微电极结构产生的交流电动现象

在过去的几年里，芯片实验室社区采用了一种令人兴奋的技术，称为交流电动力学。这组现象可用于在快速和多功能波中纵微米到纳米级的颗粒和流体，并迅速成为许多生物芯片应用所必需的。在本视频中，我们将足够详细地介绍交流电动力学的基础知识，以帮助其他可能从使用这些现象进行研究中受益的科学家和工程师。

大家好，我叫 Robert Hart，是 Drexel 生物医学工程科学与卫生系统系的一名博士生。我们将从交流电动动力学背后的物理特性开始。接下来，我们将进入器件制造，最后我们将展示一些交流电动动力学的视频并解释发生了什么。

我们将要描述的三种力中的第一种称为 di 电泳。在这里，我们看到两个浸没的电极之间产生的电场。如果我们有一个介电粒子进入这个电场，它就会变得极化。

如您所见，粒子上的电荷与液体中的电荷相平衡。无论粒子的极化性是否比液体高或更低，极化性都可以由均匀电场中最经典的 MoSo 因子来确定。粒子受到已知的螺母力。

然而，在不均匀的电场中，如此处所示，更易极化的粒子在经历正 di 电泳时向高电场区域移动，改变频率以切换极化率会导致相反的效果，称为负 di 电泳，并且粒子远离高电场强度区域。第二个力是交流电渗透，在交流电渗透的基础上，由于电势而形成双电层。在表面，该区域分为 stern 层和 diffuse 层，前者由刚性结合到表面的不移动离子组成，后者包含的离子在结合时仍可自由横向移动。

如果我们检查电极边缘附近的一个离子，我们会观察到它受到来自电场的冷却剂力。力的 Y 分量与表面存在的电荷相平衡。因此，离子受到一个指向电极中心的净横向力，电极两侧的离子移动和质量朝向电极中心，并且有足够的数字来拖动流体。

这两种流动的汇合导致中心的流体向上移动，并出现旋转流体模式。切换电位不会影响流体模式的方向，因为反离子也已切换。第三种也是最后一种现象是 AC 热液效应。

当电场穿过液体时，JUUL 加热会引起温度梯度。如仿真所示，水的电特性发生了变化。因此，电性能的这些扰动与电场相互作用，产生体力。

由此产生的运动，如交流电渗透，本质上是旋转的，尽管其起源的性质不同。为了完整起见，我们简要地提到了 AC 热液效应，但热液效应的影响是微妙的。在我们实验的作条件下 根据三种力背后的数学原理，创建了一个有限元数值模拟，它显示了作用在通道中每个位置的 2 微米聚苯乙烯颗粒上的总合力，我们运行的有限元模拟采用电极的二维横截面，并且仅以一个电极为中心。

第一个模拟显示了低电导率介质，并在低频下从 100 赫兹发展到 1 兆赫兹。A C 电渗透占主导地位，从旋转力模式可以看出。随着我们的进展，正离子电泳接管了一切，如通向每个电极角的吸引力所示。

当频率增加超过阈值时，正 DEP 会给负 DEP 赋予权重，粒子将被排斥到一定高度，在那里它们会通过重力来平衡。现在，我们将在高电导率下运行相同的频率。在高电导率下，交流电势通常比低电导率时弱，并且峰值速度出现在较高频率下。

另外，请注意，由于电导率太高，因此没有正 DEP。交流电渗透直接让位于具有更高电导率和更高电压的负 DEP。皮肤电效应将更加清晰地显示出来。

在本节中，我们将讨论器件的制造和组装。这些器件本身由图案化到基板上的金电极组成。在这种情况下是玻璃。

我们将展示一种实现这一目标的湿法蚀刻方法，但众所周知的 liftoff 程序也经常使用，稍后将介绍。我们使用的四种设计是平行叉指、平行齿形、电位井和四叉。该过程的简要说明如下。

