Method Article

توليد ومراقبة اليكتروهيدروديناميك التدفقات في حلول الكهرباء المائية

DOI:

10.3791/57820

⸱

September 7th, 2018

 ,  ,  ,  , 
1Department of Mechanical Science and Bioengineering, Graduate School of Engineering Science, Osaka University, 2Division of Mechanical Science and Technology, Faculty of Science and Technology, GUNMA University

In This Article

Summary

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

تصحيح مسارات النقل أيون طريقة فعالة لتوليد تدفقات اليكتروهيدروديناميك جر أيون واحد ثنائي الاتجاه. بواسطة تعيين غشاء تبادل الأيوني في قناة تدفق، يتم إنشاء شرط مستقطب كهربائياً ويؤدي إلى تدفق سائل لتكون مدفوعة عند تطبيق مجال الكهربائي خارجياً.

Abstract

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

محرك اليكتروهيدروديناميك (EHD) التدفقات في المحاليل، الفصل بين مسارات النقل الموجبة وشاردة ضروري لأن قوة جسم كهربائية موجهة لتكون الناجمة عن الالتماسات الأيونية في السائل. من ناحية أخرى، رسوم الإيجابية والسلبية تجذب بعضها البعض، والحفاظ على اليكترونيوتراليتي في كل مكان في ظروف التوازن. وعلاوة على ذلك، بزيادة جهد المطبق منعها لتجنب التحليل الكهربائي الماء، الذي يؤدي إلى الحلول لتصبح غير مستقرة. عادة، يمكن أن يتسبب تدفقات EHD في المحاليل غير بتطبيق الفولتية عالية للغاية، مثل عشرات كيلو فولت، لحقن رسوم الكهرباء. في هذه الدراسة، يتم عرض طريقتين لتوليد تدفقات EHD الناجمة عن فصل الشحن الكهربائي في المحاليل، حيث مرحلتين السائلة تكون مفصولة غشاء تبادل الأيوني. بسبب اختلاف في الحركة الأيونية في الغشاء، هو فعل الاستقطاب تركيز أيون بين جانبي الغشاء. في هذه الدراسة، ونظهر طريقتين. (ط) تخفيف تركيز أيون التدرجات يحدث عبر قناة تدفق التي تخترق غشاء تبادل الأيوني، حيث يصبح نقل الأنواع أبطأ في الغشاء بشكل انتقائي المهيمنة في قناة التدفق. وهذا قوة دافعة لتوليد تدفق EHD في السائل. وقت الانتظار (ثانيا) منذ فترة طويلة لنشر أيونات يمر عبر غشاء التبادل الأيوني يمكن توليد تدفق سحب أيون بتطبيق حقل كهربائي خارجياً. أيونات تتركز في قناة تدفق شريحة2 مم 1 × 1 تحدد اتجاه تدفق السائل، المقابلة لمسارات النقل الغرواني الكهربي. في كلتا الطريقتين، يتم تقليل الفرق الجهد الكهربائي اللازم لتوليد تدفق EHD جذريا إلى قرب 2 الخامس بتصحيح مسارات النقل أيون.

Introduction

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

في الآونة الأخيرة، وتقنيات مراقبة تدفق السائل اجتذبت الكثير من الاهتمام بسبب الاهتمام بالتطبيقات من الصغر ونانوفلويديك الأجهزة1،2،3،،من45، 6 , 7 , 8 , 9 , 10 , 11 , 12 , 13 , 14 , 15-في حلول القطبية، مثل المحاليل والسوائل الأيونية، الأيونات والجسيمات المشحونة كهربائياً تجلب عادة عن الشحنات الكهربائية في تدفق السائل. نقل هذه الجزيئات المستقطبة يوفر توسع في تطبيقات مختلفة، مثل التلاعب جزيء واحد6،10،11،،من1314 , 15 , 16 , 17وأيون أجهزة أشباه الموصلات12،18، وتدفق السائل التحكم19،20،،من2122. تدفق EHD تم ظاهرة المطبقة لنظم التحكم في تدفق السائل منذ1،ستويتزير2 اخترع مضخة السحب أيون. ميلتشر وتايلور3 مقالا هامة التي تم استعراض الإطار النظري لتدفق EHD جيدا وكما أظهرت بعض التجارب غير المسددة. سافيل4 و23،زملاء له24 ساهمت في توسيع نطاق التكنولوجيات EHD في السوائل التالية. ومع ذلك، كانت هناك بعض القيود لحفز التدفقات السائلة مدفوعا بالقوى الكهربائية، لأن عشرات كيلو فولت يجب أن يطبق في السوائل لحقن الشحنات الكهربائية في حلول غير القطبية، مثل الزيوت، استقطاب منهم1،2 , 3-هذا وضع غير مؤات للمحاليل للتحليل الكهربائي الماء الذي فعل الجهد الكهربائي أعلى من 1.23 V تغيير خصائص الحلول ويجعل الحلول غير مستقرة.

