當您想到電場時，您可能會想到電- 通過為從家用電器到手機的所有東西，使現代生活成為可能的東西。研究人員一直在研究電原理自1600年代以來。本傑明·富蘭克林以他的風箏實驗而聞名，表明閃電確實是電氣的。
電力也能夠在生物學方面取得重大進展。一種稱為的技術電泳允許科學家分析生命的分子 - 脫氧核糖核酸和蛋白質 - 通過其電荷分開。電泳不僅通常在高中生物學中教授，而且是許多臨床和研究實驗室的主力軍，包括我的。
我是一個生物醫學工程教授誰與微型電泳系統一起工作。我和我的學生一起開發了這些設備的便攜式版本，這些版本迅速檢測病原體並幫助研究人員對抗它們。
什麼是電泳？
研究人員發現了電泳在19世紀通過將電壓施加到粘土顆粒上，並觀察它們如何通過一層沙子遷移。在20世紀進一步發展之後，電泳成為實驗室的標準。
要了解電泳的工作原理，我們首先需要解釋電場。這些是帶電顆粒（例如質子和電子）相互施加的無形力。例如，具有正電荷的粒子將被吸引到具有負電荷的粒子上。 “對立吸引”的定律在這裡適用。分子也可以有電荷；是更正面還是負面取決於原子彌補了這一點。
凝膠電泳 - YouTube
在電泳中，在連接到電源的兩個電極之間產生了電場。一個電極具有正電荷，另一個電極具有負電荷。它們位於裝滿水和一點點鹽的容器的相對側，這些鹽會導致電力。
當帶電的分子（例如DNA和）蛋白質電極存在於水中，在它們之間產生了一個力場，將帶電的顆粒推向相對帶電的電極。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。電泳可以幫助分析不同類型的顆粒，從分子到微生物。此外，可以用紙，凝膠和薄管等材料進行電泳。
1972年，物理學家Stanislav Dukhin他的同事觀察到另一種類型的電泳遷移稱為非線性電泳這不僅可以通過電荷，而且可以通過其大小和形狀來分開。
電場和病原體
電泳的進一步發展使其成為抵抗病原體的有用工具。特別是微流體革命使之成為可能微小的實驗室這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小的電泳系統也可以單獨的完整病原體通過其電荷的差異。他們將幾種類型細菌的混合物放在非常薄的玻璃毛細管中，然後暴露於電場。一些細菌由於其明顯的電荷，因此比其他設備更快地離開了設備，因此可以按類型分離微生物。測量其遷移速度使科學家可以通過不到20分鐘的過程來鑑定樣品中存在的每種細菌。
微流體技術進一步改善了這一過程。微流體設備足夠小，足以適合您的手掌。它們的微型尺寸使他們可以執行比傳統實驗室設備快得多的分析，因為顆粒不需要穿過可以分析的設備傳播那麼遠。這意味著分子或病原體研究人員正在尋找更容易檢測到的，並且在分析過程中丟失的可能性較小。
例如，使用常規電泳系統分析的樣品需要穿過約11至31英寸（30至80厘米）長的毛細管。這些可能需要40到50分鐘才能進行處理，並且無法便攜。相比之下，分析的樣品微小的電泳系統通過僅0.4至2英寸（1至5厘米）的微通道遷移。這轉化為小型便攜式設備，分析時間約為兩到三分鐘。
非線性電泳通過允許研究人員通過其大小和形狀分離和檢測病原體來實現更強大的設備。我和我的實驗室同事表明，將非線性電泳與微流體組合不僅可以不同類型的細菌細胞但是也活細胞和死細菌細胞。
醫學中的微型電泳系統
微流體電泳有可能在整個行業中有用。主要是，這些小型系統可以用更快的結果，更大的便利性和更低的成本。
例如，什麼時候測試抗生素的功效，這些微小的設備可以幫助研究人員快速告訴病原體治療後是否死亡。它還可以通過快速區分正常細菌和抗生素耐藥細菌來幫助醫生確定哪種藥物最適合患者。
我的實驗室還致力於開髮用於淨化的微電泳系統噬菌體病毒可以用來治療細菌感染。
隨著進一步的發展，電場和微流體學的力量可以加快研究人員檢測和抗擊病原體的速度。
