病原体具有独特的电荷、形状和大小。通过测量它们在电场中的迁移速度，研究人员可以在几分钟内从样本中分离出不同的物种。
当你想到电场时，你可能首先会想到电力——这种使现代生活成为可能的能量，从家用电器到手机都离不开它。研究人员自17世纪以来一直在研究电学原理。本杰明·富兰克林因风筝实验而闻名，他证明闪电确实是电气现象。
电力还推动了生物学的重大进展。一种称为电泳的技术允许科学家通过电荷分离来分析生命分子——DNA和蛋白质。电泳不仅在高中生物课上常见，而且也是许多临床和研究实验室的常用工具，包括我的实验室。
我是一名生物医学工程教授，专门研究微型化电泳系统。我和我的学生们共同开发了这些设备的便携版本，可以快速检测病原体，帮助研究人员对抗它们。
什么是电泳？
研究人员在19世纪通过在粘土颗粒上施加电压并观察它们在沙层中的迁移发现了电泳。经过20世纪的进一步发展，电泳成为实验室的标准技术。
要理解电泳的工作原理，我们首先需要解释电场。电场是由带电粒子（如质子和电子）相互作用产生的无形力。例如，带正电的粒子会被带负电的粒子吸引。这里适用“异性相吸”的规律。分子也可以带有电荷；其正负取决于构成它的原子类型。
在电泳中，两个连接到电源的电极之间会产生电场。一个电极带正电，另一个带负电。它们位于装有水和少量盐的容器两侧，盐可以导电。
当带电分子如DNA和蛋白质存在于水中时，电极会在它们之间产生一个力场，将带电粒子推向相反电荷的电极。这个过程称为电泳迁移。
电泳的发展
研究人员喜欢电泳，因为它快速且灵活。电泳可以帮助分析不同类型的粒子，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·杜金和他的同事们观察到了另一种称为非线性电泳的电泳迁移，它可以按电荷、大小和形状分离粒子。
电场和病原体
电泳的进一步发展使其成为对抗病原体的有力工具。特别是，微流控技术的进步使得小型实验室成为可能，这些实验室可以快速检测病原体。
1999年，研究人员发现这些微型电泳系统还可以通过电荷差异分离完整的病原体。他们将多种细菌混合物置于非常细的玻璃毛细管中，然后暴露于电场。由于电荷的不同，一些细菌离开设备的速度比其他细菌快，从而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在不到20分钟的时间内识别样本中存在的每种细菌。
微流控技术进一步改进了这一过程。微流控设备小到可以放在手掌中。它们的微型尺寸使得分析速度远快于传统实验室设备，因为粒子不需要在设备中移动很远即可被分析。这意味着研究人员寻找的分子或病原体更容易被检测到，且在分析过程中不太可能丢失。
例如，使用传统电泳系统分析的样品需要通过约11至31英寸（30至80厘米）长的毛细管，处理时间约为40至50分钟，且不便于携带。相比之下，使用微型电泳系统分析的样品仅需通过1至5厘米（0.4至2英寸）长的微通道，这使得设备小巧便携，分析时间约为两到三分钟。
非线性电泳通过允许研究人员按大小和形状分离和检测病原体，使得设备更加强大。我和我的实验室同事展示了将非线性电泳与微流控技术结合不仅可以分离不同类型的细菌细胞，还可以分离活细菌和死细菌细胞。
微型电泳系统在医学中的应用
微流控电泳在各个行业都有潜在的应用价值。主要的是，这些小型系统可以替代传统的分析方法，实现更快的结果、更大的便利性和更低的成本。
例如，在测试抗生素的有效性时，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耐药细菌来选择最合适的药物。
我的实验室还在开发用于纯化噬菌体病毒的微电泳系统，这些噬菌体病毒可用于治疗细菌感染。
通过进一步的发展，电场和微流控技术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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