Презентация на тему Диэлектрофорез: движение клеток или частиц в неоднородном переменном электрическом поле

частотах клетка ведет себя как непроводящая сфера в проводящей

среде.
Дипольный момент ориентирован против поля ω << ω1 α < 0

+

–

–

+

+

–

На высоких частотах клетка ведет себя как проводящая сфера в плохо проводящей среде. Дипольный момент ориентирован параллельно полю
ω1 < ω < ω2 α > 0

При сверхвысоких частотах поляризация клетки пренебрежимо мала
ω >> ω2 α = 0

d = α∙E

d = α∙E

балансом между силой ДЭФ и силой вязкого трения
F =

6 π r v η
FDEP = k grad E2
η – вязкость; r – радиус

Зависимость диэлектрофореза от частоты эл поля

При частоте ω1 токи, текущие через клетку и в обход нее равны

В грубом приближении

Сm – емкость мембраны; σ – проводимость среды

R =XC = (ω С)–1

См/м
Ф/м2
м
Гц

о том, что С не зависит от частоты далеко

от реальности.

R

C

ω

j2 = -1

‌‌ Z ‌

По определению импеданса

(f~ 1Hz)
Вращение против
поля
Lg частоты
Вращение по полю
Число оборотов в сек
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

300 mV
Fэл
Fупр
Fэл = Fупр баланс сил эл. сжатия

и упругости ? коллапс

+

–

Электрострикция мембран: электромеханическая модель пробоя

Q=φ C
IC = dQ/dt =
= C dφ/dt + φ dC/dt

h

ho

Из условия баланса сил найдем критическое сжатие α* = h/ho, при котором происходит пробой диэлектрика. α – относительная деформация α = h/ho.
Эл. сила: F = dW/dh, где W – энергия конденсатора.
Сила упругости: пропорциональна относительной деформации (закон Гука).

ε

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.

α = h/ho.

2α lnα + α = 0
2 lnα +1 =

0
lnα = –0.5 α = exp (–0.5 ) = 0.607

Пик на кривой соответствует макс-му сжатию мембраны. Левая ветвь графика не имеет физ. смысла.

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.

Изменение энергии мембраны при появлении в ней сквозной

поры с радиусом r:

- линейное натяжение

Conclusion: the life time of BLM
in the electric field depends primarily on linear tension of the pore γ, which depends on the
shape of phospholipid molecules.

С = Сm(εw/εm–1) изменение Сm при замене липида на воду

r* – критический радиус
уменьшается при φ ≠ 0

Энергия активации для перехода через барьер также снижается при φ ≠ 0

Радиус r* находим из условия
dW/dr = 0

R-

ΔWo*

в эл. поле
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.

PE

PC+LPC

поры в БЛМ:
Трансформация гидрофобной поры в гидрофильную
Профиль энергии включает

два максимума: промежуточный минимум отражает временную стабилизацию системы ( БЛМ с гидрофильной порой).

Гидрофобная пора

Гидрофильная пора

жизни
ток
ток
Напря-жение
необратимый
обратимый
время
время

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 мВ)

эл поле Е.
Визуализация потенциала с помощью потенциал- чувствительного красителя
(di-8-ANEPPS)
Имитация

пробоя методом мол. динамики

Эл пробой мембранных везикул и целых клеток

Липосомы в эл поле

E

n

θ

Δφ =1.5 RE cosθ

оболочки)


+
−






Флуоресценция Хл
1 кВ/см
2 кВ/см
Эл.-инд. набухание
Как объяснить набухание?

Δφ =

1.5 r E cosθ

0.5 c

Свет

Импульс
эл.поля Е

после импульса (2.2 кВ, 0.3 мс)
контакт
выступ
Сталк (полу-слияние)
перегородка

Слияние
(пора)

(3) Гидратные силы

отталкивания

P0 = 2.5∙108 Па, L = 0.35 нм
h – расстояние между бислоями.
(ван-дер-Вальс)

Образование зиготы, экзо/эндоцитоз, синаптическая передача, проникновение патогенов.

Слиянию способствуют: гидростат давление, осмотическое давление (дегидратация посредством ПЭГ), эл поле, Са2+, нагревание. Зависит от геометрии липидных молекул.

(1) Мол притяжение (ван-дер-Ваальс): Fm = A / (6πh3); h - расстояние между мембранами (2) Электростат. отталкивание