首先，在玻璃基板上沉积一层铬和金。接下来，在基板上涂上光刻胶，并将电极图案从掩模转移到基板上。有紫外线接触暴露。

显影后，铬和金被蚀刻掉，光刻胶被剥离。为了获得良好的粘附力，载玻片必须非常干净。这通常使用加热的食人鱼溶液来完成，该溶液由硫酸和过氧化氢组成。

使用这种危险的组合时必须非常小心。清洁后，基材干燥并准备好进行金属沉积。此步骤在电子束蒸发器中进行。

载玻片通过带帽加载到样品架上，该带特别适合承受沉积条件。接下来，将样品装入机器中并抽真空。该工艺包括短短的 2 分钟铬沉积和 30 分钟的金沉积，分别产生大约 20 纳米和 200 纳米的沉积。

当样品被取出时，可以清楚地看到金表面。光刻 从使用旋涂机涂覆光刻胶开始。光刻胶被移液到位于机器内卡盘上的基板上。

通过以特定速度旋转玻璃来形成一致的光刻胶层，从而去除大部分多余的光刻胶。此过程之后在 100 摄氏度下软烘烤两分钟，这会使光刻胶变硬并为紫外线曝光做好准备。接下来，将光掩模与我们的基材接触，并在紫外线下照射约 8 秒。

这会将图案转移到光刻胶上。显影步骤去除了所有暴露在光线下的光刻胶区域。这个过程完成了光刻阶段，我们已经准备好进行金和铬蚀刻了。

我们基板上那些在显影过程中暴露的区域现在可以自由蚀刻。光刻胶可以有效地保护表面的其余部分，但与所有步骤一样，应仔细控制蚀刻时间。在这里，我们看到基板被放置在黑暗的碘基金蚀刻中。

冲洗后 加水，用镀铬蚀刻去除镀铬。请注意玻璃再次变得透明时发生的转换。去除镀铬后，蚀刻与未蚀刻基板的比较显示了结果。

在显微镜下快速检查表明该过程的成功。在这里，我们看到一个成功制造的设备，并建立了电气连接。旁边是一个带有管道连接的 PD DS 通道。

当 PDMS 通道放置在设备上时，会用玻璃进行非常有效的密封，液体可能会流过通道。这是用镊子小心完成的。由于指纹和灰尘会妨碍良好的粘附，因此可以使用镊子的相对侧面来确保良好的附着。填充。

通过将注射器连接到一侧，将另一侧置于聚苯乙烯微球悬浮液中并轻轻抽吸来完成通道。一旦将其放入显微镜中并聚焦，就会与函数发生器进行电气连接。加载样本并建立连接后，设备现在可以进行实验了。

我们将展示的所有实验视频包括将两微米聚苯乙烯微球的水悬浮液注入通道并将信号施加到电极。最初，颗粒是随机分布的，并表现出褐变运动。当一个杀手 HER 信号被施加时，粒子迅速排列在电极中心。

请记住，由于我们使用的是交流磁场，因此我们不会目睹 KIC 力。这种迷人的行为是由于产生的流体模式以及 di 电泳的吸引力。随着频率的增加，颗粒开始沿着电极的宽度扩散。

随着交流电渗透速度降低，介电泳开始在 56 kHz 处占据主导地位，颗粒迁移到电极边缘。随着交流电渗透力的消退，正 di 电泳占主导地位。如图所示，这种行为在 100 kHz 时继续，粒子现在牢牢地扎根于选民边缘。

当频率进一步增加到 250 kHz 时，粒子开始在间隙中排成一排，并且由 500 kHz 粒子相互作用引起的所谓珍珠链行为，由于负 DEP 占主导地位，因此粒子会从电极边缘排斥。这可以用克劳氏克雷姆 MoSo 因子来解释，该因子随着频率的增加从正变为负，导致在 1 兆赫兹处从正 di 电泳转变为负 di 电泳。负 DEP 接近其最大值，颗粒悬浮在电极上方。

电导率的增加会导致 CM 因子发生重要变化。如您所见，没有更多的正 DEP，这会极大地改变粒子的行为。当我们在相同的频率范围内扫描时，请记住这一点，当我们应用沿电极边缘在平面外轨道运行的 1 kHz 信号时。

