เมื่อคุณนึกถึงสนามไฟฟ้า คุณคงนึกถึง— สิ่งที่ทำให้ชีวิตยุคใหม่เป็นไปได้โดยขับเคลื่อนทุกสิ่งตั้งแต่เครื่องใช้ในครัวเรือนไปจนถึงโทรศัพท์มือถือ นักวิจัยได้ทำการศึกษาหลักการของไฟฟ้าตั้งแต่คริสต์ทศวรรษ 1600-เบนจามิน แฟรงคลินซึ่งมีชื่อเสียงจากการทดลองว่าวของเขา แสดงให้เห็นว่าสายฟ้าเป็นไฟฟ้าจริงๆ
ไฟฟ้ายังทำให้เกิดความก้าวหน้าที่สำคัญในด้านชีววิทยาอีกด้วย มีเทคนิคที่เรียกว่าอิเล็กโตรโฟรีซิสช่วยให้นักวิทยาศาสตร์สามารถวิเคราะห์โมเลกุลของสิ่งมีชีวิตได้ —และโปรตีน — โดยการแยกพวกมันด้วยประจุไฟฟ้า อิเล็กโตรโฟเรซิสไม่เพียงแต่สอนกันทั่วไปในชีววิทยาของโรงเรียนมัธยมปลายเท่านั้น แต่ยังเป็นส่วนสำคัญของห้องปฏิบัติการทางคลินิกและการวิจัยหลายแห่งอีกด้วยรวมถึงของฉันด้วย-
ฉันเป็นศาสตราจารย์ด้านวิศวกรรมชีวการแพทย์ซึ่งทำงานร่วมกับระบบอิเล็กโตรโฟเรติกขนาดเล็ก นักเรียนของฉันและฉันร่วมกันพัฒนาอุปกรณ์เหล่านี้ในเวอร์ชันพกพาที่ตรวจจับเชื้อโรคได้อย่างรวดเร็วและช่วยให้นักวิจัยต่อสู้กับพวกมัน
อิเล็กโตรโฟรีซิสคืออะไร?
นักวิจัยค้นพบอิเล็กโทรโฟรีซิสในศตวรรษที่ 19โดยการใช้แรงดันไฟฟ้ากับอนุภาคดินเหนียวและสังเกตการอพยพผ่านชั้นทราย หลังจากความก้าวหน้าเพิ่มเติมในช่วงศตวรรษที่ 20 อิเล็กโทรโฟรีซิสก็กลายเป็นมาตรฐานในห้องปฏิบัติการ
เพื่อให้เข้าใจถึงวิธีการทำงานของอิเล็กโตรโฟรีซิส เราต้องอธิบายก่อนสนามไฟฟ้า- สิ่งเหล่านี้เป็นแรงที่มองไม่เห็นซึ่งอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้า เช่น โปรตอนและอิเล็กตรอน กระทำต่อกันและกัน ตัวอย่างเช่น อนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าเป็นบวก จะถูกดึงดูดเข้าหาอนุภาคที่มีประจุลบ กฎของ "สิ่งที่ตรงกันข้ามดึงดูด" มีผลบังคับใช้ที่นี่ โมเลกุลยังสามารถมีประจุได้ จะบวกหรือลบมากกว่าก็ขึ้นอยู่กับประเภทของที่ประกอบขึ้นมา
เจลอิเล็กโตรโฟรีซิส - YouTube
ในอิเล็กโทรโฟรีซิส สนามไฟฟ้าจะถูกสร้างขึ้นระหว่างอิเล็กโทรดสองอันที่เชื่อมต่อกับแหล่งจ่ายไฟ อิเล็กโทรดอันหนึ่งมีประจุบวกและอีกอันมีประจุลบ วางอยู่ฝั่งตรงข้ามของภาชนะที่เต็มไปด้วยน้ำและเกลือเล็กน้อยซึ่งสามารถนำไฟฟ้าได้