في قنوات نانوفلويديك والصغرى، يسبب التهم السطحية لجدران القناة تركيز كونتيريونس التي تحفز فعالية تدفقات اليكتروسموتيك (EOFs) تحت المجالات الكهربائية تطبيق خارجياً25،26،27 ،،من2829. باستخدام EOFs، طبقت بعض تقنيات ضخ السائل في المحاليل، خفض الفولتية الكهربائية30،،من3132. من ناحية أخرى، تقتصر EOFs التي يتم إنشاؤها في الصغر والتي تصبح المناطق السطحية الغالبة أكثر من حجم السائل نانوسباسيس. وعلاوة على ذلك، تبعاً لنقل أيونات مركزة بشكل كبير جداً قرب الجدار السطوح، مثل الكهربائية في الطبقات المزدوجة، الحدود كشف إلا يتسبب تدفق السائل، الذي قد لا يكون كافياً لجعل الضغط التدرجات7، 8 , 22 , 26 , 27-غرامة ضبط، مثل أبعاد القناة وتركيزات الملح، مطلوب للتطبيقات لأشكال التعبير الفولكلوري. وفي المقابل، EHD التدفقات مدفوعة بهيئة القوات يبدو أن تكون متاحة للجماهير وطاقات النقل إذا يمكن تخفيض الفولتية التطبيق لتجنب اللاإنسانية المذيبات. في الآونة الأخيرة، اقترح بعض الباحثين تطبيقات تدفقات EHD مع الفولتية المنخفضة33،34،،من3536. على الرغم من أن هذه التكنولوجيات لم تنفذ حتى الآن، من المتوقع الحدود توسيع.

في دراسات سابقة، وقد أجرينا أيضا الأعمال التجريبية والنظرية المتعلقة بتدفقات EHD في المحاليل37،38،،من3940. كان من المفترض أن تصحيح مسارات النقل أيون كان فعالاً لتوليد حلول مشحونة كهربائياً تسبب قوات هيئة الكهرباء تحت المجالات الكهربائية. باستخدام غشاء تبادل الأيوني وقناة تدفق عبور الغشاء، كنا قادرين على تصحيح التيارات الأيونية. عند تطبيق غشاء تبادل شاردة، والكاتيونات تتركز في التدفق قناة جر المذيبات ووضعها EHD تدفق37،،من3839. اختلاف في تنقل الأنواع أيون كان عاملاً مهما عند فصل التيارات أنيونى والموجبة. فعالية عمل أغشية التبادل الأيوني تعدل في التنقل بسبب الانتقائية أيون. كما تم التحقيق أيون النقل الظواهر من وجهة نظر الأيونية الكثافة الحالية التي تتأثر بالمجالات الكهربائية التطبيقية41. هذه الدراسات كانت مثمرة لتطوير تقنيات التلاعب للجزيئات واحدة، إلا وهي الصغرى وجسيمات نانوية، الاقتراحات التي تتأثر بشدة بالتقلبات الحرارية11،16،17 . من المتوقع أن توسيع نطاق مجموعة متنوعة أساليب مراقبة تدفق دقيق، فضلا عن الضغط التدرجات EOFs وتدفقات EHD.

في هذه الدراسة، ونظهر طريقتين لمحرك الأقراص EHD التدفقات في المحاليل. أولاً، يتم استخدام حلاً هيدروكسيد الصوديوم لسائل العامل لمحرك الأقراص EHD تدفق37،،من3839. يفصل غشاء تبادل شاردة السائل إلى قسمين. قناة تدفق بولي دايمثيل سيلوكسان (PDMS) مع شريحة من 1 × 1 مم وطولها 3 ملم تخترق الغشاء. عن طريق تطبيق الجهد الكهربائي من 2.2 الخامس، فعل النقل الغرواني الكهربي نا+، ح+وأيونات OH− على طول الحقول الكهربائية. غشاء تبادل شاردة وقناة لتدفق العمل بفعالية لفصل مسارات النقل أيون، حيث الأنيونات المهيمن تمر عبر الغشاء وتركيز الكاتيونات في قناة التدفق، وعلى الرغم من أن كلا من الأنواع عادة التحرك في اتجاهين متعاكسين، الحفاظ اليكترونيوتراليتي. وهكذا، مثل هذا شرط لا يسبب قوة دافعة للتدفقات السائلة. هذا الهيكل حاسم لتوليد تدفق EHD سرعة التدفق الذي يصل إلى حدود 1 مم/s في القناة لأن التركز الشديد للاتصالات إلى التعجيل بالمجالات الكهربائية الخارجية سحب جزيئات المذيبات. لاحظ تدفقات EHD وتسجيلها باستخدام مجهر وكاميرا عالية السرعة كما هو مبين في الشكل 1. ثانيا، فرق تركيز بين مرحلتين السائل مفصولة غشاء تبادل الأيوني يسبب شرط مستقطب كهربائياً إلى إنشاء معبر غشاء تبادل الأيوني40. وفي هذه الدراسة، نجد أهمية وقت الانتظار طويل حجته توزيعات أيون والجهد كهربائي مقابلة، التي تسبب الظروف الأفضل لتطبيقه على قوة جسم في سائل. عبور غشاء التبادل الأيوني، ويتحقق شرط ضعيفة استقطاب. في مثل هذه حالة، مجال الكهربائي تطبيق خارجياً يدفع النقل أيون الاتجاه الذي يولد قوة جسم في سائل، ونتيجة لذلك نقل الزخم من الأيونات المذيب يطور تدفقا EHD.

