病原体具有不同的电荷、形状和大小。测量它们在电场中的移动速度，可以帮助研究人员在几分钟内分离样品中的不同物种。

当你想到电场时，你可能会想到电 —— 它为从家用电器到手机的一切东西供电，使现代生活成为可能。自17世纪以来，研究人员一直在研究电的原理。因风筝实验而闻名的本杰明·富兰克林证明了闪电确实是电的。

电也使生物学取得了重大进展。一种叫做电泳的技术允许科学家通过电荷分离生命分子 —— DNA和蛋白质 —— 来分析它们。电泳不仅是高中生物课程中常见的内容，也是许多临床和研究实验室的主要内容。

罗切斯特理工学院生物医学工程教授布兰卡·H拉皮兹科-恩西纳斯，研究小型电泳系统。他和他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。

什么是电泳？

19世纪，研究人员通过对粘土颗粒施加电压并观察它们如何在一层沙子中迁移，发现了电泳。经过20世纪的进一步发展，电泳成为实验室的标准。

为了理解电泳是如何工作的，我们首先需要解释电场。这些是带电粒子（如质子和电子）相互施加的看不见的力。例如，一个带正电荷的粒子会被一个带负电荷的粒子所吸引。“异性相吸”法则在这里适用。分子也可以带电荷；它是带正电还是带负电取决于组成它的原子的类型。

在电泳中，电场在连接到电源的两个电极之间产生。一个电极带正电荷，另一个电极带负电荷。它们被放置在一个装满水和少量盐的容器的两侧，这些盐可以导电。

当DNA和蛋白质等带电分子存在于水中时，电极在它们之间产生一个力场，将带电粒子推向相反的电极。这个过程被称为电泳迁移。

研究人员喜欢电泳，因为它快速而灵活。电泳可以帮助分析不同类型的颗粒，从分子到微生物。此外，电泳可以用纸、凝胶和细管等材料进行。

1972年，物理学家斯坦尼斯拉夫·杜欣（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，这种电泳不仅可以通过电荷分离粒子，还可以通过粒子的大小和形状分离粒子。

电场和病原体

电泳技术的进一步发展使其成为对抗病原体的有效工具。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也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在一个非常薄的玻璃毛细管中，然后将其暴露在电场中。由于不同的电荷，一些细菌比其他细菌更快地离开设备，这使得按类型分离微生物成为可能。通过测量它们的迁移速度，科学家们可以在不到20分钟的时间内识别出样品中存在的每种细菌。

微流体技术进一步改进了这一过程。微流体装置小到可以放在你的手掌里。它们的微型尺寸使它们比传统的实验室设备更快地进行分析，因为粒子不需要在设备中移动那么远。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。

例如，使用传统的电泳系统分析样品需要通过大约11到31英寸（30到80厘米）长的毛细管。这些需要40到50分钟来处理，而且不能携带。相比之下，用微型电泳系统分析的样品通过只有0.4到2英寸（1到5厘米）长的微通道迁移。这意味着小型便携式设备的分析时间约为两到三分钟。

非线性电泳通过允许研究人员根据病原体的大小和形状分离和检测病原体，使更强大的设备成为可能。恩西纳斯的实验室同事证明，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。

医学上的微型电泳系统

微流控电泳在各行各业都有应用潜力。首先，这些小型系统可以以更快的结果、更大的便利性和更低的成本取代传统的分析方法。

例如，在测试抗生素的功效时，这些微小的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。它还可以通过快速区分正常细菌和耐药细菌，帮助医生决定哪种药物最适合病人。

布兰卡·H拉皮兹科-恩西纳斯的实验室还致力于开发用于纯化噬菌体病毒的微电泳系统，该系统可用于治疗细菌感染。

随着进一步的发展，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。

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