Диэлектрофорез движение клеток или частиц в неоднородном переменном

Диэлектрофорез: движение клеток или частиц в неоднородном переменном эл поле F ~ d. E 2/dx электроды Положительный ДЭФ: частицы движутся в направлении максимальной напряженности поля Отрицательный ДЭФ: частицы выталкиваются из области макс. напряженности поля. →→ → Энергия диполя W = d∙E сила - d. W/dx d=q l (работа = сила × путь) ; d – дипольный момент α - поляризуемость 1

Поляризация клетки при разных частотах эл поля d = α∙E E + – + При низких частотах клетка ведет себя как непроводящая сфера в проводящей среде. – Дипольный момент ориентирован против поля ω << ω1 α < 0 d = α∙E E – + На высоких частотах клетка ведет себя как проводящая сфера в плохо проводящей среде. Дипольный момент ориентирован параллельно полю ω1 < ω2 α>0 E При сверхвысоких частотах поляризация клетки пренебрежимо мала ω >> ω2 α = 0 2

Зависимость диэлектрофореза от частоты эл поля α При частоте ω1 токи, текущие через клетку и в обход нее равны ω1 ~ 105 Hz ω2 ~ 109 Hz R =XC = (ω С)– 1 В грубом приближении ω1 0 ω2 α<0, отриц. ДЭФ lg ω α>0, положит. ДЭФ См/м Ф/м 2 Скорость движения ( v ) при ДЭФ определяется балансом между силой ДЭФ и силой вязкого трения F=6πrvη FDEP = k grad E 2 η – вязкость; r – радиус м Гц Сm – емкость мембраны; σ – проводимость среды 3

Импеданс параллельного соединения R и C (аналог мембраны) C R По определению импеданса j 2 = -1 Z Допущение о том, что С не зависит от частоты далеко от реальности. 4 ω

Экспериментальные наблюдения: ДЭФ и электровращение Диэлектрофорез Отриц ДЭФ Логарифм частоты Число оборотов в сек Сила ДЭФ Полож ДЭФ Электровращение (f~ 1 Hz) Lg частоты Вращение против поля Вращение по полю С помощью ДЭФ сажали одиночные вирусные частицы на острие зонда АСМ ε* = εoε – i σ/ω (комплексная величина) ; p – particle, m - medium σ – проводимость, ω – круговая частота [ ] – фактор Клаузиуса-Моссотти i = √– 1; r – радиус частицы Re – действительная часть комплексной вел-ны 5

Электрострикция мембран: электромеханическая модель пробоя V = ≥ 0 m. V V = 150 m. V V = 300 m. V ε Fэл Fупр ho – Q=φ C IC = d. Q/dt = + = C dφ/dt + φ d. C/dt h Fэл = Fупр баланс сил эл. сжатия и упругости коллапс Из условия баланса сил найдем критическое сжатие * = h/ho, при котором происходит пробой диэлектрика. α – относительная деформация α = h/ho. Эл. сила: F = d. W/dh, где W – энергия конденсатора. Сила упругости: пропорциональна относительной деформации (закон Гука). 6

Сила эл сжатия мембран и сила упругости α = h/ho. Закон Гука: изменение упругой силы пропорционально относительной деформации, E - модуль упругости. Эл силу находят как производную эл энергии заряженного конденсатора по толщине диэл. слоя (по толщине мембраны). Эти силы сбалансированы; получим ур-ие, к-рое можно решить графически, построив графики зависимости правой и левой части от отн. деформации. Точки пересечения являются решениями ур-ия. 7

Графическое решение ур-ия для баланса сил Пик на кривой соответствует макс-му сжатию мембраны. Левая ветвь графика не имеет физ. смысла. (α 2 lnα)' = 2α lnα + α = 0 2 lnα +1 = 0 lnα = – 0. 5 α = exp (– 0. 5 ) = 0. 607 Основной недостаток модели: потенциал пробоя выступает как константа. На практике м-ны рвутся при разных напряжениях. При малом напряжении время жизни мембраны большое, с увеоличением φ – сокращается. 8

Эл пробой мембран как следствие образования сквозных пор Изменение энергии мембраны при появлении в ней сквозной поры с радиусом r: r - линейное натяжение h С = Сm(εw/εm– 1) изменение Сm при замене липида на воду ΔWo* r* – критический радиус уменьшается при φ ≠ 0 Conclusion: the life time of перехода Энергия активации для BLM in the electric field depends через барьер также снижается primarily on linear tension of the pore γ, which при φ ≠ 0 the depends on shape of phospholipid molecules. Радиус r* находим из условия d. W/dr = 0 9 R-

Логарифм времени жизни БЛМ, с Влияние мембр. потенциала φ на время жизни БЛМ в эл. поле PE PC+LPC Напряжение на БЛМ, В Время жизни БЛМ зависит от мембр. потенциала φ. Время жизни зависит от геометрии молекул (γ): м-ны из PC+LPC менее устойчивы, чем м-ны из PE. 10

Двухстадийное формирование сквозной поры в БЛМ: Трансформация гидрофобной поры в гидрофильную Энергия поры [10 -21 Дж] Радиус поры, нм Гидрофобная пора Гидрофильная пора Профиль энергии включает два максимума: промежуточный минимум отражает временную стабилизацию системы ( БЛМ с гидрофильной порой). 11

Обратимый и необратимый пробой БЛМ в эл. поле ток Время жизни необратимый ток время Напряжение обратимый (UO 22+) время 1. 2. 3. Мгновенный скачок –ток емкости Фоновый ток (очень мал) Возрастание тока в связи с пробоем или формированием поры Различия времен жизни БЛМ составляют 5 порядков при перепадах напряжения 500 м. В) 12

Эл пробой мембранных везикул и целых клеток n + + - Δφ =1. 5 RE cosθ θ E Липосомы в эл поле Электропоры в м-не эритроциотов (60 000×) Имитация пробоя методом мол. динамики Культивируемая клетка хомячка в эл поле Е. Визуализация потенциала с помощью потенциалчувствительного красителя (di-8 -ANEPPS) 13

Электроиндуцируемое набухание хлоропласта Peperomia metallica (нарушение проницаемости мембран оболочки) − Флуоресценция Хл + Δφ = 1. 5 r E cosθ 2 к. В/см Свет 1 к. В/см Импульс эл. поля Е 0. 5 c Как объяснить набухание? Эл. -инд. набухание 14

Слияние мембран (клетки, липосомы, плоские БЛМ) Образование зиготы, экзо/эндоцитоз, синаптическая передача, проникновение патогенов. Слиянию способствуют: гидростат давление, осмотическое давление (дегидратация посредством ПЭГ), эл поле, Са 2+, нагревание. Зависит от геометрии липидных молекул. (1) Мол притяжение (ван-дер-Ваальс): Fm = A / (6πh 3); h - расстояние между мембранами (2) Электростат. отталкивание (3) Гидратные силы отталкивания P 0 = 2. 5∙ 108 Па, L = 0. 35 нм h – расстояние между бислоями. Липосомы до и после импульса (2. 2 к. В, 0. 3 мс) (ван-дер-Вальс) контакт выступ Сталк (полуслияние) Слияние (пора) перегородка 15

излом сталк Гидратные силы − + − + (борозда) (перемычка) + − − + + − + − Дегидратирующее влияние полимеров Энергия в ед. k. T диафрагма полуслияния появление поры полимер пора слияния вода образ-ние уширение образ-ие поры диафр. сталка полусл. слияния Координата перехода, с 16