كما ذكر أعلاه، الأجهزة الحالية تنجح في تخفيض جذري فرق الجهد المطبق على فولت قليلة، وبالتالي هذا الأسلوب يمكن أن تستخدم للمحاليل، على الرغم من أن أساليب حقن تهمة الكهربائية التقليدية تتطلب عشرات كيلو فولت و تقتصر على تطبيق حلول غير المائية.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Protocol

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

1-EHD التدفق الناجم عن النقل أيون تصحح

  1. تطوير جهاز قناة تدفق لتصحيح مسارات النقل أيون
    1. جعل العفن PTFE الخزان:
      1. قطع 13 × 30 × 10 ملم3 العفن من كتلة تترافلوروايثيلين (PTFE) باستخدام آلة طحن (انظر الشكل 2). وبدلاً من ذلك، شراء منتج مصنوعة خصيصا.
      2. الالتزام لوحات اﻷكريليك 15 × 18 × 1 مم3 في كلا طرفي العفن PTFE مع مادة لاصقة بلاستيكية، مما سيجعل الشقوق في الخزان تسوية أقطاب التحيز. هذه الأجزاء يمكن قطع من لوحة كبيرة أو التي تم شراؤها.
      3. الالتزام لوحات اﻷكريليك 13 × 30 × 1 مم3 في الأسطح العلوية والسفلية للعفن PTFE مع مادة لاصقة بلاستيكية جعل الأسطح المستوية للملاحظة واضحة.
    2. مزيج من سيليكون الاستومر قاعدة وعلاج عامل بنسبة 10:1 في أنبوب 50 مل ويهز الأنبوبة باليد.
    3. تسوية PDMS السائلة في وعاء فراغ وديغا أنه باستخدام مضخة دوارة.
    4. إزالة الأنبوب من السفينة. صب في PDMS 40 × 50 × 24 مم3 سفينة بلاستيكية العفن والشكل الخارجي للخزان ومكان العفن الخزان (راجع الخطوة 1.1.1) في ذلك.
    5. خبز الجسم كله من السائل PDMS على هوتبلت عند 80 درجة مئوية لحوالي 4 ح.
    6. بعد الخبز، عزل الخزان PDMS من العفن PTFE والسفينة الخارجي باليد. جعل فتحه عبر مركز الخزان باستخدام سكين جراحية. سيتم استخدام هذا لوضع حواف غشاء تبادل شاردة (أعد الخطوة 1.1.16) في استخدام الملقط.
      ملاحظة: خزان PDMS مليئة بالحلول المنحل بالكهرباء في وقت لاحق، كما هو مبين في الشكل 2.
    7. الحصول على ألواح الزجاج (أدلى به أمر خاص) بشكل دائري من 18 ملم في القطر أو في ساحة مع حواف 18 ملم.
    8. أغسل الألواح الزجاجية التي نقع عليها في الإيثانول، الأسيتون والمياه النقية (بهذا الترتيب) في حمام ultrasonication لمدة 15 دقيقة.
    9. ضربة أي سوائل متبقية بعيداً مع بندقية الهواء أو الحرارة ألواح الزجاج مع هوتبلت لمدة 5 دقائق في حوالي 473 ك.
    10. استخدام الترددات الراديوية اﻷخرق، معطف سطح الزجاج مع الجمهورية التشيكية أو تي يتعرض للبلازما ع لمدة 1 دقيقة على 75 واط وتباعا، بإيداع الاتحاد الأفريقي رقيقة لمدة 5 دقائق في 75 ث، إعداد السمك في ما يقرب من 100 نانومتر.
      ملاحظة: قبل طلاء سطح الزجاج مع المعادن المستهدفة، العينات التي تم تعيينها في فراغ غرفة أن المصاب مع مضخة دوارة ومضخة نشر جزيئية حتى انخفض الضغط إلى 1 × 102 السلطة الفلسطينية.
    11. جندي الرصاص على سطح القطب الاتحاد الأفريقي باستخدام لحام حديد.
      ملاحظة: ربما قد يتم استبدال الشكل القطب الاتحاد الأفريقي بالساحات وأسلاك حلزونية، والحفاظ على المناطق السطحية كبيرة بما يكفي لتوليد التيارات الأيونية.
    12. مع ملاقط، مجموعة ألواح زجاجية مغطاة بطبقة رقيقة الاتحاد الأفريقي في كلا طرفي الخزان. هذه هي أقطاب التحيز.
    13. قطع غشاء تبادل شاردة إلى شكل مستطيل 20 × 18 مم2 باستخدام مقص. يتعرض سائل مساحتها 13 ملم في العرض و 10 ملم في الطول. هنا، قد أيضا استخدام كتر مربع أو سكين جراحية قص الغشاء.
    14. قطع قطعة مستطيلة من 5، 3 x 5 مم2 من حافة واحدة من الغشاء مع المقص.
      ملاحظة: هو سمك غشاء تبادل شاردة 220 ميكرون. يتم قطع الغشاء بسهولة مع مقص أو كتر مربع. يتم إصلاحها حواف الغشاء جزئيا مع الشقوق في الدائرة.
    15. ترسيخ كتلة PDMS بقضيب غير القابل للصدأ من شريحة2 مم 1 × 1 بنفس الطريقة كما هو الحال في الخطوات 1.1.4-1-1-5، إنشاء قناة تدفق التي تخترق الغشاء. ترك البناء بين عشية وضحاها، وثم سحب قضبان الفولاذ المقاوم الخروج من كتلة PDMS.
    16. قص PDMS قطعة كتلة مع قناة تدفق مربعة في 3 × 6 × 4.5 مم (انظر الشكل 2) باستخدام سكين جراحية. جعل الشقوق على طول الحواف الخارجية، ثم إرفاقه إلى الغشاء داخل الفصل مستطيلة.
