Dielectrophoresis (ไดอิเลคโตรโฟเลซีส)

ความรู้ ความเข้าใจ และ การประยุกต์ใช้งาน

 

เรียบเรียงโดย สิทธิศักดิ์ ปุยอ๊อก -= สถาบันวิจัยจุฬาภรณ์ =- http://up.to/thaiDEP

ปัจจุบันความก้าวหน้าทางวิทยาศาสตร์ทำให้เกิดการประดิษฐ์อุปกรณ์ที่มีขนาดเล็กมากจนถึงระดับนาโนมิเตอร์ได้ จึงเกิดความสนใจที่จะประดิษฐ์อุปกรณ์ที่สามารถนำมาใช้ศึกษาและวิจัยเกี่ยวกับอนุภาคทางชีววิทยาในระดับเซลล์หรือโมเลกุลขนาดใหญ่เช่นโปรตีน หรือดีเอ็นเอ โดยที่ได้มีการประยุกต์ใช้ความรู้ทางไฟฟ้าจลน์และความรู้ทางชีววิทยาในระดับเซลล์ผนวกเข้ากับอุปกรณ์ขนาดเล็กเกิดเป็นห้องทดลองในระดับเซลล์ที่สามารถเฝ้ามองและติดตามการเปลี่ยนแปลงของเซลล์ หรือการแบ่งแยกชนิดของเซลล์ได้ทันที ดังนั้นความรู้และความเข้าใจดังกล่าวจะเป็นประโยชน์อย่างมากต่อการแพทย์และชีววิทยาในการที่จะช่วยย่นระยะเวลาในการวินิจฉัยโรค และเนื่องจากอุปกรณ์มีขนาดเล็กจึงสามารถที่จะนำไปใช้ในที่ต่างๆได้อย่างสะดวกสบาย ไดอิเลคโตรโฟเลซีสได้เริ่มเข้ามามีบทบาทเพื่อตอบสนองต่อการใช้งานที่สะดวกและรวดเร็ว ประหยัดพื้นที่ โดยได้มีการใช้งานอย่างแพร่คลอบคลุมในหลายด้าน เช่น การแพทย์, พิษวิทยา, จุลชีววิทยา, อุตสาหกรรมอาหาร, เทคโนโลยีชีวภาพ เป็นต้น [2,3, 8-20] ดังนั้นแล้วเราก็น่าจะเริ่มให้ความสนใจ หาความรู้ในด้านนี้กันมากขึ้นโดยเฉพาะในประเทศไทย

จุดเริ่มต้นของความสนใจนี้ต้องย้อนกลับไปในปีคศ.1978 เมื่อนักวิทยาศาสตร์ชื่อ Herbert Ackland Pohl ได้แต่งหนังสือชื่อ “Dielectrophoresis the behavior of neutral matter in nonuniform electric fields¹” บรรยายถึงความหมายและอธิบายถึงการเกิดปรากฏการณ์ไดอิเลคโตรโฟเลซีส เนื้อหาภายในหนังสือได้ให้นิยามของคำว่า“ไดอิเลคโตรโฟเลซีส”ไว้ดังนี้ ไดอิเลคโตรโฟเลซีสเป็นการเคลื่อนที่ในแนวขนาน (translational motion) ของอนุภาคที่เป็นกลาง (neutral matter) ในสนามไฟฟ้าที่ไม่สม่ำเสมอ (nonuniform electric field) โดยมีสาเหตุจากปรากฏการณ์โพลาไรเซชั่น (polarization) ของอนุภาคนั้นๆ รูปที่ 1 จะช่วยอธิบายเพื่อให้เกิดความเข้าใจได้ดีขึ้น

