微型便携式“实验室”利用电力对细菌进行分类

病原体具有不同的电荷、形状和大小。测量它们在电场中移动的速度可以帮助研究人员在几分钟内分离样品中的不同物种。

当您想到电场时，您可能会想到电——它为从家用电器到手机的一切设备提供动力，使现代生活成为可能。 自 1600 年代起，研究人员就一直在研究电的原理。 本杰明·富兰克林以风筝实验而闻名，他证明闪电确实是带电的。

电还使生物学取得了重大进展。一种称为电泳的技术使科学家能够通过电荷分离生命分子（DNA）和蛋白质来分析它们。电泳不仅在高中生物学中广泛教授，而且也是许多临床和研究实验室（包括我的实验室）的主力。

我是一名生物医学工程教授，研究微型电泳系统。我和我的学生一起开发了这些设备的便携式版本，可以快速检测病原体并帮助研究人员对抗它们。

什么是电泳？

研究人员在 19 世纪通过向粘土颗粒施加电压并观察它们如何在沙层中迁移而发现了电泳。经过 20 世纪的进一步发展，电泳已成为实验室的标准。

要了解电泳的工作原理，我们首先需要解释电场。这些是带电粒子（例如质子和电子）相互施加的看不见的力。例如，带正电荷的粒子会被带负电荷的粒子吸引。 “异性相吸”法则在这里适用。分子也可以带电荷；它是更积极还是更消极取决于组成它的原子类型。

在电泳中，连接到电源的两个电极之间产生电场。一个电极带正电荷，另一个电极带负电荷。它们被放置在一个装满水和一点点盐的容器的两侧，盐可以导电。

当水中存在 DNA 和蛋白质等带电分子时，电极之间会产生力场，将带电粒子推向带相反电荷的电极。这个过程称为电泳迁移。

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研究人员喜欢电泳，因为它快速且灵活。电泳可以帮助分析从分子到微生物的不同类型的颗粒。此外，可以用纸、凝胶和细管等材料进行电泳。

1972 年，物理学家 Stanislav Dukhin 和他的同事观察到另一种类型的电泳迁移，称为非线性电泳，它不仅可以通过粒子的电荷来分离粒子，还可以通过粒子的大小和形状来分离粒子。

电场和病原体

电泳的进一步进步使其成为对抗病原体的有用工具。特别是，微流体革命使微型实验室成为可能，使研究人员能够快速检测病原体。

1999 年，研究人员发现这些微小的电泳系统还可以通过电荷差异分离完整的病原体。他们将几种细菌的混合物放入非常薄的玻璃毛细管中，然后将其暴露在电场中。由于电荷不同，一些细菌比其他细菌更快地离开设备，从而可以按类型分离微生物。测量细菌的迁移速度使科学家能够通过不到 20 分钟的过程识别样本中存在的每种细菌。

微流体技术进一步改进了这一过程。微流体装置足够小，可以放在手掌中。它们的微型尺寸使它们能够比传统实验室设备更快地进行分析，因为颗粒不需要穿过设备那么远才能进行分析。这意味着研究人员正在寻找的分子或病原体更容易被检测到，并且在分析过程中丢失的可能性更小。

例如，使用传统电泳系统分析的样品需要穿过约 11 至 31 英寸（30 至 80 厘米）长的毛细管。这些可能需要 40 到 50 分钟来处理，并且不可携带。相比之下，使用微型电泳系统分析的样品会迁移通过仅 0.4 至 2 英寸（1 至 5 厘米）长的微通道。这意味着小型便携式设备的分析时间约为两到三分钟。

非线性电泳使研究人员能够根据病原体的大小和形状分离和检测病原体，从而实现更强大的设备。我和我的实验室同事证明，将非线性电泳与微流体相结合不仅可以分离不同类型的细菌细胞，还可以活的和死的细菌细胞。

医学中的微型电泳系统

微流体电泳具有跨行业应用的潜力。首先，这些小型系统可以取代传统的分析方法，并具有更快的结果、更大的便利性和更低的成本。

例如，在测试抗生素的功效时，这些微型设备可以帮助研究人员快速判断病原体在治疗后是否死亡。它还可以通过快速区分正常细菌和抗生素耐药细菌来帮助医生决定哪种药物最适合患者。

我的实验室还致力于开发用于纯化噬菌体病毒的微电泳系统，该系统可用于治疗细菌感染。

随着进一步发展，电场和微流体的力量可以加快研究人员检测和对抗病原体的速度。

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