Name: 微电极结构产生的交流电动现象 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2008-07-28T20:28:00.000+00:00
Duration: 20 min 38 s
Description: 了解交流电动现象的基本原理及其在微流控芯片中的应用，学习介电泳、交流电渗流和交流电热效应等关键物理机制，掌握器件制造技术与实验结果解读方法。

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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。&nbsp;
<ol>
<li>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2O&shy;2：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。 </li>
<li>使用电子束蒸发仪在基底上沉积20 nm的Cr和200 nm的Au。 </li>
<li>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）。 </li>
<li>底物随后在100°C下软烘2分钟。 </li>
<li>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. </li>
<li>光刻胶在 Microposit MF 351:水（1:3）中显影 &nbsp;振荡30秒，随后用去离子水冲洗。 </li>
<li>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。 </li>
</ol>
第1B部分：替代方案——剥离法
<ol>
<li>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 H2O&shy;2: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。</li>
<li>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）。</li>
<li>基底在 150°C 下预烘（软烘）1 分钟。</li>
<li>进行接触式紫外曝光 21 秒（400 mJ/cm2）。</li>
<li>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。</li>
<li>在 Futurrex RD6 显影液中显影 6 秒。</li>
<li>使用电子束蒸发仪在基底上沉积 30 nm 铬（Cr）和 200 nm 金（Au）。</li>
<li>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。</li>
</ol>
实验设置
第二部分：微球注射与观察
<ol>
<li>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。</li>
<li>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。&nbsp; 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。</li>
<li>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。</li>
<li>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）&nbsp;。</li>
</ol>
注意：&nbsp; 电压不宜过高，频率也不宜过低，否则将导致水的电解。&nbsp; 发生水解的具体电压或频率阈值取决于电极的设计。&nbsp; 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。

