广州水务投资集团领导:介电电泳技术的应用方向和领域

介电电泳技术的应用方向和领域

介电电泳（Dielectrophoresis）技术已经被成功的应用于生物医学工业来分离、富积、捕获微粒和细胞。该技术描述的是位于非匀称电场的中性微粒由于介电极化的作用而产生的平移运动。产生在微粒上的偶极矩可以有两个相同带电量但极性相反的电荷来表示，当它们在微粒界面上不对称分布时，产生一个宏观的偶极矩。当这个偶极矩位于不匀称电场中，在微粒两边的局部电场强度的不同使得一个净力产生，这个净力被称为介电电泳力。由于悬浮于媒介中的微粒与媒介有着不同的介电能力（介电常数），微粒会被移动向或者更强的电场强度的方向，称为阳性介电电泳， 或者更弱的电场强度的方向，称之为阴性介电电泳。介电电泳力的大小取决于悬浮微粒的大小，悬浮微粒和所悬浮媒介的电特性（介电常数和电导率），电场强度和频率，悬浮媒介的粘度等参数。所以，与电泳或其他常规分离方法相比较，介电电泳拥有更高的选择性和更易的控制性。由此，介电电泳可以用于以下几种分离：

(一) 不同微粒的选择性分离

由于不同的微粒具有不同的电特性，如根据其电特性的差别而选择该微粒混合物的悬浮液，在一定的电场频率下，不同的微粒会表现出不同的介电电泳效应：或者被移动到较强的电场所在的位置，或者被移动到较弱的电场所在的位置，从而将不同的微粒选择性的分离开来。例如，介电电泳效应在金微粒分离已经被证实为一种高效并无污染的分离法。在这一课题中， 含量较少的超薄金微粒被从其他的矿石微粒（锆石、石英、砂石）中分离出来， 而这是用其他常规方法无法在无污染的前提下所能做到的。这一论证可以为开采贵重金属的贫矿开启一扇新的可行之门。在现有的分离技术中,还没有任何一种技术可以较精细地将两种以上的不同微粒逐一分离。而通过介电电泳技术，通过调节电场频率和强度以及悬浮媒质的性质，可以达到将多种不同微粒逐一精确地分离开来。

1) 介电电泳在生物制药的应用

在生物制药中，例如在中药制取中，原材料提取后，欲得到高纯度的药物提取物除去无效和有害的组分，分离和纯化工艺至关重要。而现有的常见分离方法例如，沉降法，离子交换法和离心分离法还不能达到连续工艺分离提取。其弊端不仅在于分离提纯的选择性低，效率低，而且周期长，成本相对高。通过使用介电电泳技术，其高选择性可以精确地分离出无效和有害的组分且可达到连续分离工艺。除此之外，通过循环处理药渣，可以最大程度上从原材料中提取有效的药物成分。如此可降低成本，提高药效，生产和分离效率。另外，由于不同的物质有着不同的介电常数和电导率以及密度，通过对物理性质标准化的微粒在药剂的介电电泳力或速度的分析可以确定该药剂的质量和品质。在药物制粒的工艺中，微粒的大小应该被控制在一定的标准范围之内，介电电泳技术既可以应用在标准化微粒大小上，也可以通过捕获单一药粒以便分析和质量控制。

生物、医学、农畜业和制药等精提纯和分析控制

介电电泳的最早应用便是在生物、医学和制药等精提纯和分析上。经过多年的研究，该技术已日臻成熟。但在很多领域上的应用仍属空白。例如，理论上，介电电泳可较为精确地分离带有不同染色体的精子，而这可以提高例如奶牛和肉牛的生产效率。再例如，在中药的精提纯上，介电电泳的高选择性和控制性可以使得中药的作用得以更好的发挥。

