Summary
Manipulera vätskor och svävande partiklar i mikro-och nanonivå blir mer av en verklighet som möjliggörande teknik, såsom AC electrokinetics, fortsätter att utvecklas. Här diskuterar vi fysiken bakom AC electrokinetics, hur man kan tillverka dessa apparater och hur man ska tolka experimentella observationer.
Abstract
Området AC electrokinetics växer snabbt tack vare sin förmåga att utföra dynamiska vätska och partikel manipulation på mikro-och nanonivå, vilket är nödvändigt för Lab-on-a-chip applikationer. AC electrokinetic fenomen använda elektriska fält för att generera krafter som agerar på vätskor eller svävande partiklar (inklusive de som gjorts av dielektrisk eller biologiskt material) och få dem att röra sig i häpnadsväckande sätt 1, 2. I en enskild kanal kan AC electrokinetics utföra många viktiga on-chip-verksamhet såsom aktiv mikro-blandning, partikelseparation, partikel positionering och mikro-smattrande. En enda enhet kan utföra flera av dessa verksamheter genom att helt enkelt justera driftsparametrar som frekvens eller amplitud den pålagda spänningen. Lämplig elektriska fält lätt kan skapas genom mikro-elektroder integrerade i mikrokanaler. Det framgår av den enorma tillväxten inom detta område att AC electrokinetics sannolikt kommer att ha en djupgående effekt på vården diagnostik 3-5, miljöövervakning 6 och Homeland Security 7.
I allmänhet finns det tre AC Electrokinetic fenomen (AC electroosmosis, dielectrophoresis och AC elektrotermiska effekt) alla med unika beroenden på de operativa parametrar. En förändring i dessa driftparametrar kan orsaka ett fenomen att bli dominant över en annan, som förändrat partikel eller vätska beteende.
Det är svårt att förutsäga beteendet hos partiklar och vätskor på grund av den komplicerade fysik som ligger bakom AC electrokinetics. Det är målet för denna publikation att förklara fysik och belysa partikel och vätska beteende. Vår analys omfattar även hur man kan tillverka elektroden strukturer som genererar dem och hur man ska tolka ett stort antal experimentella observationer med hjälp av flera populära enhet design. Denna video artikel kommer att hjälpa forskare och ingenjörer att förstå dessa fenomen och kan uppmuntra dem att börja använda AC Electrokinetics i sin forskning.
Protocol
Tillverkning Cr / Au elektroder på glas substrat
Del 1A: Wet Etch Metod
* För högsta kvalitet enheter, bör tillverkningsprocessen utföras i ett renrum eller under huvar laminärt flöde så att damm och andra föroreningar inte kommer att påverka mönstret.
- 2-tums med 4-tums glas bilderna placeras i ett uppvärmt (80 ° C) Piranha lösning (05:07 H 2 O 2: H 2 SO 4) i 30 minuter för att avlägsna föroreningar (särskilt organiska) och sedan sköljas i DI vatten och torkas med tryckluft.
- 20 nm Cr och 200 nm Au deponeras på substrat med en elektronstråle förångare.
- Shipley 1827 positiv fotoresist deponeras på glaset glider med ett spincoater (3000 rpm, 1000 rpm / s ramp, 30 sekunder spin tid).
- Substrat är då mjuka bakas i 2 minuter vid 100 ° C.
- Mönstret av masken överförs till fotoresist med kontakt UV-exponering 8,4 sekunder för totalt 206 mJ / cm 2.
- Den fotoresist är utvecklad i Microposit MF 351: Vatten (1:3) under 30 sekunder med bra omrörning följt av en DI-vatten skölja.
- Efter besiktning med ett mikroskop för att säkerställa en god utveckling, är substrat sedan etsas i Au ETCHANT och Chrome ETCHANT i 15 sekunder och 30 sekunder respektive med DI tvättar i mellan och efter.
Del 1B: Alternativa Protokoll - Lift-off metod
- 2-tums med 4-tums glas bilderna placeras i ett uppvärmt (80 ° C) Piranha lösning (05:07 H2O 2: H 2 SO 4) i 30 minuter för att avlägsna föroreningar (särskilt organiska) och sedan sköljas i DI-vatten och torkas med tryckluft.
- Futurrex NR-7 1500 PY negativ fotoresist var spincoated på underlaget (2000 rpm, 1000 rpm / s ramp, 40 sekunders spin tid).
- Substrat var mjuka bakade i 1 minut vid 150 ° C.
- Kontakta UV-exponering i 21 sekunder (400 mJ / cm 2).
- De substrat placerades därefter på en värmeplatta på 100 ° C i 1 minut för att slutföra postbake steget.
- Utvecklingen utfördes i 6 sekunder i Futurrex RD6 utvecklare.
- 30 nm Cr och 200 nm Au sedan deponeras på substrat med en elektronstråle förångare.
- Lift-off utförs genom att placera substrat i en aceton ultraljudsbad tills guldet var synbart bort och bekräftas med mikroskop observation.
Experimentuppställning
Del 2: mikrosfär injektion och observation
- PDMS kanaler (tillverkning beskrivs på annan plats) är knutna till glassubstrat med direkt vidhäftning så att kanalen passerar över påhittade elektroderna.
- Ungefär 10 7 ml polystyren mikrosfärer är upphängda i antingen DI-vatten (0,0002 S / m) eller en KCl-lösning (0,05 S / m). De är sedan injiceras genom att placera slangen inlopp i mikrosfär lösningen och tillämpa sug till uttaget med en spruta.
- Den laddade apparaten placeras sedan på mikroskop scenen och ansluten till en signalgenerator.
- En tid under frekvensinställningar (1 kHz till 1 MHz) och inställningar spänning (1 eller 2 V) tillämpas, medan observationer görs med mikroskop.
Observera: Det är viktigt att inte höja spänningen för hög eller låta frekvens för att få för låg eller elektrolys av vatten kommer att ske. Exakt spänning eller frekvens inställningar för att detta ska ske är beroende av elektrod design. Vårt labb riktlinjer för att undvika frekvenser under 500 Hz eller spänningar över 8 V.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
I den här filmen har vi visat ett brett utbud av partikel och vätska manipulation beteenden orsakade av växelström electrokinetic fenomen. Elektroderna som genererar dessa fenomen är lätta att tillverka och kan enkelt integreras i många andra system. Som vi har visat, det finns många tillämpningar för användning av AC-electrokinetics. Mångsidigheten hos dessa enheter, liksom den snabba typen av manipulation, gör dem särskilt attraktiva. Som sjukvård och andra branscher börjar anamma lab-on-a-chip-system kommer vi att se troligen införlivandet av AC electrokinetics på dessa apparater som en integrerad del.
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).