จากรูปจะเห็นว่าอนุภาคทรงกลมที่เป็นกลาง(มีประจุบวกและลบจำนวนเท่ากัน)วางไว้ในตัวกลางเช่นสารละลายน้ำตาลเมื่อปล่อยกระแสไฟฟ้าลงไปในสารละลายนั้นอนุภาคดังกล่าวก็จะมีการเรียงตัวของประจุที่ผิวเกิดเป็นขั้วบวกและลบขึ้น จะสังเกตุเห็นว่าสนามไฟฟ้าที่ถูกปล่อยออกไปนั้นไม่สม่ำเสมอเนื่องจากที่ขั้วบวกจะมีความเข้มของสนามไฟฟ้าที่มากกว่าบริเวณขั้วลบ หัวใจสำคัญของปรากฏการณ์ไดอิเลคโตรโฟเลซีสกับการประยุกต์ใช้งานก็คือการควบคุมการเคลื่อนที่ของอนุภาคทรงกลมภายใต้สนามไฟฟ้าด้วยการเปลี่ยนแปลงความเข้มข้นของสนามไฟฟ้าดังที่แสดงในรูปที่1 อนุภาคทรงกลมจะเคลื่อนที่ไปทางขั้วบวก โดยปรกติแล้วอนุภาคทรงกลมแต่ละชนิดจะมีคุณสมบัติทางไดอิเลคโตรโฟเลซีสเฉพาะตัวซึ่งเราสามารถนำมาประยุกต์ใช้ในการคัดแยกหรือศึกษาการเปลี่ยนแปลงสภาพของผิวอนุภาคทรงกลม โดยอาศัยการเคลื่อนที่ที่ต่างทิศทางหรือความเร็วในการเคลื่อนที่ที่ต่างกันของอนุภาคทรงกลมแต่ละตัวเช่นนำมาประยุกต์ใช้ในการแยกแยะเซลล์แบคทีเรียเป็นและเซลล์ตาย²หรือแม้แต่อนุภาคที่มีขนาดเล็กมากเช่นไวรัส, โปรตีนและดีเอ็นเอ³ เพื่อความเข้าใจมากขึ้นในการศึกษาปรากฏการณ์ไดอิเลคโตรโฟเลซีส ผู้เขียนจะขอกล่าวถึงกลไกในการเกิดการเคลื่อนที่ของอนุภาคทรงกลมโดยอาศัยความรู้ทางด้านฟิสิกส์ช่วยในการอธิบาย

การเคลื่อนที่ของอนุภาคทรงกลมเกิดขึ้นเนื่องจากแรงไดอิเลคโตรโฟเลซีสซึ่งสามารถอธิบายได้ด้วยสมการ¹

F_DEP = (volume)·(polarisability)·(local field)·(field gradient)

เมื่อ F_DEP คือแรงที่เกิดจากไดอิเลคโตรโฟเลซีส, volume คือปริมาตรของอนุภาคทรงกลม, polarisability คือความสามารถที่ทำให้เกิดการจัดเรียงตัวของประจุลบและบวก, local field คือสนามไฟฟ้าใช้ได้ทั้งกระแสตรงและกระแสสลับ, field gradient คือสภาพของสนามไฟฟ้าที่ไม่สม่ำเสมอ

เนื่องจากความสลับสับซ้อนเชิงคณิตศาสตร์ซึ่งค่อนข้างยากที่จะเข้าใจได้ในเวลาอันสั้น ผู้เขียนจึงขอสรุปเป็นความสัมพันธ์ได้ดังสมการต่อไปนี้

 

F_DEP = 2pr³e_m{Re[K(w)]}ÑE²

 

กำหนดให้ r คือรัศมีของอนุภาคทรงกลม, e_m คือdielectric permittivity (อัตราความจุกระแสไฟฟ้า)ของตัวกลาง, Re[K(w)] คือClausius-Mossoti function เป็นตัวกำหนดค่า polarizabilityของอนุภาคทรงกลมและขึ้นอยู่กับการเปลี่ยนแปลงความถี่ของสนามไฟฟ้า, ÑE² เป็นสัดส่วนโดยตรงต่อความแรงและความไม่สม่ำเสมอของสนามไฟฟ้า

สิ่งที่น่าสนใจที่ได้จาก Re[K(w)] ก็คือเราสามารถควบคุมการเคลื่อนที่ของอนุภาคทรงกลมได้โดยอาศัยการเปลี่ยนแปลงความถี่ของสนามไฟฟ้า ตามทฤษฎีแล้ว Re[K(w)] จะมีค่าอยู่ระหว่าง +1.0 ถึง –0.5 เมื่อใดที่ Re[K(w)] มีค่าเป็นบวกจะทำให้ได้ไดอิเลคโตรโฟเลซีสชนิดบวก และในทางกลับกันถ้าได้ค่าที่เป็นลบแล้วจะเกิดปรากฏการณ์ไดอิเลคโตรโฟเลซีสชนิดลบอย่างที่แสดงไว้ในรูปที่ 2 และอีกหนึ่งความจริงก็คือจาก ÑE² ไม่ว่าเราจะกลับขั้วของสนามไฟฟ้าอย่างไรก็ยังคงได้การเคลื่อนที่ของอนุภาคทรงกลมตามสภาพของสนามไฟฟ้าอย่างที่แสดงไว้ในรูปที่3 ด้วยเหตุนี้ไฟฟ้ากระแสสลับ (AC) หรือกระแสตรง (DC) ก็สามารถนำมาใช้ควบคุมการเคลื่อนที่ของอนุภาคทรงกลมได้

