AC elektrokinetischen Phänomenen von Mikroelektroden-Strukturen erzeugt

In den letzten Jahren hat sich die Lab-on-a-Chip-Community eine aufregende Technologie zu eigen gemacht, die als AC-Elektrokinetik bekannt ist. Diese Gruppe von Phänomenen kann verwendet werden, um Partikel und Flüssigkeiten im Mikrometer- bis Nanometerbereich in schnellen und vielseitigen Wellen zu manipulieren, und wird für viele Biochip-Anwendungen schnell unverzichtbar. In diesem Video gehen wir auf die Grundlagen der Wechselstrom-Elektrokinetik so detailliert ein, dass sie anderen Wissenschaftlern und Ingenieuren helfen können, die von der Nutzung dieser Phänomene in ihrer Forschung profitieren können.

Hallo, mein Name ist Robert Hart und ich bin Doktorand hier bei Drexel in der Abteilung für Biomedical Engineering Science und Gesundheitssysteme. Wir beginnen dieses Video mit einer kurzen Beschreibung der Physik hinter der elektrischen Wechselstromkinetik. Als Nächstes gehen wir zur Geräteherstellung über, und schließlich zeigen wir einige Videos der AC-Elektrokinetik und erklären, was passiert.

Die erste der drei Kräfte, die wir beschreiben werden, ist als Di-Elektrophorese bekannt. Hier sehen wir ein elektrisches Feld, das zwischen zwei getauchten Elektroden erzeugt wird. Wenn wir ein dielektrisches Teilchen in dieses elektrische Feld haben, wird es polarisiert.

Wie Sie sehen können, werden die Ladungen auf dem Teilchen durch die Ladungen in der Flüssigkeit ausgeglichen. Ob das Teilchen polarisierbarer als die Flüssigkeit oder weniger polarisierbar ist, kann durch den edelsten MoSo-Faktor in einem gleichmäßigen elektrischen Feld bestimmt werden. Die Partikel erfahren die bekannte Mutterkraft.

In einem ungleichmäßigen elektrischen Feld, wie dem hier gezeigten, bewegen sich jedoch Teilchen, die polarisierbarer sind, in Bereiche mit hohem elektrischem Feld, da sie eine positive Dielektrophorese erfahren. Die Änderung der Frequenz zum Umschalten der Polarisierbarkeit führt zu dem gegenteiligen Effekt, der als negative Dielektrophorese bekannt ist, und die Teilchen bewegen sich von Bereichen mit hoher elektrischer Feldstärke weg. Die zweite Kraft ist die Wechselstrom-Elektroosmose an der Grundlage der Wechselstrom-Elektroosmose als Bildung der elektrischen Doppelschicht aufgrund des elektrischen Potentials. An der Oberfläche ist dieser Bereich unterteilt in die Heckschicht, die aus unbeweglichen Ionen besteht, die starr an die Oberfläche gebunden sind, und die diffuse Schicht, die Ionen enthält, die sich im gebundenen Zustand noch frei seitlich bewegen können.

Wenn wir eines der Ionen in der Nähe des Randes der Elektrode untersuchen, stellen wir fest, dass es eine Kühlkraft durch das elektrische Feld erfährt. Die Y-Komponente der Kraft wird durch das Vorhandensein von Ladungen an der Oberfläche ausgeglichen. Daher erfährt das Ion eine Netto-Querkraft, die auf das Zentrum der Elektrode gerichtet ist, Ionen auf beiden Seiten der Elektrode bewegen sich und Masse in Richtung Zentrum der Elektrode und genügend Zahlen, um die Flüssigkeit mitzuziehen.

Die Konvergenz dieser beiden Strömungen bewirkt, dass sich das Fluid in der Mitte nach oben bewegt und ein rotierendes Fluidmuster entsteht. Das Schalten des Potentials hat keinen Einfluss auf die Richtung des Fluidmusters, da die Gegenionen ebenfalls geschaltet haben. Das dritte und letzte Phänomen ist der hydrothermale AC-Effekt.

Wenn ein elektrisches Feld durch eine Flüssigkeit geleitet wird, verursacht die JUUL-Heizung Temperaturgradienten. Wie in der Simulation gezeigt, ändern sich die elektrischen Eigenschaften von Wasser. Infolgedessen interagieren diese Störungen der elektrischen Eigenschaften mit dem elektrischen Feld, um eine Körperkraft zu verursachen.