      ملاحظة: على الوجه العلوي للقناة إلى تعيين أفقياً لملاحظة واضحة للجسيمات في تدفق القناة عبر الجدار شفافة.
  2. إعداد الحلول والمعالجات للتجارب
    1. تحضير هيدروكسيد الصوديوم المحاليل بتركيزات من 1 × 101و 1 × 102و 1 × 10−3 mol/L بتمييع الحل الأسهم.
    2. جعل تشتت الجسيمات البوليستيرين من ميكرومتر 2.93 في المتوسط في كل من الحلول هيدروكسيد الصوديوم التي أعدت في خطوة 1.2.1 بتعيين التركيز إلى 4.2 × 10% المجلد−3 بقطر.
      ملاحظة: الجسيمات الراسم قد يكون تغيير الحجم مناسب لتحسين observability.
    3. أولتراسونيكاتي غشاء تبادل شاردة مهيأ 20 × 18 مم2 مع فتحه من 5، 3 x 5 مم2 2 x ل 10 دقيقة في المياه النقية في طه 100 دبليو
    4. مع ملاقط، تعيين غشاء تبادل شاردة مع قناة تدفق PDMS خزان PDMS. ملء الخزان مع 4 مل من محلول هيدروكسيد الصوديوم باستخدام ميكروبيبيتي.
      ملاحظة: القناة السطحية وتدفق غشاء مغمورة في الحل، حيث هو غشاء سطح مكشوف للحل على الأقل 100 × أكبر من المقطع العرضي للقناة التدفق.
    5. تطبيق الجهد الكهربائي من 2.2 الخامس باستخدام مصدر طاقة DC في اتجاهات إلى الأمام وإلى الخلف ل 2 ح في السلسلة، لتحسين التوصيل للغشاء قبل المراقبة.
    6. سحب أقطاب الاتحاد الأفريقي مع ملاقط. إزالة الحل من الخزانات استخدام ميكروبيبيتي.
    7. تعيين أقطاب الاتحاد الأفريقي الجديد في الخزانات بالملقط. ملء الخزانات مع 4 مل من محلول هيدروكسيد الصوديوم باستخدام ميكروبيبيتي. بدء تشغيل الملاحظات عند الحل هو اكويليبراتيد.
      ملاحظة: قد يستغرق بضع دقائق من وقت الانتظار حتى الحراري الطبيعي يستقر، التي يمكن الحكم بمراقبة سلوك الجسيمات الراسم.
  3. نظم الإعداد والقياس التجريبي
    1. تعيين معدل الإطار ووقت التعرض للكاميرا المعادن عالية السرعة التكميلية-أكسيد-متمم (CMOS) إلى 500 fps و 1 مللي ثانية، على التوالي.
      ملاحظة: كما هو مبين في الشكل 1، يتم تعيين الجهاز التجريبي لتسجيل حركات الجسيمات في مرحلة المجهر متصل بكاميرا CMOS عالية السرعة. الرأي تتعاظم في 15 في مراقبة مع عدسة X 100.
    2. إزالة أي فقاعات من القناة عن طريق إدراج غيض من ميكروبيبيتي في نهاية القناة دفع أو سحب منهم، قبل تطبيق الجهد الكهربائي.
    3. خارجياً يطبق الجهد الكهربائي من 2.2 الخامس إلى أقطاب التحيز للاتحاد الأفريقي. في نفس الوقت رصد الاستجابات الكهربائية باستخدام بوتينتيوستات أو مصدر طاقة DC مع متعدد رقمية.
      ملاحظة: يتم تحديد قيمة الجهد يكون الحد الأعلى، تجنب التحليل الكهربائي الماء الذي يولد س2 وح2 فقاعات في الحل.
    4. سجل سلوك الجسيمات الراسم على جهاز الكمبيوتر.
    5. قياس فرق محتملة كهربائية بين طرفي القناة التدفق باستخدام أقطاب الاتحاد الأفريقي التحقيق ومتعدد رقمي للتأكد من أن الانحدار تركيز أيونات يؤدي تدفق EHD38،39.
    6. تحديد منشأ نظام الإحداثيات الديكارتي في مركز للقناة.
      ملاحظة: x-المحور على طول اتجاه الطولي للقناة التدفق، و y-و z-محاور في الاتجاهين الأفقي والرأسي في المقطع العرضي للقناة، على التوالي، كما هو مبين في الشكل 2. قناة PDMS شفاف يسمح تدفق السائل إلى تصور على طول x-المحور. الرأي يتركز على متن الطائرة س وص في z = 0 بالتحكم في عمق التركيز. تدفق البيانات x في المقطع اختبار إلا مجرد قرب مدخل ومخرج قناة مستقلة، ويتم تعيين نقطة مراقبة في حوالي 0.75 ملم في اتجاه مجرى النهر من الأصل، حيث أن x = 0.75، y = 0، و z = 0 ملم.
    7. بعد قياس واحد (15 ثانية)، اختزال أقطاب كهربائية بربطها ببعضها البعض مع عميل متوقع لمدة 20 دقيقة حتى يتم اكويليبراتيد الحل.
    8. بعد ذلك، نقل مجمل الحل إلى سفينة أخرى (مثلاً، زجاجة عينة 10 مل) وآثاره أنه مع ميكروبيبيتي.
    9. من أجل الحل المقلبة في الدائرة مرة أخرى باستخدام ميكروبيبيتي عند تكراري إجراء التجربة.
      ملاحظة: بعد الملاحظة، يتم تقييم سرعة تدفق EHD باستخدام الجسيمات الصورة فيلوسيميتري (PIV) الأسلوب39، الذي يمكن القيام به باستخدام البرامج المناسبة لتتبع تشريد الجزيئات وتقييم عددياً السرعة. تم حذف شرحاً مفصلاً لأساليب PIV وكيفية استخدامها هنا لأن التحليلات PIV قد استخدمت على نطاق واسع وإجراءات العمليات الحسابية تعتمد على البرامج ونظام التشغيل الذي يتم استخدامه.

