Summary
מניפולציה נוזלים חלקיקים המרחפים הטכנולוגיות שמאפשר מיקרו בקנה מידה ננו נהיה יותר של מציאות כמו, כמו AC electrokinetics, להמשיך ולפתח. כאן, אנו דנים את הפיסיקה מאחורי AC electrokinetics, איך לפברק התקנים אלה וכיצד לפרש את תצפיות ניסיוניות.
Abstract
השדה של AC electrokinetics הוא גדל במהירות בשל יכולתה לבצע נוזל דינמי מניפולציה החלקיקים על מיקרו בקנה מידה ננו, אשר חיוני עבור Lab-on-a-Chip יישומים. תופעות AC electrokinetic שימוש בשדות חשמליים כדי לייצר כוחות הפועלים על נוזלים או החלקיקים המרחפים (כולל אלה העשויים דיאלקטרי או חומר ביולוגי) ולגרום להם לנוע מדהים דרכים 1, 2. בתוך ערוץ אחד, AC electrokinetics יכול להשיג הרבה חיוני על שבב פעולות כגון מיקום פעיל החלקיקים מיקרו ערבוב, חלקיק ההפרדה, מיקרו מתופף. מכשיר אחד יכול לבצע כמה פעולות אלה פשוט על ידי התאמת הפרמטרים הפעלה כגון תדירות או משרעת של מתח מיושם. שדות חשמליים מתאים ניתן ליצור בקלות על ידי מיקרו אלקטרודות משולבים microchannels. ברור מן הגידול העצום בתחום זה כי AC electrokinetics צפויה להיות השפעה עמוקה על אבחון רפואי 3-5, ניטור סביבתי 6 ובטחון פנים 7.
באופן כללי, יש שלוש תופעות electrokinetic AC (זרם חילופין electroosmosis, dielectrophoresis ותוצאה AC electrothermal) כל אחד עם תלות ייחודית על הפרמטרים ההפעלה. שינוי הפרמטרים הללו ההפעלה יכולה מטרה אחת התופעות להיות דומיננטי על פני אחרת, ובכך משנים את התנהגות החלקיקים או נוזל.
קשה לחזות את התנהגותם של חלקיקים ונוזלים בשל הפיסיקה מסובכים העומדים בבסיס AC electrokinetics. זוהי המטרה של פרסום זה כדי להסביר את הפיסיקה להבהיר החלקיקים והתנהגות הנוזלים. הניתוח שלנו מכסה גם כיצד לפברק את המבנים אלקטרודה שיוצרים אותם, כיצד לפרש מספר רב של תצפיות ניסיוניות באמצעות כמה עיצובים המכשיר הפופולרי. מאמר זה וידאו יסייעו למדענים ומהנדסים להבין תופעות אלה עשויים לעודד אותם להתחיל להשתמש AC Electrokinetics במחקר שלהם.
Protocol
בודה Cr / Au אלקטרודות על זכוכית מצעים
חלק 1A: שיטה Etch רטוב
* לקבלת המכשירים באיכות הגבוהה ביותר, תהליך ייצור יש לבצע בסביבת חדר נקי או תחת ברדסים זרימה למינרית כך אבק ומזהמים אחרים לא תשפיע על דפוס.
- 2 אינץ' על 4 אינץ' שקופיות הזכוכית ממוקמים מחוממת (80 מעלות צלזיוס) פתרון Piranha (05:07 H 2 O 2: H 2 SO 4) במשך 30 דקות כדי להסיר מזהמים (בעיקר אורגני) ולאחר מכן לשטוף ב DI מים מיובשים עם אוויר דחוס.
- 20 ננומטר Cr ו - 200 ננומטר Au מופקדים על מצעים עם המאייד אלומת אלקטרונים.
- שיפלי 1827 photoresist חיובי מופקד על שקופיות הזכוכית עם spincoater (3000 סל"ד, 1000 סל"ד / s הרמפה, 30 פעם ספין שנייה).
- אז הם מצעים רכים אפוי למשך 2 דקות ב 100 ° C.
- תבנית של מסכה מועברת photoresist עם חשיפה קשר UV עבור 8.4 שניות עבור סכום כולל של 206 mJ / 2 ס"מ.
- Photoresist הוא פותח Microposit MF 351: מים (01:03) למשך 30 שניות עם תסיסה טוב ואחריו די מים לשטוף.
- לאחר בדיקה עם מיקרוסקופ על מנת להבטיח התפתחות טובה, מצעים חקוקות על גופו ולאחר מכן למשך 15 שניות ו 30 שניות Au Etchant וכרום etchant בהתאמה עם DI שוטף בין ואחרי.
1B חלק: פרוטוקול אלטרנטיבית - Lift-off שיטה
- 2 אינץ' על 4 אינץ' שקופיות הזכוכית ממוקמים מחוממת (80 מעלות צלזיוס) פתרון Piranha (05:07 H2O 2: H 2 SO 4) במשך 30 דקות כדי להסיר מזהמים (בעיקר אורגני) ולאחר מכן לשטוף במים DI ו יבשים עם אוויר דחוס.
- Futurrex NR-7 1500 photoresist שלילי PY היה spincoated על המצע (2000 סל"ד, 1000 סל"ד / s הרמפה, 40 פעם ספין שנייה).
- מצעים היו רכות אפוי דקה 1 ב 150 ° C.
- צור החשיפה UV במשך 21 שניות (400 mJ / cm 2).
- מצעים הונחו לאחר מכן על פלטה חשמלית נקבע על 100 ° C למשך דקה 1 כדי להשלים את השלב postbake.
- הפיתוח בוצע עבור 6 שניות מפתח RD6 Futurrex.