เมื่อมีประจุโมเลกุลเช่น DNA และที่มีอยู่ในน้ำ อิเล็กโทรดจะสร้างสนามแรงระหว่างอิเล็กโทรดที่จะผลักอนุภาคที่มีประจุไปยังอิเล็กโทรดที่มีประจุตรงข้ามกัน กระบวนการนี้เรียกว่าการอพยพด้วยไฟฟ้า-
ที่เกี่ยวข้อง:
นักวิจัยชอบอิเล็กโทรโฟรีซิสเพราะมันรวดเร็วและยืดหยุ่น อิเล็กโทรโฟรีซิสสามารถช่วยวิเคราะห์อนุภาคประเภทต่างๆ ตั้งแต่โมเลกุลไปจนถึงจุลินทรีย์ นอกจากนี้ อิเล็กโตรโฟเรซิสยังสามารถดำเนินการด้วยวัสดุ เช่น กระดาษ เจล และหลอดบางได้
ในปี พ.ศ. 2515 นักฟิสิกส์สตานิสลาฟ ดูคินและเพื่อนร่วมงานของเขาได้สังเกตเห็นการย้ายถิ่นแบบอิเล็กโตรโฟเรติกอีกประเภทหนึ่งที่เรียกว่าอิเล็กโตรโฟรีซิสแบบไม่เชิงเส้นที่สามารถแยกอนุภาคได้ไม่เพียงแต่ด้วยประจุไฟฟ้าเท่านั้น แต่ยังรวมถึงขนาดและรูปร่างด้วย
สนามไฟฟ้าและเชื้อโรค
ความก้าวหน้าเพิ่มเติมของอิเล็กโตรโฟเรซิสทำให้เป็นเครื่องมือที่มีประโยชน์ในการต่อสู้กับเชื้อโรค โดยเฉพาะอย่างยิ่งการปฏิวัติไมโครฟลูอิดิกส์ทำให้เป็นไปได้ห้องปฏิบัติการเล็กๆที่ทำให้นักวิจัยสามารถตรวจจับเชื้อโรคได้อย่างรวดเร็ว
ในปี 1999 นักวิจัยพบว่าระบบอิเล็กโทรโฟรีซิสขนาดเล็กเหล่านี้ก็สามารถทำได้เช่นกันแยกเชื้อโรคที่สมบูรณ์โดยความแตกต่างของประจุไฟฟ้า พวกเขาวางส่วนผสมของแบคทีเรียหลายชนิดลงในเส้นเลือดฝอยแก้วบางๆ จากนั้นจึงสัมผัสกับสนามไฟฟ้า บางออกจากอุปกรณ์ได้เร็วกว่าตัวอื่นเนื่องจากมีประจุไฟฟ้าที่แตกต่างกัน ทำให้สามารถแยกจุลินทรีย์ตามประเภทได้ การวัดความเร็วของการอพยพทำให้นักวิทยาศาสตร์สามารถระบุแบคทีเรียแต่ละสายพันธุ์ที่มีอยู่ในตัวอย่างผ่านกระบวนการที่ใช้เวลาน้อยกว่า 20 นาที
ไมโครฟลูอิดิกส์ปรับปรุงกระบวนการนี้ให้ดียิ่งขึ้นไปอีก อุปกรณ์ไมโครฟลูอิดิกมีขนาดเล็กพอที่จะวางบนฝ่ามือได้ ขนาดที่เล็กช่วยให้วิเคราะห์ได้เร็วกว่าอุปกรณ์ห้องปฏิบัติการทั่วไปมาก เนื่องจากอนุภาคไม่จำเป็นต้องเคลื่อนที่ผ่านอุปกรณ์ไกลขนาดนั้นเพื่อทำการวิเคราะห์ ซึ่งหมายความว่าโมเลกุลหรือเชื้อโรคที่นักวิจัยกำลังมองหานั้นตรวจพบได้ง่ายกว่าและมีโอกาสสูญหายน้อยลงในระหว่างการวิเคราะห์