2-مراقبة تدفقات EHD المستحثة بالأيونات الموجبة

  1. تطوير جهاز تجريبي
    1. وتشكل أقطاب التحيز للاتحاد الأفريقي مع سطح 26 × 10 مم2 في أسفل لوحة زجاج وفقا لإجراءات مشابهة لتلك الموصوفة سابقا في الخطوات 1.1.5-1-1-7.
    2. استخدام الترددات الراديوية اﻷخرق، معطف سطح زجاج مع الجمهورية التشيكية أو منظمة الشفافية الدولية تتعرض للبلازما ع لمدة 2 دقيقة في 75 ث وإيداع الاتحاد الأفريقي رقيقة لمدة 5 دقائق في 75 جورج
      ملاحظة: يتم تحديد هذا الشكل من القطب بغية تركيز عالية المجالات الكهربائية في منطقة القناة أضيق. نسبة سطح القطب، يتعرض الذين مساحة 10 × 10 مم2 لسائل، للمقطع العرضي للقناة مثالي رفعا؛ ويتوقع هذه النسبة كافية لإسقاط القدرة الكهربائية في القناة ب كمية كبيرة16.
    3. لحام خط الرصاص على حافة أقطاب كهربائية باستخدام لحام حديد.
    4. من ورقة مطاط سيليكون كبيرة، قطع الدوائر 2، وضع كل من 1 × 1 × 1 مم3 تدفق القناة بين اثنين 10 × 10 × 1 مم3 خزانات، باستخدام سكين جراحية (انظر الشكل 3). يمكن الاستعاضة عن هذه الأجزاء PDMS.
    5. قطع غشاء تبادل الأيونات الموجبة مع سمك متوسط ميكرومتر 127 إلى 20 x 30 ملم باستخدام كتر مربع أو سكين جراحية، كما هو مبين في الشكل 3.
    6. أولتراسونيكاتي كل جزء في المياه النقية لمدة 15 دقيقة قبل تطبيق 100 دبليو
    7. إدراج غشاء تبادل الأيونات الموجبة بين الدوائر باستخدام الملقط، كما هو مبين في الشكل 3. وهذا سيفصل 2 الحلول اﻻلكتروﻻيت من تركيزات مختلفة.
    8. اضغط وختم المكدس للدوائر وغشاء تبادل الأيونات الموجبة مع ألواح الزجاج أبعادها 26 ملم في العرض و 38 مم طويل.
  2. إعداد الحلول
    1. إعداد تت جزيئات البوليستيرين متوسط قطرها ميكرومتر 1.01 في تريس mol/L2 1 × 10 (هيدروكسيميثيل) أمينوميثاني الإيثيلين حمض (تريس-يدتا) المخزن المؤقت الحل، حيث يتم ضبط نسبة الحجم إلى 1 × 102 المجلد %.
    2. إعداد خليط من 1 مول/لتر من بوكل و 1 × 102 مول/لتر من يدتا تريس.
    3. حقن الجسيمات تريس-يدتا/البوليستيرين والحلول تريس-يدتا/بوكل في الدوائر العليا والسفلي، على التوالي، عن طريق إبر المحاقن إدراجه من الجدران الجانبية للدوائر.
      ملاحظة: الكمية الحلول التي تحقن في كل دائرة هو حوالي 210 ميليلتر.
    4. انتظر حوالي 18 ساعة حتى الحل هو اكويليبراتيد نتيجة لانتشار الأيونات لتخفيف تركيز أيون الفرق بين الطبقات العليا والسفلي.
      ملاحظة: في عملية الانتشار، ك+ في الحل العلوي وح+ في الغشاء من المتوقع أن تخترق الغشاء الأول، و Cl− المتوقع لمتابعتها.
  3. نظم الإعداد والقياس التجريبي
    1. تعيين جهاز التجريبية المتقدمة في الخطوة 2، 1 في مرحلة المجهر المقلوب من جهة، كما هو مبين في الشكل 3. قم بتوصيل المجهر كاميرا CMOS عالية السرعة لرصد مسارات الجسيمات الطلبات وتسجيل بيانات المراقبة على جهاز كمبيوتر.
    2. تطبيق فرق محتملة كهربائية 2 الخامس 6 s بين قطبين باستخدام مولد دالة كمصدر لطاقة.
    3. للتأكد من أن تدفقات EHD هي الناجمة عن النقل أيون، قياس التيارات الأيونية في وقت واحد باستخدام مقياس التيار الكهربائي40.
    4. تحليل مسارات الجسيمات بالجسيمات تتبع أسلوب فيلوسيميتري (بي تي)39مسجل.
      ملاحظة: بعد الملاحظات، يتم تقييم سرعة تدفق EHD بواسطة الأسلوب بي تي، مما ممكن باستخدام البرمجيات المناسبة، لتتبع تشريد الجزيئات وتقييم عددياً السرعة. تم حذف شرحاً مفصلاً لأساليب بي تي وكيفية استخدامها هنا لأن تحليلات بي تي وقد استخدمت على نطاق واسع وإجراءات العمليات الحسابية تعتمد على البرامج ونظام التشغيل الذي يتم استخدامه.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Results

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

الشكل 4 ويعرض (الشكل الفيديو) نتيجة ممثل جيل تدفق EHD، الناتجة عن تصحيح مسارات النقل أيون والاتصالات مركزة للغاية بفعل تدفق سائل في القناة، طبقاً للخطوة 1 من البروتوكول. يبين الشكل 5 نتيجة التحليل PIV، حيث تشير البيانات 20 قرب مركز القناة (y = z = 0 ملم) كانت في المتوسط. وفي حالة 1 × 101 مول/لتر هيدروكسيد الصوديوم تم تطبيق الحل، عند الجهد الكهربائي من 2.2 الخامس في t = 5 ق، سرعة الجسيمات الرا...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Discussion

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

وكان الغرض من هذه الدراسة لفصل الكاتيونات والانيونات في المحاليل من حيث التوزيع المكاني وأرقام النقل. استخدام غشاء تبادل شاردة، يمكن تصحيحه بنقل الأنيونات والاتصالات في الغشاء وفي قناة تدفق التي تخترق الغشاء، على التوالي. بدلاً من ذلك، عملت غشاء تبادل الأيونات الموجبة التي تفصل العالية والمنخفضة حلول تركز على توليد حلول مستقطب كهربائياً بعد فترة انتظار طويلة. نتيجة لذلك التيارات الأيونية تصحح نجحت في خفض الفولتية المطبقة للحث على جر أيون تدفقات EHD.

الأساليب المقدمة هنا متوفرة للمحاليل مع الفو...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Disclosures

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

الكتاب ليس لها علاقة بالكشف عن.