จากรูปที่ 2 จะเห็นได้ว่าเราสามารถควบคุมการเคลื่อนที่ของอนุภาคทรงกลมที่วางอยู่ในตัวกลางที่เป็นของเหลวภายใต้สนามไฟฟ้าได้โดยการปรับเปลี่ยนตัวแปรบางตัวเช่น

1.            ขนาดของอนุภาคทรงกลม ถ้าอนุภาคทรงกลมมีขนาดที่ต่างกันแต่อยู่รวมกันเมื่อวางอยู่ในสนามไฟฟ้าและตัวกลางเดียวกันย่อมเกิดแรงไดอิเลคโตรโฟเลซีสที่ต่างกัน

2.            การเพิ่มหรือลด dielectric permittivity ของตัวกลางที่อนุภาคทรงกลมถูกวางไว้จะเป็นผลให้แรงไดอิเลคโตรโฟเลซีสเปลี่ยนแปลงไปด้วย

3.            ขนาดและเครื่องหมาย(บวกหรือลบ)จาก K(w) จะส่งผลต่อความแรงและทิศทางของแรงไดอิเลคโตรโฟเลซีส

4.            การเปลี่ยนแปลงความเข้มของสนามไฟฟ้าที่ไม่สม่ำเสมอย่อมมีผลต่อการเกิดแรงไดอิเลคโตรโฟเลซีส

 

เมื่ออ่านมาถึงตรงนี้แล้วบางท่านอาจจะนึกถึงการเคลื่อนที่ในลักษณะ อิเลคโตรโฟเลซีส (electrophoresis) ที่มักพบในงานแยกดีเอ็นเอโดยอาศัย gel electrophoresis ในความเป็นจริงแล้วทั้งสองลักษณะมีความแตกต่างกันอย่างสิ้นเชิงโดยที่การเคลื่อนที่ของอนุภาคทรงกลมภายใต้ปรากฏการณ์อิเลคโตรโฟเลซีสจะขึ้นอยู่กับขั้วของสนามไฟฟ้าและต้องเป็นอนุภาคที่มีประจุ ผู้อ่านสามารถศึกษาเพิ่มเติมได้จากตารางที่1ประกอบกับรูปที่3

 

เซลล์กับปรากฏการณ์ไดอิเลคโตรโฟเลซีส

ในสภาพเซลล์ปกติสารอาหารและโมเลกุลภายนอกเซลล์จะเคลื่อนที่ผ่านเข้าออกเซลล์ได้โดยการควบคุมของเยื้อหุ้มเซลล์(cell permeability) โดยที่สภาพการนำไฟฟ้า(conductance)ของเยื้อหุ้มเซลล์จะต่ำและมีค่าความจุไฟฟ้า(capacitance)ของเยื้อหุ้มเซลล์สูงเกิดเป็นไดอิเลคโตรโฟเลซีสชนิดลบ เมื่อวางเซลล์ภายใต้สนามไฟฟ้ามันจะเคลื่อนที่ออกห่างจากขั้วไฟฟ้าที่มีความเข้มสนามไฟฟ้าสูง(รูปที่ 2a) แต่เมื่อองค์ประกอบของเยื้อหุ้มเซลล์เปลี่ยนไปอันเนื่องมาจากสารพิษซึ่งจะนำไปสู่การตายของเซลล์หรือapoptosis (ข้อมูลเพิ่มเติมอ่านได้จาก LAB.TODAY ฉบับที่ 32 เดือน ตุลาคม 2548) ความสามารถในการเลือกผ่านของเยื้อหุ้มเซลล์ลดลงโมเลกุลและไอออนต่างๆสามารถเคลื่อนที่เข้าสู่เซลล์ได้มากขึ้นเกิดสภาพนำไฟฟ้าได้ดีขึ้น เป็นผลให้เซลล์เคลื่อนที่เข้าหาขั้วไฟฟ้าที่มีความเข้มสนามไฟฟ้าสูง(ไดอิเลคโตรโฟเลซีสชนิดบวก) ความแตกต่างที่เกิดขึ้นนี้ได้ถูกนำใช้ในการคัดแยกระหว่างเซลล์ปกติกับเซลล์ผิดปกติเพื่อช่วยในการวินิจฉัยโรคเช่นการติดเชื้อของเม็ดเลือดแดงจากมาลาเรีย¹¹

