利用电化学阻抗谱技术对液-液相分离过程进行实时分析

《Microchemical Journal》：Real-time analysis of liquid–liquid phase separation with electrochemical impedance spectroscopy

液液相分离介电光谱-电化学阻抗联用方法研究及其在ATPS系统中的应用，建立理论模型并开发数值模拟，实验验证了该方法的高灵敏度和低检测限特性。

　　

梁金明|赵伟杰|刘凯|孙波|朱成军|姚家锋

南京航空航天大学机械与电气工程学院，南京，210016，中国

摘要

本研究提出了一种基于电化学阻抗谱（EIS）的介电光谱（DS）方法，用于实时监测液-液相分离（LLPS）过程。首先引入了一个理论框架，称为DS-LLPS理论，以系统地描述LLPS过程中介电性质的变化。然后通过整合Cole-Cole理论和Hanai介电理论，开发了DS-LLPS模型，从而能够计算不同LLPS阶段的阻抗。数值结果用于推导松弛频率$f_r$、松弛阻抗$Z_r$和相体积分数$?$之间的功能关系，为解释实验数据提供了依据。随后使用EIS监测了体外水相两相系统（ATPs）。主要发现如下：1）LLPS过程中液滴的形成引入了电容效应，导致松弛频率降低和松弛阻抗增加；2）根据实验数据校准的数值模拟表明LLPS系统的相体积分数为$?$ = 0.69；3）LLPS凝胶化过程增加了松弛阻抗，但不影响松弛频率；4）在LLPS初期，松弛频率随溶质浓度增加而增加；5）松弛频率的相对变化$\Delta f_r$是相分离程度的定量指标，并与相图相关；6）实验结果证实所提出的方法具有高灵敏度和低检测限。该LLPS检测和分析方法为复杂生物和软物质系统中相行为的定量、无创分析提供了新的思路。

章节摘录

引言

细胞结构和功能分析对于各种疾病的诊断和治疗至关重要[1]。细胞包含一个高度复杂的细胞内环境，并演化出了多种细胞器来协调生理活动[2]。具有膜结构的细胞器通过脂质双层将细胞内过程分隔开[3]。相比之下，无膜细胞器（MLOs）缺乏封闭膜，但具有动态且稳定的生化环境。这些结构仍然保持选择性

基于介电现象的DS-LLPS理论

介质中物质的非均匀分布导致其对外部电场的不同响应，从而产生不同的介电性质[18,19]。从这个角度来看，液-液相分离（LLPS）可以被视为一个介电重分布过程，在此过程中分子间相互作用驱动系统从均匀的单相状态转变为具有明确相界的双相状态。这一边界引入了不连续性

DS-LLPS模型的数值分析方法

为了研究液-液相分离（LLPS）的介电行为，采用了由右旋糖酐（Dextran）和聚乙二醇（PEG）组成的水相两相系统（ATPs）。在此模型中，右旋糖酐模拟蛋白质和核酸等生物大分子，而PEG代表周围溶剂，模拟了体外LLPS实验。

计算工作流程如图2所示。相关介电参数是通过测量单个组分的阻抗获得的

实验装置

图4显示了实验装置，包括一个体外液-液相分离（LLPS）检测芯片（直径为8毫米的圆形检测区）、一个四端探针（RG58-BNC-J，Eastsheep，中国）、一台显微镜、一台阻抗分析仪（IM3570，HIOKIS，日本）和一台个人电脑（PC）。检测芯片连接到阻抗分析仪上，可以在LLPS过程中同时进行实时光学成像和阻抗测量。

使用了三种类型的溶液

结论

本研究表明，基于介电光谱的电化学阻抗谱（DS-EIS）能够有效表征介电演变并实现液-液相分离（LLPS）的实时监测。本研究的主要发现如下：

1)

开发了一个理论上的DS-LLPS模型，描述了从单相状态下的取向极化到液滴形成和生长过程中的界面极化的转变。

CRediT作者贡献声明

梁金明：撰写 – 原稿撰写、可视化、验证、方法论、数据分析。赵伟杰：可视化、软件开发、数据分析。刘凯：监督、项目管理。孙波：撰写 – 审稿与编辑。朱成军：验证、监督、项目管理、概念构思。姚家锋：监督、资源协调、项目管理、资金获取、概念构思。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本研究部分得到了国家自然科学基金（项目编号：62471225和62271251）的支持。

梁金明于2023年获得南京航空航天大学的学士学位和硕士学位。他目前的研究兴趣包括电阻抗断层扫描（EIT）和电阻抗谱（EIS）。