Acknowledgements

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

المؤلفين قد لا إعلامات.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
سيلجارد 184داو كورنينج كورب.3097366-0516 ، 3097358-1004PDMS
أسيتونواكو للصناعات الكيماوية النقية المحدودة012-00343
الإيثانولواكو للصناعات الكيماوية النقية المحدودة054-00461
0.1 مول / لتر محلول هيدروكسيد الصوديومواكو بيور للصناعات الكيماوية المحدودة196-02195
كلوريد البوتاسيومواكو للصناعات الكيماوية النقية المحدودة163-03545
Tris-EDTA عازلة 100x مركزشركة Sigma-Aldrich LLC.T9285-10014L
2.93 & م جسيم البوليسترينMerck KGaAL300 RougeTracer جسيم
1.01 & م جسيم البوليسترينMerck KGaAK100 (23716)جسيمات التتبع
غشاء تبادل الأنيونASTOM Corp.نيوسيبتا AHA
الذهب (أسترالي) شركةفوروتشي للكيماوياتAUT-13301Xالاخرق الهدف معدني
التيتانيومفوروتشي كيماويكال.TIT-72301Xالاخرق المعدني
المستهدف ChromiumFuruuchi Chemical Corp.CRT-24301Xالاخرق الهدف المعدني
عالية السرعة CMOS كاميراKeyence Corp.فولكس فاجن 600M
مجهركينس كورب.مسجل بيانات VW-9000
Keyence Corp.NR-500 ، NR-HA08
مقياس الإزاحة بالليزرKeyence Corp.LK-G5000 و LK-H008W
PIV و PTV البرمجياتDITECT Co.Ltd.Flownizer 2D
PotentiostatAMTEK Inc. VersaSTAT4
المجهر المقلوبأوليمبوس كورب.IX73
كاميرا CMOS عالية السرعةAndor Technology Ltd.Zyla 5.5 sCMOS
مولد وظيفةNF Corp. WF1945B
مولد وظيفةNF Corp. WF1973
منظف بالموجات فوق الصوتيةAS ONE Corp.AS22GTU
مضخة دوارةULVAC، Inc.G-100SDegas السائل PDMS
مضخة دوارةULVAC، Inc.GLD-201Aالاخرق 
مضخة الانتشار الجزيئيULVAC، Inc.VPC-400الاخرق