 

รูปร่างลักษณะของการจัดวางขั้วไฟฟ้า (electrode)

ในการจัดทำขั้วไฟฟ้าเพื่อการศึกษาวิจัยทางด้านไดอิเลคโตรโฟเลซีสนั้นส่วนมากจะทำจากทองคำให้เป็นรูปร่างต่างๆ (ตามที่แสดงไว้ในรูปที่ 6 และ 7) แล้วจัดวางขั้วไฟฟ้าลงบนแผ่นกระจกให้อยู่ในระนาบเดียวกัน ส่วนใหญ่แล้วการจัดวางขั้วไฟฟ้าแบบ quadrupole (ขั้วทั้งสี่วางหันหน้าเข้าหากันโดยมีช่องว่างตรงกลาง) เป็นที่นิยมกันเนื่องจากไม่มีความซับซ้อนมากและใช้ได้ทั้งไดอิเลคโตรโฟเลซีสประเภท conventional และ electrorotation โดยช่องว่างตรงกลางจะมีความเข้มของสนามไฟฟ้าน้อยที่สุดเมื่อเทียบกับบริเวณใกล้ขั้วไฟฟ้า ส่วนรูปแบบการจัดวางแบบอื่นเช่น interdigitated castellated หรือ spiral ก็มีผู้ประดิษฐ์และทดลองใช้เช่นในการทดลองของ Goater และคณะ⁷ หรือ Markx และ Pething⁸

 

ลักษณะเครื่องมือและอุปกรณ์สำหรับการศึกษาไดอิเลคโตรโฟเลซีส

เนื่องจากปรากฏการณ์ไดอิเลคโตรโฟเลซีสมักจะถูกใช้ในการคัดแยก, ควบคุมการเคลื่อนที่ของอนุภาคหรือเซลล์ภายใต้สนามไฟฟ้าฉะนั้นแหล่งจ่ายไฟฟ้าจึงมีความจำเป็นอันดับแรก แหล่งจ่ายไฟฟ้าที่ใช้อาจเป็นได้ทั้งกระแสตรงที่ปรับเปลี่ยนความต่างศักย์ได้หรือกระแสสลับที่สามารถปรับเปลี่ยนความถี่ได้ อันดับต่อมาจะเป็นขั้วไฟฟ้าซึ่งจะมีหลายรูปแบบดังที่ได้กล่าวไว้แล้วการเลือกใช้ขึ้นอยู่กับประเภทของไดอิเลคโตรโฟเลซีสที่สนใจจะศึกษา อันดับสุดท้ายเนื่องจากขนาดที่เล็กมากของอนุภาคทรงกลมจึงจำเป็นต้องอาศัยเครื่องมือช่วยเช่นกล้องจุลทรรศน์ชนิดแสงธรรมดาหรือกล้องดิจิตอลพร้อมคอมพิวเตอร์เพื่อการประมวลผล ตัวอย่างการใช้งานแสดงไว้ในรูปที่ 8

 

ประเภทของไดอิเลคโตรโฟเลซีส

จะเห็นได้ว่าการเคลื่อนที่ของอนุภาคทรงกลมโดยอาศัยแรงไดอิเลคโตรโฟเลซีสนั้นสามารถเกิดขึ้นได้จากการสร้างสนามไฟฟ้าผ่านขั้วไฟฟ้า ดังนั้นการจัดเรียงตัวของขั้วไฟฟ้าเองย่อมส่งผลให้เกิดการเคลื่อนที่ในลักษณะที่ต่างกันออกไป โดยการจัดวางขั้วไฟฟ้าในลักษณะต่างๆกันนี้ทำให้เราแบ่งแยกประเภทของไดอิเลคโตรโฟเลซีสออกได้ 3 ประเภทหลักคือ

1.      conventional DEP เป็นไดอิเลคโตรโฟเลซีสแบบดั้งเดิมที่ได้อธิบายไว้แล้วข้างต้นกล่าวคืออนุภาคทรงกลมวางอยู่ในสนามไฟฟ้าระหว่างขั้วไฟฟ้าสองขั้ว อนุภาคทรงกลมจะเคลื่อนที่เข้าหรือออกจากขั้วที่มีความเข้มของสนามไฟฟ้าสูงเมื่อเราปรับเปลี่ยนความถี่ของกระแสไฟฟ้า

