當您想到電場時，您可能會想到——透過為從家用電器到手機等各種設備提供動力，使現代生活成為可能的東西。研究人員一直在研究電的原理自1600年代以來。班傑明·富蘭克林因風箏實驗而聞名，證明閃電確實是帶電的。
電也使生物學取得了重大進展。一種技術稱為電泳讓科學家能夠分析生命分子——和蛋白質——透過它們的電荷來分離它們。電泳不僅在高中生物學中廣泛教授，也是許多臨床和研究實驗室的主力，包括我的。
我是一個生物醫學工程教授他從事微型電泳系統的工作。我和我的學生一起開發了這些設備的便攜式版本，可以快速檢測病原體並幫助研究人員對抗它們。
什麼是電泳？
研究人員發現電泳在19世紀透過對黏土顆粒施加電壓並觀察它們如何遷移穿過沙層。經過 20 世紀的進一步發展，電泳已成為實驗室的標準。
要了解電泳的工作原理，我們首先需要解釋一下電場。這些是帶電粒子（例如質子和電子）相互施加的看不見的力。例如，帶正電荷的粒子會被帶負電荷的粒子吸引。 「異性相吸」法則在這裡適用。分子也可以帶電荷；是積極的還是消極的取決於類型彌補了這一點。
凝膠電泳 - YouTube
在電泳中，連接到電源的兩個電極之間產生電場。一個電極帶正電荷，另一個電極帶負電荷。它們被放置在一個裝滿水和一點點鹽的容器的兩側，鹽可以導電。
當帶電分子如DNA和當水中存在粒子時，電極之間會產生力場，將帶電粒子推向帶相反電荷的電極。這個過程稱為電泳遷移。
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研究人員喜歡電泳，因為它快速且靈活。電泳可以幫助分析從分子到微生物的不同類型的顆粒。此外，可以用紙、凝膠和細管等材料進行電泳。
1972年，物理學家斯坦尼斯拉夫·杜欣和他的同事觀察到另一種類型的電泳遷移，稱為非線性電泳它不僅可以透過顆粒的電荷來分離顆粒，還可以透過顆粒的大小和形狀來分離顆粒。
電場和病原體
電泳的進一步進步使其成為對抗病原體的有用工具。特別是，微流體革命使小型實驗室使研究人員能夠快速檢測病原體。
1999 年，研究人員發現這些微型電泳系統還可以分離完整的病原體通過它們的電荷差異。他們將幾種細菌的混合物放入非常薄的玻璃毛細管中，然後將其暴露在電場中。一些由於它們具有不同的電荷，它們比其他設備更快地離開設備，從而可以按類型分離微生物。測量細菌的遷移速度使科學家能夠透過不到 20 分鐘的過程來識別樣本中存在的每種細菌。
微流體技術進一步改進了這個過程。微流體裝置足夠小，可以放在手掌中。它們的微型尺寸使它們能夠比傳統實驗室設備更快地進行分析，因為顆粒不需要在設備中移動那麼遠才能進行分析。這意味著研究人員正在尋找的分子或病原體更容易被檢測到，並且在分析過程中遺失的可能性更小。
例如，使用傳統電泳系統分析的樣本需要穿過約 11 至 31 英吋（30 至 80 公分）長的毛細管。這些可能需要 40 到 50 分鐘來處理，並且不可攜帶。相比之下，分析的樣品微型電泳系統遷移通過長度僅為 0.4 至 2 英吋（1 至 5 公分）的微通道。這意味著小型便攜式設備的分析時間約為兩到三分鐘。
非線性電泳使研究人員能夠根據病原體的大小和形狀分離和檢測病原體，從而實現更強大的設備。我和我的實驗室同事證明，將非線性電泳與微流體結合不僅可以分離不同類型的細菌細胞但是也活的和死的細菌細胞。
醫學中的微型電泳系統
微流體電泳具有跨產業應用的潛力。主要是，這些小型系統可以取代傳統的分析方法更快的結果、更大的便利性和更低的成本。
例如，當測試抗生素的功效，這些微型設備可以幫助研究人員快速判斷病原體在治療後是否會死亡。它還可以透過快速區分正常細菌和抗生素抗藥性細菌來幫助醫生決定哪種藥物最適合患者。
我的實驗室也致力於開發用於純化的微電泳系統噬菌體病毒可以用來治療細菌感染。
隨著進一步發展，電場和微流體的力量可以加快研究人員檢測和對抗病原體的速度。