介电电泳技术在医学和生物化学的应用以其高选择性，可控性，以及设备简易而著名并日臻成熟。现在，很多的科研方向都集中在生物芯片上。通过精心设计一系列电极组，并耦合其他分离和分析方法，可将整个实验或检测实验室置于一个比信用卡还要小的载体上，以达到分离、捕获和分析的目的。例如，可使用一个介电电泳生物芯片以富积血液样本中含有的细菌或病毒并将红细胞，白细胞及血小板等分离出来以得到足够多的细菌或病毒以便于分析。再如，当血液中含有癌细胞，介电电泳芯片可以捕获癌细胞在设计的位置以便于分析等等。

纳（微）米微粒的搭建

通过精心设计电极，微粒可以根据不同的介电电泳效应被捕获或者按照设计形成微粒的聚集和链接。这样，介电电泳可以在制造传感器时被用来构建纳米碳管。也可以被用来在制造渗透膜等多空介质时控制微粒在多空介质的分布。

凭借着介电电泳所拥有的独一无二的高选择性和可控性，介电电泳作为一种多相（固-固、固-液、固-气、液-液、液-气）分离技术，和一种微粒控制、富积、捕获、搭建、装配和分析的技术可以用在非常广泛的领域：如生物制药中的精细分离和分析、医学中细胞、细菌及病毒等的分离控制、富积、捕获和分析等、传感器制造、燃料电池制造、农畜品种质量和产量的提高、废水处理和海水淡化的工艺优化和强化、（贵）重金属和或有色金属精细再回收、贫（金属）矿精提纯分离及回收、石油去乳化处理及提纯、废油回收提纯再利用、高效除去废气中所含液体和固体悬浮物、物质物理性质分析、超微量液体泵取及其他特定环境下常规分离技术不可达到的多相分离等。

介电电泳分离生物芯片

 介电电泳分离的原理是细胞在高频不均匀电场作用下产生极化，不同的细胞由于介电特性、电导率、形状不同而感应出不同的偶电极，因此受到不同介电力的作用。利用介电电泳方法制备样品的优点是：通过测量细胞的运动速度，可以得到细胞的介电特性；可以对细胞进行无物理接触的选择性操纵、定位、分离。

介电电泳在纳米技术及传感器制造的应用

纳米技术以及应用纳米微粒如纳米碳管在传感器的制造越来越得到科研和工业上的重视。由于微粒的介电电泳运动可以通过电场的性质（电场强度和频率）控制，纳米微粒可以通过介电电泳来操控，捕获。通过设计电极和控制电场性质，可以使微粒形成一个经常在介电电泳技术的特殊效应-珠链效应（Pearl-Chain-Effect）。这个珠链效应使得微粒沿着电场的方向逐一连接并形成一个由微粒所组成的链。正是这一可控的特性成就了介电电泳在传感器制造上的应用。如此，纳米微粒可以根据设计而搭（接）建并进一步组装传感器或达到设计目的。

 介电电泳在绿色能源（燃料电池）的应用

燃料电池作为一种绿色能源已经得到了人们极大的关注。但该项技术仍然需要进一步的优化以达到更大市场的需要。在这些燃料电池的技术突破瓶颈中，催化微粒在燃料电池中的均匀分布将提高催化微粒的催化作用。通过介电电泳技术对微粒的操控，催化微粒可被均匀地分布。

介电电泳在农业畜牧业的应用

介电电泳在农畜业的应用不仅可以参考其在医学和生物化学上的对农畜的疾病控制和分析上，也可用于农畜的品种改良和选择。例如，由于带有X染色体和Y染色体的精子的大小不同，而体积不同的精子所表现的介电电泳效应的大小也不同。 于是通过控制电场的强度，可将带有X染色体和Y染色体的精子分离开来从而控制所需农畜的性别。另外，同样由于健康的精子与死亡或不健康的精子的介电电泳效应完全不同，其介电电泳移动方向，通过电场频率的控制，可以使完全相反。于是通过分离出不健康的或者死亡的精子而保留健康的精子，以提高农畜的精子质量和成活率，从而提高农畜的产量和质量。