<ol><li>Ramos, A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((AC+Electrokinetics%3A+a+review+of+forces+in+microelectrode+structures%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Physics+D%3A+Applied+Physics%22%5BJournal%5D)">AC Electrokinetics: a review of forces in microelectrode structures.</a> Journal of Physics D: Applied Physics. 31, 2338-2353 (1998).</li>
<li>Morgan, H. ywel, Green, N. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((AC+Electrokinetics%3A+colloids+and+nanoparticles%5BTitle%5D)+AND+%22%22%5BJournal%5D)">AC Electrokinetics: colloids and nanoparticles.</a> , SRP Ltd.. England. (2002).</li>
<li>Toner, M., Irimia, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Blood-on-a-chip%5BTitle%5D)+AND+%22Annual+Review+of+Biomedical+Engineering%22%5BJournal%5D)">Blood-on-a-chip.</a> Annual Review of Biomedical Engineering. 2005, 77-103 (2005).</li>
<li>Ahn, C. H., Choi, J. -W., Beaucage, G., Nevin, J. H., Lee, J. -B., Puntambekar, A., Lee, J. Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Disposable+smart+lab+on+a+chip+for+point+of+care+clinical+diagnostics%5BTitle%5D)+AND+%22%22%5BJournal%5D)">Disposable smart lab on a chip for point of care clinical diagnostics.</a> 282, 399-401 (1998).</li>
<li>Vespoorte, E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Microfluidic+chips+for+clinical+and+forensic+analysis%5BTitle%5D)+AND+%22Electrophoresis%22%5BJournal%5D)">Microfluidic chips for clinical and forensic analysis.</a> Electrophoresis. 23, 677-712 (2002).</li>
<li>Rajaraman, S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Rapid%2C+low+cost+microfabrication+technologies+toward+realization+of+devices+for+dielectrophoretic+manipulation+of+particles+and+nanowires%5BTitle%5D)+AND+%22Sensors+and+Actuators+B%3A+Chemical%22%5BJournal%5D)">Rapid, low cost microfabrication technologies toward realization of devices for dielectrophoretic manipulation of particles and nanowires.</a> Sensors and Actuators B: Chemical. 114, 392-401 (2006).</li>
<li>Ali, Z. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Lab-on-a-chip+for+terrorist+weapons+management%5BTitle%5D)+AND+%22Measurement+and+Control%22%5BJournal%5D)">Lab-on-a-chip for terrorist weapons management.</a> Measurement and Control. 38, 87-91 (2005).</li>
<li>Voldman, J. oel, Rosenthal, A. dam <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Dielectrophoretic+Traps+for+Single-particle+Patterning%5BTitle%5D)+AND+%22Biophysical+Journal%22%5BJournal%5D)">Dielectrophoretic Traps for Single-particle Patterning.</a> Biophysical Journal. 88, 2193-2205 (2005).</li>
<li>Ramachandran, T. R., Baur, C., Bugacov, A., Madhukar, A., Koel, B. E., Requicha, A., Gazen, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Direct+and+controlled+manipulation+of+nanometer-sized+particles+using+the+non-contact+atomic+force+microscope%5BTitle%5D)+AND+%22Nanotechnology%22%5BJournal%5D)">Direct and controlled manipulation of nanometer-sized particles using the non-contact atomic force microscope.</a> Nanotechnology. 9, 237-245 (1998).</li>
<li>Sigurdson, M. arin, Wang, D., Meinhart, C. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Electrothermal+stirring+for+heterogeneous+immunoassays%5BTitle%5D)+AND+%22Lab+Chip%22%5BJournal%5D)">Electrothermal stirring for heterogeneous immunoassays.</a> Lab Chip. 5, 1366-1373 (2005).</li>
<li>Urbanski, J. ohn P. aul, Levitan, J. eremyA., Bazant, M. artinZ., Thorsen, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Fast+ac+electro-osmotic+micropumps+with+non-planar+electrodes%5BTitle%5D)+AND+%22Appl.+Phys.+Lett%22%5BJournal%5D)">Fast ac electro-osmotic micropumps with non-planar electrodes.</a> Appl. Phys. Lett. 89, 143508- (2006).</li>
<li>Fatoyinbo, H. O., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((An+integrated+dielectrophoretic+quartz+crystal+microbalance+%28DEP-QCM%29+device+for+rapid+biosensing+applications%5BTitle%5D)+AND+%22Biosens+Bioelectron%22%5BJournal%5D)">An integrated dielectrophoretic quartz crystal microbalance (DEP-QCM) device for rapid biosensing applications.</a> Biosens Bioelectron. 23, 225-232 (2007).</li>
</ol>

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。

<table><tbody><tr><td>2&quot; 由4&quot; Pyrex 玻璃载片</td><td>底物</td><td></td><td></td><td>Pyrex 7740</td></tr><tr><td>铬掩模</td><td>材料</td><td></td><td></td><td>该光掩模将具有微米级结构&amp;#8211;它们上的电极图案可从多种微加工中心定制。</td></tr><tr><td>PDMS 微通道</td><td>材料</td><td></td><td></td><td>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。</td></tr><tr><td>过氧化氢 30%</td><td>试剂</td><td>Fisher Scientific</td><td>7722-84-1</td><td>美国化学会认证，Fisher Scientific</td></tr><tr><td>硫酸</td><td>试剂</td><td>Fisher Scientific</td><td>A300-212</td><td>认证级 ACS Plus</td></tr><tr><td>丙酮电子级</td><td>试剂</td><td>Fisher Scientific</td><td>A946-4</td><td></td></tr><tr><td>Shipley 1827 正性光刻胶</td><td>试剂</td><td>MicroChem 公司</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Shipley 351 显影液</td><td>试剂</td><td>MicroChem 公司</td><td></td><td></td></tr><tr><td>金蚀刻剂</td><td>试剂</td><td>Transene 公司</td><td>TFA 型</td><td></td></tr><tr><td>铬光掩模蚀刻剂</td><td>试剂</td><td>Cyantek Corporation</td><td>CR-7S</td><td></td></tr><tr><td>NR-7 1500 PY 负性光刻胶</td><td>试剂</td><td>Futurrex</td><td></td><td></td></tr><tr><td>RD6 开发者</td><td>试剂</td><td>Futurrex</td><td></td><td></td></tr></tbody></table>