2.      electrorotation (ROT) ไดอิเลคโตรโฟเลซีสแบบหมุนวนเป็นการจัดเรียงตัวใหม่ของขั้วไฟฟ้าโดยเพิ่มขั้วขึ้นมาอีก 2 ขั้ววางล้อมรอบอนุภาคทรงกลมและแต่ละขั้วจัดให้มีเฟสของสนามไฟฟ้าต่างกัน 90 องศาอย่างที่แสดงไว้ในรูปที่ 4 หลังจากจ่ายกระแสไฟฟ้าไปยังขั้วต่างๆแล้วอนุภาคทรงกลมจะหมุนด้วยความเร็วที่ต่างกันขึ้นอยู่กับความถี่ของกระแสไฟฟ้าที่จ่ายออกไป

3.      traveling wave DEP (twDEP) เป็นไดอิเลคโตรโฟเลซีสที่ดัดแปลงมาจากแบบหมุนวนโดยจัดให้มีการเรียงตัวเป็นแนวเส้นตรงดังรูปที่ 5 เมื่อวางอนุภาคทรงกลมไว้เหนือขั้วไฟฟ้ามันจะเคลื่อนที่ไปทางขวามือตามการเปลี่ยนแปลงเฟสของกระแสไฟฟ้า การเคลื่อนที่ของอนุภาคทรงกลมจะขึ้นอยู่กับแรงไดอิเลคโตรโฟเลซีสในสองระนาบคือแรงที่ใช้ยกอนุภาคให้ลอยเหนือขั้วไฟฟ้าและแรงที่ช่วยในการเคลื่อนที่แนวระนาบขนานไปกับขั้วไฟฟ้า อนุภาคที่มีขนาดต่างกันก็จะถูกผลักให้เคลื่อนที่ไปได้ด้วยระยะทางที่ต่างกัน

 

จากทฤษฎีที่ผ่านมาอาจจะมองเห็นภาพที่เข้าใจยากอยู่บ้าง เพื่อทำให้ผู้อ่านเข้าใจได้มากขึ้นลองศึกษาการใช้งานจริงดังที่จะได้กล่าวต่อไป

 

การประยุกต์ใช้งาน

เราอาจแทนที่อนุภาคทรงกลมที่กล่าวถึงข้างต้นด้วยเซลล์ของสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมเช่นเซลล์เม็ดเลือด, เซลล์มะเร็งชนิดแขวงลอยเช่นเซลล์ลูคีเมีย (leukemia), ไวรัส, แบคทีเรีย, โมเลกุลของโปรตีน หรือดีเอ็นเอ เนื่องจากความแตกต่างทางขนาดและรูปร่าง (ทรงกลมหรือแท่ง) ของเซลล์ รวมทั้งองค์ประกอบของผนังเซลล์หรือเยื้อหุ้มเซลล์ (โปรตีน, คาร์โบไฮเดรต) และองค์ประกอบภายในเซลล์เช่นRNAและDNA ปัจจัยทั้งหลายเหล่านี้เป็นลักษณะเฉพาะของเซลล์แต่ละชนิดแม้แต่ชนิดเดียวกันแต่อยู่ในสถานะภาพที่ต่างกันและเป็นตัวช่วยให้เกิดการจัดเรียงประจุของเซลล์ (polarization) ได้ต่างกันส่งผลต่อการตอบสนองต่อการเกิดแรงไดอิเลคโตรโฟเลซีสที่เฉพาะตัวเป็นประโยชน์อย่างยิ่งในการคัดแยกเซลล์ที่ต้องการออกจากสิ่งแวดล้อม

Lapizco-Encinas และคณะ² ได้ศึกษาการใช้ประโยชน์จากไดอิเลคโตรโฟเลซีสกับการคัดแยกเซลล์แบคทีเรีย E. Coli ที่มีชีวิตออกจากเซลล์ที่ตายแล้วด้วยเครื่องมือที่เรียกว่า electrodeless dielectrophoresis ผลการทดลองแสดงให้เห็นว่าเซลล์ที่มีชีวิตจะถูกแยกออกจากเซลล์ที่ตายโดยอาศัยความแตกต่างระหว่างค่าการนำไฟฟ้า (conductivity) ของเยื้อหุ้มเซลล์ นั่นคือเซลล์ที่มีชีวิตอยู่จะมีค่าการนำไฟฟ้าที่ต่ำกว่าเซลล์ที่ตายเป็นผลให้เซลล์ที่มีชีวิตเมื่อวางอยู่ภายใต้สนามไฟฟ้าจะอยู่ในตำแหน่งที่ห่างจากขั้วไฟฟ้า (ไดอิเลคโตรโฟเลซีสชนิดลบ) มากกว่าเซลล์ตาย (เป็นไดอิเลคโตรโฟเลซีสชนิดลบที่น้อยกว่า) ทำให้เห็นเป็นการแยกกลุ่มชนิดของเซลล์ได้ตามรูปที่ 9

