilon là hằng số điện môi, {\ displaystyle \ sigma} \ sigma là độ dẫn điện, {\ displaystyle \ omega} \ omega là tần số trường, và {\ displaystyle i} i đơn vị trí tưởng tượng Biểu hiện này rất hữu ích để xấp xỉ tính chất dielectrophoretic của các hạt như các tế bào máu đỏ (như các sphero vách) hoặc các ống mỏng dài (như các elipsoids dãi) cho phép ước lượng phản ứng dielectrophoretic của các ống nano cacbon hoặc các virut khảm thuốc lá trong hệ thống treo. Các phương trình này chính xác đối với các hạt khi gradient điện trường không lớn (ví dụ gần cạnh điện cực) hoặc khi hạt không di chuyển dọc theo một trục, trong đó gradient trường là 0 (như ở trung tâm của một điện cực axisymmetric mảng), vì các phương trình chỉ tính đến lưỡng cực được hình thành và không phân cực bậc cao hơn . Khi gradient điện trường lớn, hoặc khi có một trường null tràn qua trung tâm của hạt, các thuật ngữ bậc cao hơn trở nên có liên quan, và tạo ra các lực cao hơn. Chính xác, phương trình phụ thuộc vào thời gian chỉ áp dụng cho các hạt không mất đi, bởi vì sự mất mát tạo ra sự tụt hậu giữa trường và lưỡng cực gây ra. Khi được tính trung bình, hiệu ứng sẽ bị hủy bỏ và phương trình cũng đúng đối với các hạt mất mát. Một phương trình tương đương thời gian có thể dễ dàng thu được bằng cách thay thế E bằng Erms, hoặc đối với điện áp sinusoidal bằng cách chia tay phải cho 2. Các mô hình này bỏ qua thực tế là các tế bào có một cấu trúc bên trong phức tạp và không đồng nhất. Mô hình đa vỏ trong môi trường dẫn điện thấp có thể được sử dụng để thu thập thông tin về độ dẫn điện màng và độ permittivity của tế bào chất . Đối với một tế bào có vỏ bao quanh một lõi đồng nhất với môi trường xung quanh được coi là một lớp, như trong hình 2, phản ứng điện môi tổng thể thu được từ sự kết hợp của các tính chất của vỏ và lõi.
trong đó 1 là lõi (trong các thuật ngữ tế bào, tế bào chất), 2 là vỏ (trong tế bào, màng tế bào). r1 là bán kính từ trung tâm của quả cầu đến bên trong vỏ, và r2 là bán kính từ trung tâm của quả cầu tới bên ngoài của vỏ.