Streaming-Particle Method for Dielectrophoretic Characterization

doi:10.1002/elps.8146

2025-05-05

PRE

A. K. M. Fazlul Karim Rasel

Eron P. Ristich

Mark A. Hayes

Sean L. Seyler *

DOI：10.1002/elps.8146

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摘要

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全面表征生物重要颗粒（包括肽、蛋白质、蛋白质复合物、外泌体、病毒、细胞器及细胞）的细微差异至关重要，因为任何改变均可能影响其功能。详细的生物颗粒表征在生物医学工程、医疗保健、食品科学、天体生物学、环境研究及微生物学等领域具有广泛意义。介电电泳（DEP）基于生物颗粒间的细微结构差异产生特定力，并通过量化颗粒的DEP响应具备实现全表征的潜力。然而，当前DEP技术主要依赖颗粒捕获，存在局限性，尤其对纳米颗粒而言。相比之下，基于流动的DEP测量技术仍待深入探索。本文介绍了一种受物理学（反）经典散射问题启发、基于流动的微流控方法。通过定制化的绝缘体基DEP微通道（iDEP），根据颗粒可预测的偏转幅度量化其DEP敏感性。我们采用有限元分析，对代表性纳米颗粒开展数值散射实验，验证该负DEP方法的可行性。为全面捕捉扩散效应，我们求解稳态斯莫鲁霍夫斯基对流-扩散方程，获取微通道内的浓度场并提取实际散射曲线。此外，通过流线分析研究了无扩散条件下的确定性颗粒轨迹，以支持对流-扩散结果。结果表明，在最优条件下，原型iDEP微通道在包含扩散的情况下仍接近蛋白质DEP表征所需的灵敏度。与现有iDEP设备类似，实际的iDEP散射仪器预计易于操作且成本低廉。结合散射数据的简便处理与解释，iDEP散射技术有望实现高通量、精确的生物颗粒表征。

Keyword:

advection-diffusion

dielectrophoretic susceptibility

electroosmotic flow

microfluidic device

scattering method

streaming dielectrophoresis