การประยุกต์ใช้กับงานทางด้านพิษวิทยาก็มีความเป็นไปได้ เพื่อศึกษาการตอบสนองของแบบจำลองเซลล์ต่อสารพิษในเชิงปริมาณและเวลา Ratanachoo และคณะ⁹ ได้ทดลองโดยนำแบบจำลองเซลล์ที่เรียกว่า HL-60 มารับสารพิษสี่ชนิดคือ พาราควอต (paraquat), สไตรีน ออกไซด์ (SO), N-nitroso-N-methylurea (NMU) and puromycin แล้วทำการตรวจวัดการเปลี่ยนแปลงทางไดอิเลคโตรโฟเลซีสของเยื้อหุ้มเซลล์ตามปริมาณของสารพิษและเวลาที่แตกต่างกัน ผลการทดลองได้แสดงให้เห็นชัดว่าเทคนิควิธีไดอิเลคโตรโฟเลซีสเป็นวิธีที่มีความไวต่อการตอบสนองของเซลล์ต่อสารพิษและรวดเร็วมากเมื่อเทียบกับวิธีดั่งเดิม (viability testing) อาจจะกล่าวได้ว่าเทคนิคไดอิเลคโตรโฟเลซีสเป็นอีกวิธีหนึ่งของการทดสอบความเป็นพิษของสารเคมีโดยไม่ใช้สัตว์ทดลอง

นอกจากนี้ความรู้ทางไดอิเลคโตรโฟเลซีสยังได้ถูกนำไปใช้งานร่วมกับเทคนิควิธี field-flow fractionation (FFF) เพื่อช่วยคัดแยกเซลล์ที่ต้องการออกจากสิ่งแวดล้อม ผลที่ได้รับเป็นที่น่าพอใจตามที่ Huang และคณะ¹⁰ ได้เสนอไว้ในรายงานการทดลอง “The removal of human breast cancer cells from hematopietic CD34⁺ stem cells by dielectrophoretic field-flow-fractionation” เซลล์มะเร็งซึ่งมีสภาพทางด้านไดอิเลคโตรโฟเลซีสชนิดบวกมากกว่า CD34⁺ จะถูกจับไว้ในห้อง FFF ได้นานกว่าเป็นผลให้เซลล์มะเร็งเคลื่อนตัวออกมาช้ากว่าเซลล์ CD34⁺ เกิดการแยกส่วนกันอย่างชัดเจนดังที่รายงานไว้ว่าความสามารถในการคัดแยกทำได้มากกว่า 99.2%

 

บทสรุป

ความก้าวหน้าทางนาโนเทคโนโลยีได้นำเรามาสู่ยุคใหม่ของการศึกษาทดลองในระดับเซลล์และโมเลกุลผนวกกับความรู้ความเข้าใจทางไฟฟ้าจลน์เป็นผลให้เราสามารถควบคุมการเคลื่อนที่ของอนุภาคทรงกลมเช่นเซลล์เม็ดเลือดภายใต้สนามไฟฟ้าผ่านปรากฏการณ์ไดอิเลคโตรโฟเลซีส การเคลื่อนที่ของอนุภาคทรงกลมนี้ถูกควบคุมด้วยการเปลี่ยนแปลงสภาพสนามไฟฟ้าและความถี่ของกระแสไฟฟ้า(กรณีที่ใช้ไฟฟ้ากระแสสลับ) ความสามารถในการควบคุมการเคลื่อนที่ของอนุภาคทรงกลมได้ถูกนำมาใช้ให้เป็นประโยชน์กับการคัดแยกเซลล์ที่มีชีวิตออกจากเซลล์ตาย นอกจากนี้ยังนำมาใช้ศึกษาการตอบสนองของเซลล์ต่อสารพิษกับงานด้านพิษวิทยาได้อีกด้วย.

