Dielektroforez (DEP)
Güncelleme tarihi: 14 Ağu 2022
Ayça İrgit - Moleküler Biyoloji ve Genetik, Fen - Edebiyat Fakültesi, İstanbul Teknik Üniversitesi
Biyolojide, biyolojik analitlerin mikro yönlendiriciler aracılığı ile bir yerden başka bir yere hareket ettirilmesine dayanan parçacık yönlendirmesi biyokimyasal analizler açısından öneme sahip temel adımlardan biridir. Biyolojik analitlerin yönlendirilmesinde; optik, mekanik, manyetik ve elektrostatik kaynaklı olmak üzere birçok farklı kuvvet kullanılabilmektedir. Elektrostatik kuvvetlere dayalı parçacık yönlendirmesi kendi içinde değişik kuvvetler kullanılarak gerçekleştirilebilmektedir. Dielektroforetik kuvvet ve elektroforetik kuvvetler, elektrostatik yöntemler kullanılarak parçacık ayrıştırılması ve yönlendirilmesinde sıklıkla kullanılan kuvvetler arasında yer almaktadır[1].
Dielektrik kuvvetlere dayanan dielektroforez tekniği, boyutları ya da dielektrik özellikleri farklı parçacıkları ayrıştırmakta kullanılmaktadır[1]. Heterojenik olarak uygulanan bir elektrik alanda parçacıkların boyutlarına ya da dielektrik özelliklerine bağlı olarak farklı büyüklükte dielektroforetik kuvvetlere maruz kalarak farklı yanıtlar oluşturmasına dayanan bu teknik, kuvvet ayrıştırmada etkin bir biçimde kullanılabilmektedir.[1,2]
Şekil1: Dielektrik kuvvet[2].
Şekil1’deki denklemde ifade edilen 𝜀0 ve 𝜀𝑚 sırasıyla havanın ve parçacıkların içinde bulunduğu akışkanın elektriksel geçirgenliğini (permittivity), r parçacığın yarıçapını, 𝛻𝐸2𝑟𝑚𝑠 parçacığın maruz kaldığı homojen olmayan elektrik alanın değişimini göstermektedir. 𝑅𝑒(𝑓𝑐𝑚) ifadesi ise parçacık ve içinde bulunduğu akışkanın dielektrik özelliklerine göre belirlenen ve Clausius Mossotti (CM) faktörü diye adlandırılan bir parametrenin reel sayı kısmını ifade eder. CM faktörünün reel sayı kısmının değeri -0.5 ile 1 arasında değişmektedir. İfade içerisindeki diğer tüm değerler pozitif büyüklükler olduğundan, 𝑅𝑒(𝑓𝑐𝑚) ifadesinin işareti dielektroforetik kuvvetin yönünü belirleyen temel faktördür. Bir parçacık dielektrik özelliklerine göre, dielektroforetik kuvvetin güçlü olduğu (pozitif dielektroforez- pDEF) ya da zayıf olduğu tarafa doğru (negatif dielektroforez- nDEF) yönelim gösterebilmektedir[2].
Dielektroforez tekniği, parçacıkların küresel ve homojen olduğuna dayanmakta olup Şekil1’de ifade edilen denklem küresel ve homojen parçacıklara etki eden dielektroforetik kuvvet ölçümünü vermektedir. Fakat hücreler çoğunlukla küresel ve homojen olmaktan uzak olup çok farklı geometrilerde gözlemlenebilmektedir. Dielektroforez tekniğinin hücreler üzerinde uygulanmasını kolaylaştırmak adına, hücreler küresel ve homojen kabul edilerek iki temel modelleme tipi oluşturulmuştur: tek tabaka modellemesi (single shell modelling) ve çoklu tabaka modellemesi (multiple shell modelling) geliştirilmiştir[2].
