随着交流电泳等使能技术的不断发展，对微米和纳米尺度下流体及悬浮颗粒的操控正日益成为现实。本文将探讨交流电泳背后的物理原理、此类器件的制备方法以及实验现象的解读方式。
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本文内容
摘要
摘要
由于交流电动力学能够实现对微米和纳米尺度下流体与粒子的动态操控，该领域正在迅速发展，这对于芯片实验室（Lab-on-a-Chip）应用至关重要。交流电动力学现象利用电场产生作用于流体或悬浮粒子（包括介电材料或生物材料制成的粒子）的力，从而使其以令人惊叹的方式运动1, 2。在单一微通道内，交流电动力学可完成多种关键的芯片内操作，例如主动微混合、粒子分离、粒子定位和微图案化。通过简单调节施加电压的频率或幅度等操作参数，单个装置即可实现上述多种功能。合适的电场可通过集成于微通道内的微电极轻松产生。从该领域的迅猛发展可以看出，交流电动力学很可能对医疗诊断3-5、环境监测6和国土安全7产生深远影响。
通常，交流电动力学现象包括三种类型：交流电渗、介电电泳和交流电热效应，每种现象对操作参数具有独特的依赖性。改变这些操作参数可能导致其中一种现象占主导地位，从而改变颗粒或流体的行为。
由于介电电动力学背后的物理机制十分复杂，因此很难预测颗粒和流体的行为。本文旨在解释相关物理原理，并阐明颗粒与流体的运动特性。我们的分析还涵盖了产生这些效应的电极结构的制备方法，以及如何利用几种常见的器件设计来解读大量实验现象。本视频文章将帮助科研人员和工程师更好地理解这些现象，并可能激励他们在研究中开始应用交流介电电动力学技术。
方案
在玻璃基底上制备铬/金电极
第1A部分：湿法刻蚀方法
*为了获得最高质量的器件， fabrication 过程应在洁净室环境或层流罩下进行，以防止灰尘和其他污染物影响图案。
- 2 英寸 × 4 英寸的玻璃载片置于加热（80°C）的Piranha溶液（5:7 H₂SO₄:H₂O₂）中2O2：H2SO430分钟以去除污染物（尤其是有机物），然后用去离子水冲洗，并用压缩空气吹干。
- 使用电子束蒸发仪在基底上沉积20 nm的Cr和200 nm的Au。
- 使用旋涂仪将Shipley 1827正性光刻胶涂覆于玻璃载片上（3000 rpm，加速度1000 rpm/s，旋涂时间30秒）。
- 底物随后在100°C下软烘2分钟。
- 通过接触式紫外光曝光8.4秒（总剂量为206 mJ/cm²），将掩膜的图案转移至光刻胶2.
- 光刻胶在 Microposit MF 351:水（1:3）中显影 振荡30秒，随后用去离子水冲洗。
- 在显微镜下检查以确保良好发育后，基底依次用金刻蚀液刻蚀15秒，去离子水清洗，再用铬刻蚀液刻蚀30秒，每次刻蚀前后均用去离子水清洗。
第1B部分：替代方案——剥离法
- 将 2 英寸 × 4 英寸的玻璃载玻片放入加热（80°C）的 piranha 溶液（5:7 H2O2:H2SO4）中处理 30 分钟，以去除污染物（尤其是有机物），随后用去离子水冲洗，并用压缩空气吹干。
- 在基底上旋涂 Futurrex NR-7 1500 PY 负性光刻胶（转速 2000 rpm，斜坡加速度 1000 rpm/s，旋涂时间 40 秒）。
- 基底在 150°C 下预烘（软烘）1 分钟。
- 进行接触式紫外曝光 21 秒（400 mJ/cm2）。
- 将基底置于设定为 100°C 的热板上加热 1 分钟，以完成后烘步骤。
- 在 Futurrex RD6 显影液中显影 6 秒。
- 使用电子束蒸发仪在基底上沉积 30 nm 铬（Cr）和 200 nm 金（Au）。
- 通过将基底放入丙酮超声浴中进行剥离（lift-off），直至在显微镜下观察确认金层完全去除为止。
实验设置
第二部分：微球注射与观察
- PDMS 通道（制备方法在别处描述）通过直接粘附固定在玻璃基底上，使通道覆盖在制备好的电极上方。
- 将约 107 ml 聚苯乙烯微球悬浮于去离子水（0.0002 S/m）或 KCl 溶液（0.05 S/m）中。 然后将管路入口置于微球溶液中，并通过注射器对出口施加负压，从而将溶液注入通道。
- 将加载样品的装置放置在显微镜载物台上，并连接至信号发生器。
- 在显微镜下进行观察的同时，施加一系列随时间变化的频率设置（1 kHz 至 1 MHz）和电压设置（1 或 2 V） 。
注意： 电压不宜过高，频率也不宜过低，否则将导致水的电解。 发生水解的具体电压或频率阈值取决于电极的设计。 我们实验室的指导原则是避免使用低于 500 Hz 的频率或超过 8 V 的电压。
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讨论
在本视频中，我们展示了由交流电动力学现象引起的多种颗粒与流体操控行为。产生这些现象的电极易于制备，并可轻松集成到许多其他系统中。正如我们所展示的，交流电动力学具有广泛的应用前景。这些装置的多功能性以及操控过程的快速性，使其极具吸引力。随着医疗健康及其他行业逐步采用芯片实验室系统，交流电动力学很可能会作为关键组成部分被整合到这些设备中。
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材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 | |
|---|---|---|---|---|
| 2" 由4" Pyrex 玻璃载片 | 底物 | Pyrex 7740 | ||
| 铬掩模 | 材料 | 该光掩模将具有微米级结构–它们上的电极图案可从多种微加工中心定制。 | ||
| PDMS 微通道 | 材料 | 这些可由实验室自制或直接使用，也可使用普通的显微镜载玻片即可满足要求。 | ||
| 过氧化氢 30% | 试剂 | Fisher Scientific | 7722-84-1 | 美国化学会认证，Fisher Scientific |
| 硫酸 | 试剂 | Fisher Scientific | A300-212 | 认证级 ACS Plus |
| 丙酮电子级 | 试剂 | Fisher Scientific | A946-4 | |
| Shipley 1827 正性光刻胶 | 试剂 | MicroChem 公司 | ||
| Shipley 351 显影液 | 试剂 | MicroChem 公司 | ||
| 金蚀刻剂 | 试剂 | Transene 公司 | TFA 型 | |
| 铬光掩模蚀刻剂 | 试剂 | Cyantek Corporation | CR-7S | |
| NR-7 1500 PY 负性光刻胶 | 试剂 | Futurrex | ||
| RD6 开发者 | 试剂 | Futurrex |
参考文献
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