 

เรียบเรียงโดย สิทธิศักดิ์  ปุยอ๊อก

mailto:sittisak@cri.or.th

 

 

ตารางที่ 1: แสดงการเปรียบเทียบพฤติกรรมระหว่างปรากฏการณ์ไดอิเลคโตรโฟเลซีส และอิเลคโตรโฟเลซีส

ลักษณะ	Electrophoresis	Dielectrophoresis
1. ชนิดของอนุภาคทรงกลม	มีประจุ	เป็นกลาง(บวก-ลบเท่ากัน)
2. สนามไฟฟ้า	ไม่สม่ำเสมอหรือสม่ำเสมอ	ไม่สม่ำเสมอ.
3. ชนิดของสนามไฟฟ้า	กระแสตรง	กระแสตรงหรือกระแสสลับ
4. ทิศทางของการเคลื่อนที่	วิ่งเข้าหาขั้วตรงข้ามเสมอ ถ้าวางอนุภาคไว้ในสนามไฟฟ้ากระแสสลับมันจะไม่เคลื่อนที่	วิ่งไปยังขั้วที่มีความเข้มของสนามไฟฟ้ามากเสมอถึงแม้ว่าจะมีสลับขั้วของสนามไฟฟ้า

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

รูปที่ 1. ปรากฏการณ์ไดอิเลคโตรโฟเลซีสของอนุภาคในสนามไฟฟ้า (คัดลอกจาก 4)

 

 

รูปที่ 2. ชนิดของปรากฏการณ์ไดอิเลคโตรโฟเลซีส (คัดลอกจาก 5) a) ไดอิเลคโตรโฟเลซีสชนิดลบ (อนุภาคเคลื่อนที่เข้าหาขั้วบวก) b) ไดอิเลคโตรโฟเลซีสชนิดบวก (อนุภาคเคลื่อนที่เข้าหาขั้วลบ) ทั้งสองชนิดเกิดจากสนามไฟฟ้าที่ไม่สม่ำเสมอแต่สิ่งที่ต่างกันคืออนุภาคทรงกลมในรูป a เกิด polarization น้อยกว่าค่า polarization ของตัวกลางส่วนในรูป b นั้นอนุภาคทรงกลมกลับมีค่า polarization ที่มากกว่า polarization ของตัวกลาง สำหรับท่านที่สนใจชมภาพวีดิทัศน์แสดงการเคลื่อนที่ทั้งชนิดลบและบวกสามารถรับชมได้ที่เวปไซต์ http://www.dielectrophoresis.org/PagesMain/DEP.htm

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

รูปที่ 3 การเปรียบเทียบพฤติกรรมของอนุภาคทรงกลมที่เป็นกลาง(ขนาดใหญ่)กับอนุภาคที่มีประจุ(ขนาดเล็ก)วางอยู่ในสนามไฟฟ้าที่ไม่สม่ำเสมอจะเห็นว่าไม่ว่าจะกลับขั้วของสนามไฟฟ้าอย่างไรอนุภาคทรงกลมที่เป็นกลางจะเคลื่อนที่ไปทางซ้ายเสมอในขณะที่อนุภาคที่มีประจุจะเคลื่อนที่ตามขั้วสนามไฟฟ้า (คัดลอกจาก 1).

 

 

รูปที่ 4 ภาพแสดงการจัดเรียงขั้วไฟฟ้าแบบ electrorotation (คัดลอกจาก 6).

 

 

รูปที่ 5 ภาพแสดงการจัดเรียงขั้วไฟฟ้าแบบ traveling wave DEP (คัดลอกจาก 6).

 

 

 

รูปที่ 6 ลักษณะการจัดวางขั้วไฟฟ้าแบบ quadrupole.

 

 

 

 

 

 

 

 

รูปที่ 7 ลักษณะการจัดวางขั้วไฟฟ้าแบบ A) interdigitated castellated และ B) spiral microelectrode (คัดลอกจาก 7).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

รูปที่ 8 ภาพแสดงเครื่องมือสำหรับการทดลองไดอิเลคโตรโฟเลซีส.

 

 

รูปที่ 9 แสดงการใช้ไดอิเลคโตรโฟเลซีสในการแยกเซลล์ E. Coli ที่มีชีวิต (สีเขียว) ออกจากเซลล์ตาย (สีแดง) โดยเรียงลำดับจากซ้าย(a)เซลล์ภายใต้สภาวะสนามไฟฟ้าต่ำถึงสูง(c) (คัดลอกจาก 2).

เอกสารอ้างอิง

1.      Pohl, H.A. (1978). Dielectrophoresis the behavior of neutral matter in nonuniform electric fields. Cambridge University Press. Cambridge.