ตัวอย่างเช่น ตัวอย่างที่วิเคราะห์โดยใช้ระบบอิเล็กโทรโฟเรซิสแบบธรรมดาจะต้องเดินทางผ่านท่อคาปิลลารีที่มีความยาวประมาณ 11 ถึง 31 นิ้ว (30 ถึง 80 เซนติเมตร) อาจใช้เวลาดำเนินการ 40 ถึง 50 นาทีและไม่สามารถพกพาได้ โดยเปรียบเทียบตัวอย่างที่วิเคราะห์ด้วยระบบอิเล็กโตรโฟรีซิสขนาดเล็กย้ายผ่านไมโครช่องที่มีความยาวเพียง 0.4 ถึง 2 นิ้ว (1 ถึง 5 เซนติเมตร) ซึ่งแปลงเป็นอุปกรณ์พกพาขนาดเล็กที่มีเวลาในการวิเคราะห์ประมาณสองถึงสามนาที-
อิเล็กโตรโฟรีซิสแบบไม่เชิงเส้นทำให้อุปกรณ์มีประสิทธิภาพมากขึ้นโดยช่วยให้นักวิจัยสามารถแยกและตรวจจับเชื้อโรคตามขนาดและรูปร่างได้ ฉันและเพื่อนร่วมงานในห้องปฏิบัติการได้แสดงให้เห็นว่าการรวมอิเล็กโตรโฟรีซิสแบบไม่เชิงเส้นกับไมโครฟลูอิดิกไม่เพียงแต่สามารถทำได้เท่านั้นแยกเซลล์แบคทีเรียชนิดต่าง ๆ ออกจากกันแต่ยังเซลล์แบคทีเรียที่มีชีวิตและเซลล์ที่ตายแล้ว-
ระบบอิเล็กโตรโฟเรซิสขนาดจิ๋วในการแพทย์
อิเล็กโทรโฟเรซิสแบบไมโครฟลูอิดิกมีศักยภาพที่จะเป็นประโยชน์ในอุตสาหกรรมต่างๆ โดยพื้นฐานแล้ว ระบบขนาดเล็กเหล่านี้สามารถแทนที่วิธีการวิเคราะห์แบบเดิมๆ ได้ผลลัพธ์ที่เร็วขึ้น สะดวกยิ่งขึ้น และต้นทุนที่ลดลง-
เช่น เมื่อใดทดสอบประสิทธิภาพของยาปฏิชีวนะอุปกรณ์ขนาดเล็กเหล่านี้สามารถช่วยให้นักวิจัยบอกได้อย่างรวดเร็วว่าเชื้อโรคตายแล้วหลังการรักษาหรือไม่ นอกจากนี้ยังสามารถช่วยให้แพทย์ตัดสินใจได้ว่ายาชนิดใดที่เหมาะสมที่สุดสำหรับผู้ป่วยโดยแยกแยะความแตกต่างระหว่างแบคทีเรียปกติและแบคทีเรียที่ดื้อยาปฏิชีวนะได้อย่างรวดเร็ว
ห้องปฏิบัติการของฉันกำลังพัฒนาระบบไมโครอิเล็กโทรโฟรีซิสสำหรับการทำให้บริสุทธิ์ด้วยไวรัสแบคทีเรียที่สามารถนำไปใช้ได้รักษาการติดเชื้อแบคทีเรีย-
ด้วยการพัฒนาเพิ่มเติม พลังของสนามไฟฟ้าและไมโครฟลูอิดิกสามารถเร่งวิธีที่นักวิจัยตรวจจับและต่อสู้กับเชื้อโรคได้
บทความแก้ไขนี้เผยแพร่ซ้ำจากการสนทนาภายใต้ใบอนุญาตครีเอทีฟคอมมอนส์ อ่านบทความต้นฉบับ-