References

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Stuetzer, O. M. Ion drag pressure generation. Journal of Applied Physics. 30, 984-994 (1959).
  2. Stuetzer, O. M. Ion drag pumps. Journal of Applied Physics. 31, 136-146 (1960).
  3. Melcher, J. R., Taylor, G. I. Electrohydrodynamics: A review of the role of interfacial shear stresses. Annual Review of Fluid Mechanics. 1, 111-146 (1969).
  4. Saville, D. A. Electrohydrodynamics: The Taylor-Melcher leaky dielectric model. Annual Review of Fluid Mechanics. 29, 27-64 (1997).
  5. Stein, D., Kruithof, M., Dekker, C. Surface-charge-governed ion transport in nanofluidic channels. Physical Review Letters. 93, 035901(2004).
  6. Dekker, C. Solid-state nanopores. Nature Nanotechnology. 2, 209-215 (2007).
  7. Schoch, R. B., Han, J., Renaud, P. Transport phenomena in nanofluidics. Reviews of Modern Physics. 80, 839-883 (2008).
  8. Iverson, B. D., Garimella, S. V. Recent advances in microscale pumping technologies: A review and evaluation. Microfluidics and Nanofluidics. 5, 145-174 (2008).
  9. Sparreboom, W., van den Berg, A., Eijkel, J. C. T. Principles and applications of nanofluidic transport. Nature Nanotechnology. 4, 713-720 (2009).
  10. Venkatesan, B. M., Bashir, R. Nanopore sensors for nucleic acid analysis. Nature Nanotechnology. 6, 615-624 (2011).
  11. Uehara, S., Shintaku, H., Kawano, S. Electrokinetic flow dynamics of weakly aggregated λDNA confined in nanochannels. Journal of Fluids Engineering. 133, 121203(2011).
  12. Guan, W., Reed, M. A. Electric field modulation of the membrane potential in solid-state ion channels. Nano Letters. 12, 6441-6447 (2012).
  13. Yasui, T., et al. DNA manipulation and separation in sublithographic-scale nanowire array. ACS Nano. 7, 3029-3035 (2013).
  14. Ren, Y., et al. Particle rotational trapping on a floating electrode by rotating induced-charge electroosmosis. Biomicrofluidics. 10, 054103(2016).
  15. Ren, Y., et al. Flexible particle flow-focusing in microchannel driven by droplet-directed induced-charge electroosmosis. ELECTROPHORESIS. 39, 597-607 (2018).
  16. Qian, W., Doi, K., Uehara, S., Morita, K., Kawano, S. Theoretical study of the transpore velocity control of single-stranded DNA. International Journal of Molecular Sciences. 15, 13817-13832 (2014).
  17. Qian, W., Doi, K., Kawano, S. Effect of polymer length and salt concentration on the transport of ssDNA in nanofluidic channels. Biophysical Journal. 112, 838-849 (2017).
  18. Liu, W., et al. A universal design of field-effect-tunable microfluidic ion diode based on a gating cation-exchange nanoporous membrane. Physics of Fluids. 29, 112001(2017).
  19. Liu, W., et al. Control of two-phase flow in microfluidics using out-of-phase electroconvective streaming. Physics of Fluids. 29, 112002(2017).
  20. Osman, O. O., Shintaku, H., Kawano, S. Development of micro-vibrating flow pumps using MEMS technologies. Microfluidics and Nanofluidics. 13, 703-713 (2012).
  21. Osman, O. O., Shirai, A., Kawano, S. A numerical study on the performance of micro-vibrating flow pumps using the immersed boundary method. Microfluidics and Nanofluidics. 19, 595-608 (2015).
  22. Daiguji, H. Ion transport in nanofluidic channels. Chemical Society Reviews Home. 39, 901-911 (2010).
  23. Ristenpart, W. D., Aksay, I. A., Saville, D. A. Assembly of colloidal aggregates by electrohydrodynamic flow: Kinetic experiments and scaling analysis. Physical Review E. 69, 021405(2004).
