[Impedanzbasierte Methoden zur Zellcharakterisierung und -modellierung]

 Jan Gimsa <sup>1

1</sup> Lehrstuhl für Biophysik, Universität Rostock, Institut für Biowissenschaften, Rostock, Germany

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Short version

Common impedance methods in tissues or cell suspensions as well as dielectric particle spectroscopy by AC-electrokinetics are based on the impedance properties of the different constituents of tissue, particles or cells and the suspension media. Whereas impedance methods detect the frequency dependence of the direct electric response of a suspension, electrokinetic methods investigate the frequency dependence of orientation, deformation, movement, aggregation or rotation of single objects. The latter effects arise from the interaction of the induced polarization of the objects with the inducing external field.

Unlike impedance, AC-electrokinetics requires a sufficiently high field strength (>1000 V/m) and the (microscopic) observability of the induced movements. Their advantage is the higher parameter resolution and the discrimination against electrode property effects. Whereas impedance methods are integrative, AC-electrokinetic methods are differential, i.e. impedance determines the integral polarizability of external medium and the objects, while AC-electrokinetics is based on the difference in the polarizabilities. Nevertheless, in both approaches analytical descriptions are based on the same structured geometrical models, e.g. multi-shell ellipsoidal cell models.

Kurzfassung

Übliche Impedanzverfahren an Geweben oder in Suspensionen basieren ebenso wie die dielektrische Teilchenspektroskopie mittels AC-Elektrokinetik auf den Impedanzeigenschaften der verschiedenen Bestandteile des Gewebes, der Partikel oder Zellen sowie des Suspensions-mediums. Während Impedanzmethoden die Frequenzabhängigkeit der direkten elektrischen Antwort einer Suspension detektieren, untersuchen elektrokinetische Methoden die Frequenzabhängigkeit der Orientierung, Deformation, Bewegung, Aggregation oder Rotation einzelner Objekte. Die letztgenannten Effekte beruhen auf Wechselwirkungen der induzierten Polarisierung der einzelnen Objekte mit dem induzierenden elektrischen Feld.

Im Unterschied zur Impedanz erfordert die AC-Elektrokinetik eine ausreichend hohe elektrische Feldstärke (>1000 V/m) und die (mikroskopische) Beobachtungsmöglichkeit der induzierten Bewegungen. Ihr Vorteil ist die höhere parametrische Auflösung und die Vermeidung von Elektrodeneffekten. Impedanz-Methoden sind integrierend, AC-Elektrokinetik-Methoden sind differentiell, d.h. die Impedanz bestimmt die integrale Polarisierbarkeit des äußeren Mediums und der Teilchen, während die AC-Elektrokinetik auf den Unterschieden der Polarisierbarkeit beruht. Gleichwohl basieren die analytischen Beschreibungen beider Methodenklassen auf den gleichen strukturierten, geometrischen Modellen, d.h. ellipsoiden, ein- oder mehrschaligen Zellmodellen.