Die resultierende Bewegung ist wie die AC-Elektrokose rotatorischer Natur, trotz der unterschiedlichen Natur ihrer Ursprünge. Der Vollständigkeit halber haben wir den hydrothermalen AC-Effekt kurz erwähnt, aber die Auswirkungen des hydrothermalen Effekts sind subtil. Unter den Betriebsbedingungen unserer Experimente Aus den mathematischen Grundlagen hinter jeder der drei Kräfte wurde eine numerische Finite-Elemente-Simulation erstellt, die die gesamte kombinierte Kraft zeigt, die auf ein zwei Mikrometer Polystyrol-Partikel wirkt. An jeder Position im Kanal nimmt die von uns durchgeführte Finite-Elemente-Simulation einen zweidimensionalen Querschnitt der Elektroden und zentriert sich auf nur eine.

Die erste Simulation zeigt Medien mit geringer Leitfähigkeit und schreitet bei niedrigen Frequenzen von 100 Hertz auf ein Megahertz fort. Es dominiert eine C-Elektroosmose, wie man am Rotationskraftmuster erkennen kann. Im weiteren Verlauf übernimmt die positive Dielektrophorese die Kontrolle, was durch die Anziehungskräfte veranschaulicht wird, die zu jeder Elektrodenecke führen.

Wenn die Frequenz über einen Schwellenwert hinaus ansteigt, gibt positives DEP negativem Gewicht und Partikel werden bis zu einer bestimmten Höhe abgestoßen, wo sie durch die Schwerkraft ausgeglichen werden. Jetzt durchlaufen wir die gleichen Frequenzen bei hoher Leitfähigkeit. Bei hoher Leitfähigkeit ist die Wechselstrom-Elektrokraft im Allgemeinen weniger stark als bei niedriger Leitfähigkeit und die Spitzengeschwindigkeit tritt bei einer höheren Frequenz auf.

Beachten Sie auch, dass es kein positives DEP gibt, da die Leitfähigkeit zu hoch ist. Die AC-Elektroosmose weicht direkt einer negativen DEP mit höherer Leitfähigkeit und höherer Spannung. Die elektrodermale Wirkung wird viel deutlicher gezeigt.

In diesem Abschnitt werden wir über die Herstellung und Montage von Geräten sprechen. Die Bauelemente selbst bestehen aus Goldelektroden, die auf ein Substrat aufgebracht sind. In diesem Fall Glas.

Wir zeigen eine Nassätzmethode, um dies zu erreichen, aber auch das bekannte Liftoff-Verfahren wird routinemäßig angewendet und wird später gezeigt. Die vier Designs, die wir verwenden, sind parallel interdigitated, parallel castellated, potential well und quadruple. Im Folgenden finden Sie eine kurze Beschreibung des Prozesses.

Zunächst wird eine Schicht aus Chrom und Gold auf das Glassubstrat aufgebracht. Als nächstes wird das Substrat mit Fotolack beschichtet und das Elektrodenmuster von der Maske auf das Substrat übertragen. Mit UV-Kontaktbelichtung.

Nach der Entwicklung werden das Chrom und Gold weggeätzt und der Fotolack abgestreift. Um eine gute Haftung zu gewährleisten, müssen die Objektträger sehr sauber sein. Dies geschieht üblicherweise mit erhitzter Piranha-Lösung, die aus Schwefelsäure und Wasserstoffperoxid besteht.

Bei der Arbeit mit dieser gefährlichen Kombination ist große Vorsicht geboten. Nach der Reinigung sind die Substrate getrocknet und bereit für die Metallabscheidung. Dieser Schritt wird in einem Elektronenstrahlverdampfer durchgeführt.

Die Objektträger werden mit einer Kappe auf Klebeband auf den Probenhalter geladen, der besonders geeignet ist, den Abscheidungsbedingungen standzuhalten. Anschließend werden die Proben in die Maschine geladen und abgesaugt. Der Prozess besteht aus einer kurzen zweiminütigen Abscheidung von Chrom und einer 30-minütigen Abscheidung von Gold, was zu etwa 20 bzw. 200 Nanometern führt.

Bei der Entnahme der Proben ist die Goldoberfläche deutlich zu sehen. Photolithographie Beginnt mit einer Beschichtung von Fotolack mit einer Schleuderbeschichtungsmaschine. Der Fotolack wird auf das Substrat pipettiert, das auf einem Spannfutter in der Maschine sitzt.

Eine gleichmäßige Schicht Fotolack wird erzeugt, indem das Glas mit einer bestimmten Geschwindigkeit gedreht wird, wodurch der größte Teil des überschüssigen Fotolacks entfernt wird. Diesem Vorgang folgt ein weiches Backen für zwei Minuten bei 100 Grad C. Dadurch wird der Fotolack ausgehärtet und für die UV-Belichtung vorbereitet. Anschließend wird die Fotomaske mit unserem Substrat in Kontakt gebracht und etwa acht Sekunden lang UV-Licht ausgesetzt.