  24. Ristenpart, W. D., Aksay, I. A., Saville, D. A. Electrohydrodynamic flow around a colloidal particle near an electrode with an oscillating potential. Journal of Fluid Mechanics. 575, 83-109 (2007).
  25. Schoch, R. B., Hann, J., Renaud, P. Effect of the surface charge on ion transport through nanoslits. Physics of Fluids. 17, 100604(2005).
  26. Ross, D., Johnson, T. J., Locascio, L. E. Imaging of electroosmotic flow in plastic microchannels. Analytical Chemistry. 73, 2509-2515 (2001).
  27. Hsieh, S. -S., Lin, H. -C., Lin, C. -Y. Electroosmotic flow velocity measurements in a square microchannel. Colloid and Polymer Science. 284, 1275-1286 (2006).
  28. Rubinstein, I., Zaltzman, B. Electro-osmotically induced convection at a permselective membrane. Physical Review E. 62, 2238-2251 (2000).
  29. Bard, A. J., Faulkner, L. R. Electrochemical methods, 2nd ed. , John Wiley & Sons. Danvers, MA. 362-363 (2001).
  30. Brask, A., Goranović, G., Jensen, M. J., Bruus, H. A novel electro-osmotic pump design for nonconducting liquids: theoretical analysis of flow rate-pressure characteristics and stability. Journal of Micromechanics and Microengineering. 15, 883-891 (2005).
  31. Takamura, Y., et al. Low-voltage electroosmosis pump for stand-alone microfluidics devices. Electrophoresis. 24, 185-192 (2003).
  32. Zeng, S., Chen, C. -H., Mikkelsen, J. C., Santiago, J. G. Fabrication and characterization of electroosmotic micropumps. Sensors and Actuators B: Chemical. 79, 107-114 (2001).
  33. Bhaumik, S. K., Roy, R., Chakraborty, S., DasGupta, S. Low-voltage electrohydrodynamic micropumping of emulsions. Sensors and Actuators B: Chemical. 193, 288-293 (2014).
  34. El Moctar, A. O., Aubry, N., Batton, J. Electro-hydrodynamic micro-fluidic mixer. Lab on a Chip. 3, 273-280 (2003).
  35. Bart, S. F., Tavrow, L. S., Mehregany, M., Lang, J. H. Microfabricated electrohydrodynamic pumps. Sensors and Actuators A: Physical. 21, 193-197 (1990).
  36. Ashikhmin, I. A., Stishkov, Y. K. Effect of insulating walls on the structure of electrodynamic flows in a channel. Technical Physics. 57, 1181-1187 (2012).
  37. Yano, A., Doi, K., Kawano, S. Observation of electrohydrodynamic flow through a pore in ion-exchange membrane. International Journal of Chemical Engineering and Applications. 6, 254-257 (2015).
  38. Doi, K., Yano, A., Kawano, S. Electrohydrodynamic flow through a 1 mm2 cross-section pore placed in an ion-exchange membrane. The Journal of Physical Chemistry B. 119, 228-237 (2015).
  39. Yano, A., Shirai, H., Imoto, M., Doi, K., Kawano, S. Concentration dependence of cation-induced electrohydrodynamic flow passing through an anion exchange membrane. Japanese Journal of Applied Physics. 56, 097201(2017).
  40. Nagura, R., Doi, K., Kawano, S. Characterisation of microparticle transport driven by ionic current conditions in electrically polarized aqueous solutions. Micro & Nano Letters. 12, 526-531 (2017).
  41. Doi, K., et al. Nonequilibrium ionic response of biased mechanically controllable break junction (MCBJ) electrodes. The Journal of Physical Chemistry C. 118, 3758-3765 (2014).

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Reprints and Permissions

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article

Request Permission

Tags

Electrohydrodynamic FlowsIon Exchange MembraneIon Concentration PolarizationAqueous Electrolyte SolutionsElectric Potential ApplicationTracer Particle TrackingHigh Speed CameraPDMS ReservoirGold Bias ElectrodesPIV Analysis

Related Articles