- 30 ננומטר Cr ו - 200 ננומטר Au מופקדים אז עם המאייד אלומת אלקטרונים על גבי מצעים.
- Lift-off מבוצע על ידי הנחת מצעים באמבטיה קולי אצטון עד הזהב הוסר בעליל ואישר עם תצפית מיקרוסקופ.
ניסיוני ההתקנה
חלק 2: הזרקת תצפית microsphere ו
- PDMS ערוצי (ייצור תיאר במקום אחר) מחוברים מצע זכוכית עם הדבקה ישירה כך הערוץ עובר על האלקטרודות מפוברק.
- כ 10 מ"ל 7 פוליסטירן microspheres מושעים באחת מים DI (0.0002 S / M) או פתרון KCl (0.05 S / M). הם הזריקו אז על ידי הנחת צינורות היניקה בפתרון microsphere ויישום יניקה לשקע עם מזרק.
- המכשיר טעון ממוקם אז על הבמה מיקרוסקופ ומחובר מחולל אות.
- כמובן זמן של הגדרות תדר (1 kHz עד 1 MHz) והגדרות מתח (1 או 2 V) מיושמים בעוד התצפיות נעשות עם המיקרוסקופ.
הערה: חשוב לא להעלות את מתח גבוה מדי או לאפשר תדר להגיע נמוך מדי או אלקטרוליזה של מים תתרחש. המדויק מתח או תדר הגדרות עבור זה להתרחש תלויות עיצוב אלקטרודה. הנחיות המעבדה שלנו להימנע תדרים מתחת 500 הרץ או מתח מעל 8 V.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
בסרטון זה, הראינו מגוון רחב של התנהגויות החלקיקים נגרם על ידי מניפולציה של נוזל תופעות AC electrokinetic. אלקטרודות שיוצרים תופעות אלה קל לפברק ניתן לשלב בקלות לתוך מערכות רבות אחרות. כפי שהראינו, יש יישומים רבים לשימושם של AC electrokinetics. הרבגוניות של מכשירים אלו, כמו גם את האופי המהיר של מניפולציה, שהופך אותן לאטרקטיביות במיוחד. כמו בתעשיות הבריאות ושאר להתחיל לאמץ מעבדה על שבב מערכות, אנו צפוי לראות שילוב של AC electrokinetics על התקנים אלה כחלק אינטגרלי.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Materials
| Name | Type | Company | Catalog Number | Comments |
| 2" by 4" Pyrex Glass Slide | Substrate | Pyrex 7740 | ||
| chrome mask | material | This photomask will have the micr–lectrode patterns on them and can be ordered from a variety of microfabrication centers. | ||
| PDMS Microchannels | material | These may be fabricated and used in-house or a simple microscope slide will suffice. | ||
| Hydrogen Peroxide 30% | Reagent | Fisher Scientific | 7722-84-1 | Certified ACS, Fisher Scientific |
| Sulfuric Acid | Reagent | Fisher Scientific | A300-212 | Certified ACS Plus |
| Acetone Electronic Grade | Reagent | Fisher Scientific | A946-4 | |
| Shipley 1827 Positive Photoresist | Reagent | MicroChem Corp. | ||
| Shipley 351 Developer | Reagent | MicroChem Corp. | ||
| Gold Etchant | Reagent | Transene Company, Inc. | Type TFA | |
| Chrome Photomask Etchant | Reagent | Cyantek Corporation | CR-7S | |
| NR-7 1500 PY Negative Resist | Reagent | Futurrex | ||
| RD6 Developer | Reagent | Futurrex |
References
- Ramos, A., et al. AC Electrokinetics: a review of forces in microelectrode structures. Journal of Physics D: Applied Physics. 31, 2338-2353 (1998).
- Morgan, H. ywel, Green, N. G. AC Electrokinetics: colloids and nanoparticles. , SRP Ltd.. England. (2002).
- Toner, M., Irimia, D.
- Ahn, C. H., Choi, J. -W., Beaucage, G., Nevin, J. H., Lee, J. -B., Puntambekar, A., Lee, J. Y. Disposable smart lab on a chip for point of care clinical diagnostics. 282, 399-401 (1998).
- Vespoorte, E. Microfluidic chips for clinical and forensic analysis. Electrophoresis. 23, 677-712 (2002).
- Rajaraman, S., et al. Rapid, low cost microfabrication technologies toward realization of devices for dielectrophoretic manipulation of particles and nanowires. Sensors and Actuators B: Chemical. 114, 392-401 (2006).
- Ali, Z. Lab-on-a-chip for terrorist weapons management. Measurement and Control. 38, 87-91 (2005).
- Voldman, J. oel, Rosenthal, A. dam Dielectrophoretic Traps for Single-particle Patterning. Biophysical Journal. 88, 2193-2205 (2005).
- Ramachandran, T. R., Baur, C., Bugacov, A., Madhukar, A., Koel, B. E., Requicha, A., Gazen, C. Direct and controlled manipulation of nanometer-sized particles using the non-contact atomic force microscope. Nanotechnology. 9, 237-245 (1998).
- Sigurdson, M. arin, Wang, D., Meinhart, C. D. Electrothermal stirring for heterogeneous immunoassays. Lab Chip. 5, 1366-1373 (2005).
- Urbanski, J. ohn P. aul, Levitan, J. eremyA., Bazant, M. artinZ., Thorsen, T. Fast ac electro-osmotic micropumps with non-planar electrodes. Appl. Phys. Lett. 89, 143508- (2006).
- Fatoyinbo, H. O., et al. An integrated dielectrophoretic quartz crystal microbalance (DEP-QCM) device for rapid biosensing applications. Biosens Bioelectron. 23, 225-232 (2007).
