摘要：当您想到电场时，您可能会想到电——通过为从家用电器到手机的所有事物供电，使现代生活成为可能。自 1600 年代以来，研究人员一直在研究电的原理。本杰明·富兰克林 （Benjamin Franklin） 以其风筝实验而闻名，他证明了闪电确实是电的。

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。

微流体利用微小通道（红色和蓝色）来加速生物分子（如 DNA 和蛋白质）的分析。 （图片来源：Thom Leach/Science Photo Library via Getty Images）

当您想到电场时，您可能会想到电——通过为从家用电器到手机的所有事物供电，使现代生活成为可能。自 1600 年代以来，研究人员一直在研究电的原理。本杰明·富兰克林 （Benjamin Franklin） 以其风筝实验而闻名，他证明了闪电确实是电的。

电力还推动了生物学的重大进步。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很常见，而且也是许多临床和研究实验室（包括我的实验室）的主力军。

我是一名生物医学工程教授，主要研究小型化电泳系统。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。

研究人员在 19 世纪通过对粘土颗粒施加电压并观察它们如何在沙层中迁移来发现电泳。经过 20 世纪的进一步进步，电泳成为实验室的标准。

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）相互施加的无形力。例如，带正电荷的粒子会被带负电荷的粒子吸引。“异性相吸”的定律在这里适用。分子也可以带电荷;它是更积极的还是消极的取决于构成它的原子的类型。

在电泳中，在连接到电源的两个电极之间产生电场。一个电极带正电荷，另一个带负电荷。它们位于装满水和一点盐的容器的两侧，这些容器可以导电。

当水中存在带电分子（如 DNA 和蛋白质）时，电极会在它们之间产生一个力场，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。

病原体具有不同的电荷，可以通过测量它们在电泳中的移动速度来分离。（图片来源： 布兰卡 H. 拉皮斯科-恩西纳斯， CC BY-SA)

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，可以使用纸、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称为非线性电泳的电泳迁移，它不仅可以通过电荷分离粒子，还可以通过它们的大小和形状来分离粒子。

电泳的进一步发展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的差异来分离完整的病原体。他们将几种细菌的混合物放入一个非常薄的玻璃毛细管中，然后暴露在电场中。由于不同的电荷，一些细菌比其他细菌更快地离开设备，因此可以按类型分离微生物。测量它们的迁移速度使科学家能够通过不到 20 分钟的过程识别样品中存在的每种细菌。

微流体进一步改进了这一过程。微流体设备足够小，可以放在您的手掌中。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即可进行分析。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，并且在分析过程中不太可能丢失。

这是作者在实验室中使用的微流体电泳装置的一个例子。（图片来源： Alaleh Vaghef-Koodehi， CC BY-SA)

例如，使用传统电泳系统分析的样品需要穿过长约 11 至 31 英寸（30 至 80 厘米）的毛细管。这些可能需要 40 到 50 分钟来处理，并且不可移植。相比之下，使用微型电泳系统分析的样品通过仅 0.4 至 2 英寸（1 至 5 厘米）长的微通道迁移。这意味着小型便携式设备，分析时间约为 2 到 3 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来分离和检测病原体，从而实现了更强大的设备。我和我的实验室同事表明，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，还可以分离活的和死的细菌细胞。

微流体电泳有可能在各行各业中发挥作用。首先，这些小型系统可以取代传统的分析方法，获得更快的结果、更高的便利性和更低的成本。

例如，在测试抗生素的疗效时，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。它还可以帮助医生通过快速区分正常细菌和抗生素耐药细菌来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可用于治疗细菌感染的噬菌体病毒的微电泳系统。

随着技术的进一步发展，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。

来源：空间科学站