Dielektroforeza

Dielektroforeza je definirana kao kretanje električki polarizirane čestice u neuniformnom električnom polju.

Hemijski i fizički principi

Ključ za razumijevanje dielektroforeze je distribucija naboja na površini između dva materijala različite provodljivosti i/ili propustljivosti. Dva materijala mogu biti naprimjer čestice (npr. lateks perle ili ćelije) i elektrolita (kao što je naprimjer kalij-hlorid). Kada se oni nađu u električnom polju, naboji se kreću i akumuliraju na površini između čestica i elektrolita. Količina naboja na površini zavisi od snage polja i električnih osobina (provodljivosti i propustljivosti) čestice i elektrolita. Međutim, također se može javiti i neznatna asimetrija u gustoći naelektrisanja na čestici. Ona proizvodi inducirani dipol preko cijele čestice. Međutim, ukoliko se polje ukloni, dipol nestaje. Magnituda momenta dipola zavisi od količine naelektrisanja koje se kreće i veličine čestice. Za sferične čestice u elektrolitu koje su izložene ravnomjernom električnom polju, mogu se razmatrati tri slučaja:

Ako je sposobnost polarizacije čestice mnogo veća nego elektrolita, više naboja će se akumulirati unutar površine nego izvana. Tako je dipol poravnat sa djelujućim poljem. To može biti provodna čestica u izolirajućem mediju ili čestica sa visokom dielektričnom konstantom (propustljivošću) u izolirajućem mediju sa niskom dielektričnom konstantom.
Kada je sposobnost polarizacije čestice znatno manja od elektrolita, neto dipoli pokazuju u suprotnim pravcima.^[1] Ovaj slučaj se javlja kada je izolirajuća sfera suspenzirana u tekućini sa visokom dielektričnom konstantom ili visokom provodljivošću.
Treći slučaj je kada je sposobnost polarizacije čestice i elektrolita ista te nema neto dipola.^[2]

Ovi podaci pokazuju distribuciju naboja u nekoj jedinici vremena. Ako se uzme da primijenjeno polje djeluje u suprotnom pravcu i čekamo dovoljno dugo, pojavit će se suprotna distribucija naboja, sa dipolom u istom relativnom pravcu u odnosu na primijenjeno polje. Nakon što se primijeni polje, naboji se ne kreću odmah, taj proces traje nekoliko milisekundi da se dostigne ravnoteža (ekvilibrij). Pri niskim frekvencijama, kretanje slobodnih naboja zadržava brzinu promjenom polja. Međutim, kako se frekvencija polja povećava, time se dolazi do tačke kada naboji nemaju dovoljno vremena za odgovor. Pri vrlo visokim frekvencijama, kretanje slobodnih naboja više nije dominantni mehanizam odgovoran za promjenu površine, umjesto njega, dominira polarizacija veza naboja (propustljivost). Razlika između ta dva stanja se naziva dielektrična disperzija (raspršenost). Ova slika se može proširiti tako da obuhvati i čestice koje su subjekt neuniformnog (neujednačenog) električnog polja. Također taj podatak pokazuje da je jačina polja na jednoj strani čestice jača nego na drugoj. Time se stvara neravnotežna slika na induciranom dipolu, što uzrokuje kretanje čestice. Taj efekat se naziva dielektroforeza. Ovaj pojam je prvi put upotrijebio Pohl 1950tih.^[3]^[4]

Kada je sposobnost polarizacije čestice veća od medija koji je okružuje, pravac dipola je sa poljem a na česticu djeluje sila zvana pozitivna dielektroforeza (skr. pozitivna DEP). Tada se čestica pomijera prema području jačeg polja. Suprotna situacija daje negativnu DEP a čestica se kreće dalje od područja sa snažnim električnim poljima. Inducirani dipol je također i funkcija frekvencije. Stoga, pravac u kojem se čestica kreće nije samo funkcija osobina čestice i suspendiranog medija, nego i frekvencije primijenjenog polja. To je ujedno i razlog što elektrokinetika naizmjenične struje je veoma korisan alat za manipulaciju i odvajanje čestica.

Reference

^ S. Kakaç; B. Kosoy; D. Li; A. Pramuanjaroenkij (2010): AC Electrokinetic Particle Manipulation in Microsystems u: Microfluidics Based Microsystems: Fundamentals and Applications, Springer Holandija, ISBN 978-90-481-9029-4, str. 481-506, doi:10.1007/978-90-481-9029-4_23
^ Hywel Morgan, Nicolas Green (2014): Dielectrophoresis u: Encyclopedia of Microfluidics and Nanofluidics, Springer SAD, ISBN 978-3-642-27758-0, str. 1-11, doi:10.1007/978-3-642-27758-0_319-2
^ H. A. Pohl, "The Motion and Precipitation of Suspensoids in Divergent Electric Fields", J. Appl. Phys. 22(7), 869–871 (1951).
^ Pohl, H. A., 1958, "Some effects of nonuniform fields on dielectrics", J. Appl. Phys., 29(8), 1182 - 1188.

Literatura

Hywel Morgan, Nicolas Green: Dielectrophoresis u: Dongqing Li (ur.) Encyclopedia of Microfluidics and Nanofluidics, Springer, 2008, ISBN 978-0-387-48998-8, str. 350, 351

[1] S. Kakaç; B. Kosoy; D. Li; A. Pramuanjaroenkij (2010): AC Electrokinetic Particle Manipulation in Microsystems u: Microfluidics Based Microsystems: Fundamentals and Applications, Springer Holandija, ISBN 978-90-481-9029-4, str. 481-506, doi:10.1007/978-90-481-9029-4_23

[2] Hywel Morgan, Nicolas Green (2014): Dielectrophoresis u: Encyclopedia of Microfluidics and Nanofluidics, Springer SAD, ISBN 978-3-642-27758-0, str. 1-11, doi:10.1007/978-3-642-27758-0_319-2

[3] H. A. Pohl, "The Motion and Precipitation of Suspensoids in Divergent Electric Fields", J. Appl. Phys. 22(7), 869–871 (1951).

[4] Pohl, H. A., 1958, "Some effects of nonuniform fields on dielectrics", J. Appl. Phys., 29(8), 1182 - 1188.

[1]

[2]

[3]

[4]