Şekil2: Farklı boyut ve/veya dielektrik özelliklere sahip parçacıkların DEF ile ayrıştırılması. (a) elektrik alan uygulanmadığı durumda parçacıklar üzerinde dielektroforetik kuvvet oluşmamaktadır. (b) elektrik alan altında parçacıkların maruz kaldığı kuvvetlerin yönü (üçgen ve yuvarlak parçacıklar) ya da şiddeti (yuvarlak ve yıldız parçacıklar) farklı olabilmektedir[2].
Eğer boyutları aynı, dielektrik özellikleri farklı iki parçacığın birbirinden ayrılma işleminin gerçekleştirilmesi durumunda, öncelikle frekans spektrumunda CM faktörü değişimleri incelenmeli ardından ayrılmanın gerçekleşeceği frekans aralığı belirlenerek dielektroforez tekniği uygulanmalıdır[2].
Şekil3: İki farklı hücrenin CM faktör dağılımı ve DEF kullanılarak ayrılabilecekleri frekans aralığı[2].
Şekil4: Farklı tümör hücresi ve bazı memeli hücrelerinin CM faktör-frekans analizleri sonucu ile belirlenmiş Re(fcm) değerlerini sıfırlayan frekans (geçiş frekansı) değerleri[2].
Şekil1’deki denklemde ifade edildiği üzere, parçacığa uygulanan dielektrik kuvvet parçacığın boyutu ve dielektrik özelliği ile uygulanan dielektrik alanın büyüklüğünden etkilenmektedir. Böylece, DEP tekniği ile farklı boyuttaki farklı hücre tiplerinin ayrıştırılması elektrik alanına farklı yanıt oluşturacak olmalarından dolayı mümkün olmaktadır. Ek olarak, membran ve sitoplazma geçirgenliği, membran kondaktivitesi (conductivity) ve kapasitansı (capacitance) dielektroforez tekniğinde göz önünde bulundurulması gereken ve hücrenin elektrik alnına verdiği yanıta etki eden diğer önemli faktörler arasında bulunmaktadır. Böylece, farklı tür hücreleri ayrıştırmak dışında, değişen morfolojilerine göre farklı yanıtlar oluşturacak olmalarından dolayı aynı hücre tipinin ölü, yaralı, kanserli ve benzeri tipleri de sağlıklı hücrelerden ayrıştırılabilmektedir. DEP tekniği başta kanserli hücrelerin sağlıklı hücrelerden ayrıştırılmasında ve ilaçların etkinliğinin incelenmesinde olmak üzere çeşitli biyolojik çalışmalarda kullanılmaktadır[2].
Dielektroforez tekniğinde, parçacıkların ayrıştırılabilmesi için gerekli elektrik alan değişiminin çok yüksek değerlerde olması, bunun için de potansiyel uygulanacak elektrotlar arasındaki uzaklıkların mikrometre seviyesine kadar inmesi gerekmektedir. Dielektroforetik kuvvet ayrıştırmada etkin bir biçimde kullanılabilmesine rağmen, elektrot geometrisine çok bağlı olması ve hareket ettirmekten çok akış içinde yönlendirme yapması, ayrıca hücreleri ayrıştırmak için elektrik alan gradyanına ihtiyaç duymasından dolayı daha efektif kullanımı için geliştirilmesi gereken bir tekniktir[1].
Referanslar
Yilmaz, G., Bayraktar, E., & Kulah, H. (2010). Charged particle/cell manipulation in spiral microchannels with concentric electrodes. https://doi.org/10.1109/biyomut.2010.5479748.
Özgür, E., Külah, H., Bahrıeh, G., Gündüz, U., Özkayar, G., Colaço, R., Laçın, S. Ö., & Erdem, M. (2015). Kanser ve çoklu ilaç dirençliliği tespiti için mems tabanlı dielektroforetik hücre ayrıştırma sistemi geliştirilmesi. https://app.trdizin.gov.tr/publication/project/detail/TVRRMU56YzM