微小的便携式“实验室”用电分类细菌

(2024-12-08 10:54:26)

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微小的便携式“实验室”用电分类细菌

By Blanca H. Lapizco-Encinas

published 1 hour ago

Health

病原体有分明的电荷、形状和大小。测量它们穿过一个电场多快移动能帮助研究人员在几分钟内分离一个样品中的不同物种。

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微流体用微小通道（红色和蓝色）来加速生物分子如 DNA 和蛋白质）的分析。 (Image credit: Thom Leach/Science Photo Library via Getty Images)

当您想到电场时您可能想到电——通过为从家用电器到手机一切提供动力使现代生活成为可能的东西。自 1600 年代以来，研究人员一直在研究电的原理。以他的风筝实验闻名的本杰明·富兰克林（Benjamin Franklin）证明了闪电真的是电的。

电还已经使生物学的重大进步成为可能。一种叫电泳的技术允许科学家能够通过用它们的电荷分离它们来分析分子生命的分子DNA 和蛋白质。电泳不仅常见被在高中生物学中教导，而且它也是许多临床和研究实验室包括我的实验室的主力。

我是一名用微小化电泳系统工作的生物医学工程教授。我和我的学生一起开发这些快速检测病原体并帮助研究人员对抗它们的装置的便携式版本。

什么是电泳

研究人员在 19 世纪通过对粘土颗粒施加电压并观察它们如何穿过一个沙层迁移发现了电泳。经过 20 世纪的进一步进步，电泳变成实验室中的标准。

要了解电泳如何工作，我们首先需要来解释电场。这些是带电粒子例如质子和电子在彼此上施加的看不见的力。例如，一个带正电荷的粒子会被朝向有一个负电荷的粒子吸引。“异性相吸”的法则应用在这里。分子也能有一个电荷，它是正的还是负的取决于构成它的原子的类型。

在电泳中，一个电场被在连接到一个电源的两个电极之间产生。一个电极有一个正电荷，另一个有一个负电荷。它们被位于一个装满水和一点盐的容器的两侧，这些能导电。

当在水中带电分子如 DNA 和蛋白质存在时电极创造一个它们之间将带电粒子推向带相反电荷的电极的力场。这个过程称为电泳迁移。

病原体有不同的电荷，能被通过测量它们多快移动通过电泳来分离。 (Image credit: Blanca H. Lapizco-Encinas, CC BY-SA)

研究人员喜欢电泳，因为它是快速的和灵活的。电泳能帮助分析从分子到微生物的分明类型的颗粒。此外，电泳能被用纸、凝胶和细管等材料进行。

1972 年，物理学家杜金（Stanislav Dukhin）和他的同事观察到另一种不仅可以通过它们的电荷还可以通过它们的大小和形状来分离粒子叫非线性电泳的电泳迁移。

电场和病原体

电泳中的进一步进步已经使它成为一种对抗病原体的有用工具。特别是微流体革命允许研究人员来快速检测病原体的微型实验室成为可能。

1999 年，研究人员发现了这些微小的电泳系统还可以通过它们电荷中的差异分离完整的病原体。他们在一个非常细的玻璃毛细管中放入几种细菌的混合物然后暴露到一个电场。由于它们的分明的电荷，一些细菌比其他细菌更快退出了这种装置，使通过类型分离微生物成为可能。测量它们的迁移速度允许了科学家能够通过一个用了不到 20 分钟的过程来识别在样品中存在的每种细菌。

微流体甚至进一步改进了这一过程。微流体装置是足够小，可以放在您的手掌中。它们的微型尺寸允许它们比传统实验室设备更快来进行分析，因为颗粒不需要旅行穿过装置那么远被分析的。这意味着研究人员正在寻找的分子或病原体是更容易被检测到并且在分析期间不太可能被丢失。

这是一个作者在她的实验室中使用的微流体电泳装置的一个例子。 (Image credit: Alaleh Vaghef-Koodehi, CC BY-SA)

例如，用传统电泳系统分析的样品会需要旅行过长约 11 至31 英寸（30 至 80 厘米）的毛细管。这些能用 40 到50 分钟来处理并且是不可携带的。相比之下，用微型电泳系统分析的样品通过只有 0.4 至2 英寸（1 至 5 厘米）长的微通道迁移。这转变成分析时间约为 2 到3 分钟的小型便携式装置。

非线性电泳通过允许研究人员用病原体的大小和形状来分离和检测病原体使更强大的装置成为可能。我和我的实验室同事表明了将非线性电泳与微流体相结合不仅能分离分明类型的细菌细胞，还可以分离活的和死的细菌细胞。

医学中的微型电泳系统

微流体电泳有跨各个行业是有用的潜力。主要的是这些小型系统能以更快的结果、更大的便利性和更低的成本取代传统的分析方法。