显微镜提供的俯视图仅显示了颗粒的横向移动，如本动画所示。此视图显示粒子来回移动，从侧面观察时隐藏了粒子的真实运动。他们运动的真实性质可以更容易地看到。

它们实际上是在轨道上运行，它们绕轨道运行而不是被困在每个电极中心的原因被认为是因为 DEP 组件是相反的。随着频率的不断增加，粒子开始聚结成团块，同时保持相同的轨道概念。这种聚集是由于粒子粒子相互作用造成的。

这种相互作用的起源被认为是由于粒子本身引起的轻微电场扭曲。粒子周围的扭曲会产生 DEP 力，从而吸引附近的粒子。随着我们继续增加频率，大约 250 kHz 处会发生巨大变化。

粒子在很大程度上停止轨道运动并形成变化，这是粒子粒子相互作用的另一种表现形式。最终，随着频率变得更高。此时，负 DEP 产生的 1 兆赫兹排斥力将颗粒向上推出显微镜焦平面。

接下来，我们将展示在低电导率下运行的 A 铸造 elated 电极类型。这种电极设计与上一种类型的电极设计相似，因为它是叉指的，但直指已被更复杂的形状所取代。在 1 kHz 时，粒子聚集发生在交叉点的中心，并迅速形成菱形。

随着频率的增加，我们看到相同的粒子从收集的粒子中扩散出来。随着交流电渗透开始消失并且 DEP 接管，Like Before 56 kHz 会导致颗粒缓慢迁移到电极边缘。有趣的是，几乎所有的颗粒都向一侧移动，这可能是由于一些静水压力。

他们移动得更快。在 100 kHz 的 CEO 职位上，他几乎完全消失了。在 250 kHz 时，粒子开始形成专业链。

移动到 500 kHz 引起的负 DEP 迫使颗粒远离电极边缘。将频率增加到 1 兆赫兹会导致粒子向上移出焦平面，因为它们被负 di 电泳排斥得更多。接下来，我们将展示一种在高电导率下运行的齿形电极类型。

这种电极类型产生的旋转模式在电极内角处发生得最明显，这是粒子最终迁移的地方。我们之前看到的菱形斩波行为在这里不存在，因为在这个电导率下没有正的 di 电泳。随着频率的增加，流体速度缓慢降低。

当交流电渗透力在 56 kHz 时消失时，运动非常缓慢，在某些地方，颗粒开始聚集并在 100 kHz 处形成珍珠链。珍珠链相当清晰。随着频率的增加，粒子团块慢慢地聚结并在每个角处形成 X 形。

最后，在 1 兆赫兹时，专业链被负 DEP 克服，粒子从表面被排斥。此处显示的四重设计在电极图案的中心产生低电场强度区域，并设计为使用负介电泳来聚焦粒子。当我们对电极施加 10 伏电压时，我们会看到剧烈的粒子聚焦。

我们将时间加快一点，以便我们可以看到粒子在平衡时的样子。如果我们将电压降低到 1 伏，我们会看到聚焦区域开始扩大。当介电泳在布朗尼蛋糕和运动中失去基础时，再次增加电压会导致颗粒向中心移动。

与四重模式一样，势阱会产生低电场区域以捕获粒子。电极是叉指的，因此我们也可以在这里观察到我们已经看到的其他效果。当信号施加时，我们看到由于 CEO 和 DEP 导致颗粒的快速捕获。

不过，更有趣的效果是空心方块中发生的事情。一段时间后，由于负 di 电泳，这里的颗粒被收集。我们还在势阱的两侧看到一些三角形的集合。

我们刚刚展示了交流电动动力学背后许多有趣的物理学，如何制造这些设备，以及如何根据数值模拟和基础物理学解释实验结果。这些现象涉及移动的粒子，如果没有视觉辅助，就很难理解。交流电动现象可用于许多研究领域。

例如，用于生物传感器应用的颗粒收集，用于样品处理的具有不同特性（如大小和形状）的颗粒的分离，以及用于改进分析的主动混合。我们希望该视频能帮助科学家和工程师使用和制造交流电动设备，这是芯片实验室社区最重要和不断发展的领域之一。嗯，就是这样。

感谢您的观看，祝您的实验好运。