由微电极结构产生的交流电动力学现象

AC Electrokinetic Phenomena Generated by Microelectrode Structures

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。

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。

交流电泳学领域正迅速发展，因其能够在微米和纳米尺度上实现对流体和粒子的动态操控，……

在过去的几年中，芯片实验室领域已广泛接受了一项名为交流电动力学（AC Electrokinetics）的前沿技术。这类现象能够以快速且多样化的方式在微米至纳米尺度上操控颗粒与流体，现已成为众多生物芯片应用中不可或缺的技术。在本视频中，我们将详细讲解交流电动力学的基本原理，以帮助其他可能在研究中受益于这些现象的科研人员与工程师。大家好，我叫 Robert Hart，是德雷塞尔大学生物医学工程科学与健康系统系的一名博士研究生。在本视频开始时，我们将简要介绍交流电电动力学背后的物理原理。接下来，我们将介绍器件的制备过程，最后展示一些交流电电动力学的实验视频，并解释其中发生的现象。我们将要描述的三种力中的第一种被称为介电电泳。在这里，我们看到两个浸入液体中的电极之间产生了一个电场。如果将一个介电粒子放入该电场中，它就会被极化。如您所见，粒子上的电荷由液体内部的电荷平衡。粒子的极化能力是强于还是弱于液体，可通过在均匀电场中测定经典的MoSo因子来确定。这些粒子会受到已知的nut力作用。然而，在非均匀电场中（如此处所示），极化率较高的粒子会向电场强度较高的区域移动，因为它们经历了正向介电泳；而改变频率以切换极化性则会产生相反效应，即所谓的负向介电泳，此时粒子会远离电场强度较高的区域。第二种力是交流电渗，其基础是在电势作用下形成双电层。在表面处，该区域分为紧密层（Stern层），由牢固结合在表面上不可移动的离子组成，以及扩散层，其中包含虽被束缚但仍可侧向移动的离子。如果观察电极边缘附近的某个离子，会发现它受到电场施加的冷却力作用。该力的Y分量被表面电荷的存在所平衡。因此，离子受到一个净侧向力，方向指向电极中心。电极两侧的离子均向中心移动，并聚集到足够数量，从而带动周围流体一同运动。这两种流动的汇聚导致中心处的液体向上移动，并形成一种旋转的流体模式。切换电势不会影响流体模式的方向，因为反离子也同时发生了切换。第三种也是最后一种现象是交流热液效应。当电流通过液体时，JUUL加热会引起温度梯度。如模拟所示，水的电学性质发生变化。因此，这些电学性质的扰动与电场相互作用，产生体积力。尽管产生机制不同，所产生的类似交流电电渗现象本质上仍表现为旋转运动。为完整起见，我们简要提及了交流热液效应，但热液效应的影响较为微弱。在本实验的操作条件下，根据上述三种力的数学原理，我们建立了有限元数值模拟，用以展示作用于通道内每个位置上直径两微米聚苯乙烯颗粒的总合力。该有限元模拟针对电极的二维截面进行，并仅聚焦于其中一个电极的中心区域。第一次模拟显示了低电导率介质，在低频范围内从100赫兹逐步变化至1兆赫兹。此时，交流电渗占主导地位，可通过旋转力场模式观察到。随着频率升高，正介电泳逐渐取代主导作用，表现为指向每个电极角落的吸引力。当频率超过某一阈值后，正向介电泳力对负向介电泳力产生影响，颗粒将被排斥至

ac-electrokinetic-phenomena-generated-by-microelectrode-structures

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科研

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生物学

微电极结构产生的交流电动现象

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