2.      Lapizco-Encinas, B.H., Simmons, B.A., Cummings, E.B. and Fintschenko, Y. (2004). “Dielectrophoretic concentration and separation of live and dead bacteria in an array of insulators” Anal. Chem. 76:1571-1579. Available online: http://www.ca.sandia.gov/chembio/microfluidics/pdfs/DielectroPre.pdf [Date: May 2, 2005].

3.      Kua, C.H., Lam, Y.C., Yang, C. and Youcef-Toumi, K. (2004). “Review of bio-particle manipulation using dielectrophoresis”. Available online: http://dspace.mit.edu/bitstream/1721.1/7464/1/IMST026.pdf [Date: May 2, 2005].

4.      The University of Texas, MD Anderson Cancer Center (2002). “A DEP Primer”.  Available online: http://www.dielectrophoresis.org/PagesMain/DEP.htm [Date: May 6, 2005].

5.      Zelena, J. (2002). “Electrokinetics of microparticles using AC dielectrophoresis”. Available online: http://www.ee.upenn.edu/~sunfest/pastProjects/Papers02/JohnZ.pdf [Date: May 9, 200].

6.      Hughes, M.P. (2003). “ AC electrokinetics: applications for nanotechnology”. Available online: http://www.foresight.org/Conferences/MNT7/Papers/Hughes/index.html. [Date: 01, 2003].

7.      Goater, A.D., Burt, J.P.H. and Pethig, R. (1997). “Rapid communication-A combined traveling wave dielectrophoresis and electrorotation device: applied to the concentration and viability determination of Cryptosporidium”. J. Phys. D:Appl. Phys. 30, L65-L69.

8.      Markx, G.H. and Pething, R. (1995). “Dielectrophoretic separation of cells: continuous separation”. Biotechnol. Bioeng., 45, 337-343.

9.      Ratanachoo K, Gascoyne PR, Ruchirawat M. (2002). “Detection of cellular responses to toxicants by dielectrophoresis”. Biochim Biophys Acta.;1564(2):449-58.

10. Huang, Y., Yang, J. Wang, X.B., Becker, F.F. and Gascoyne P.R.C. (1999). “The removal of human breast cancer cells from hematopietic CD34⁺ stem cells by dielectrophoretic field-flow-fractionation”. Journal of Hematotherapy & Stem Cell research. 8, 481-490.

11. Gascoyne, P.R.C, Pethig, R., Satayavivad, J., Becker, F.F., Ruchirawat, M. (1997). “Dielectrophoretic detection of changes in erythrocyte membranes following malarial infection”. Biochimica Et Biophysica Acta, 1323:240-252.

12. Kua, C.H., Lam, Y.C., Yang, C. and Youcef-Toumi, K. (2005). “Review of bio-particle manipulation using dielectrophoresis”. Available online: https://dspace.mit.edu/bitstream/1721.1/7464/1/IMST026.pdf.

13. Wang, Z., Hansen, O., Peterson, P.K., Rogeberg, A., Kutter, J.P., Bang, D.D. and Wolff, A. (2006). “Dielectrophoresis microsystem with integrated flow cytometers for on-line monitoring of sorting efficiency”. Electrophoresis, 27, 5081-5092.

14. Dalton, C., Goater, A.D., Burt, J.P.H.and Smith, H.V. (2004). “Analysis of parasites by electrorotation”. J. Appl. Micorbiol. 96, 24-32.

15. Gascoyne, P., Satayavivad, J. and Ruchirawat, M. (2004). “Microfluidic approaches to malaria detection”. Acta Tropica, 89, 357-369.

16. Gascoyne, P and Vykoukal, J. (2002). “ Particle separation by dielectrophoresis”. Electrophoresis, 23, 1973-1983.

17. Green, N.G. and Morgan, H. (1997). “Dielectrophoretic separation of nano-particles”. J. Phys. D: Appl. Phys., 30, L41-L44.

18. Goater, A.D., Burt, J.P.H. and Pething, R. (1997). “A combined traveling wave dielectrophoresis and electrorotation device: applied to the concentration and viability determination of Cryptosporidium”. J. Phys. D: Appl. Phys., 30, L65-69.

19. Suehiro, J, Hamada, R., Noutomi, D., Shutou, M. and Hara, M. (2003). “Selective detection of viable bacteria using dielectrophoretic impedance measurement method”. Journal of Electrostatics, 52(2), 157-168.

20. Wang, X. Becker, F.F. and Gascoyne, P.R.C. (2002). “Membrane dielectric changes indicate induced apoptosis in HL-60 cells more sensitively than surface phosphatidylserine expression or DNA fragmentation”. BBA. 1564, 412-420.