Dadurch wird das Muster auf den Fotolack übertragen. Der Entwicklungsschritt entfernt alle Bereiche des Fotolacks, die dem Licht ausgesetzt wurden. Dieser Prozess schließt die Photolithographie-Phase ab und wir sind bereit für das Gold- und Chromätzen.

Die Bereiche auf unserem Substrat, die im Entwicklungsprozess freigelegt wurden, können nun frei geätzt werden. Der Fotolack schützt effektiv den Rest der Oberfläche, aber wie bei allen Schritten sollte die Ätzzeit sorgfältig kontrolliert werden. Hier sehen wir, wie die Substrate in die dunkle, jodbasierte Goldätzung eingelegt werden.

Nach dem Spülen und Wasser wird das Chrom mit der Chromätzung entfernt. Beachten Sie die Verwandlung, die stattfindet, wenn das Glas wieder transparent geworden ist. Sobald das Chrom entfernt ist, zeigt ein Vergleich der geätzten mit ungeätzten Substraten die Ergebnisse.

Eine schnelle Inspektion unter dem Mikroskop zeigt den Erfolg des Prozesses. Hier sehen wir ein erfolgreich gefertigtes Gerät mit elektrischen Anschlüssen. Daneben befindet sich ein PD DS-Kanal mit Schlauchanschlüssen.

Wenn der PDMS-Kanal auf ein Gerät aufgesetzt wird, wird eine sehr effektive Abdichtung mit einem Glas hergestellt und Flüssigkeit kann durch den Kanal fließen. Dies geschieht vorsichtig mit einer Pinzette. Da Fingerabdrücke und Staub eine gute Haftung verhindern können, können die gegenüberliegenden Seiten der Pinzette verwendet werden, um eine gute Befestigung zu gewährleisten. Füllung.

Der Kanal erfolgt durch Anbringen einer Spritze an einer Seite, Platzieren der anderen in einer Polystyrol-Mikrosphären-Suspension und sanfter Absaugung. Sobald es in das Mikroskop eingesetzt und fokussiert ist, werden die elektrischen Verbindungen zum Funktionsgenerator hergestellt. Mit den geladenen Proben und den hergestellten Verbindungen sind die Geräte nun bereit für ein Experiment.

Alle experimentellen Videos, die wir zeigen werden, bestehen darin, eine wässrige Suspension von zwei Mikrometer-Polystyrol-Mikrokügelchen in den Kanal zu injizieren und ein Signal an die Elektroden anzulegen. Zunächst sind die Partikel zufällig verteilt und zeigen eine Bräunungsbewegung. Wenn der eine Killer, sein Signal, angelegt wird, richten sich die Partikel schnell in der Mitte der Elektrode aus.

Denken Sie daran, da wir ein Wechselstromfeld verwenden, sind wir keine KIC-Kraft. Dieses faszinierende Verhalten ist sowohl auf die erzeugten Fluidmuster als auch auf die Anziehungskräfte der Dielektrophorese zurückzuführen. Wenn die Frequenz erhöht wird, beginnen sich die Partikel über die Breite der Elektrode auszubreiten.

Wenn die elektroosmotische Geschwindigkeit des Wechselstroms abnimmt und die Dielektrophorese bei 56 Kilohertz zu übernehmen beginnt, wandern die Teilchen zum Elektrodenrand. Mit zunehmender AC-Elektroosmose sterben die Kräfte aus und die positive Dielektrophorese überwiegt. Wie in diesem Diagramm gezeigt, setzt sich dieses Verhalten bei 100 Kilohertz fort und die Partikel sind nun fest an der Wählerkante verwurzelt.

Wenn die Frequenz weiter auf 250 Kilohertz erhöht wird, beginnen sich die Partikel über den Spalt auszurichten und das sogenannte Perlenkettenverhalten, das durch Partikelwechselwirkungen bei 500 Kilohertz verursacht wird, werden von der Elektrodenkante abgestoßen, da negatives DEP überwiegt. Dies kann durch den K clausius MoSo-Faktor erklärt werden, der mit einer Frequenzerhöhung von positiv nach negativ wechselt und bei einem Megahertz einen Übergang von positiver Dielektrophorese zu negativer Dielektrophorese bewirkt. Der negative DEP nähert sich seinem Maximalwert und die Partikel werden über der Elektrode schweben.

Eine Erhöhung der Leitfähigkeit bewirkt eine wichtige Veränderung des CM-Faktors. Wie Sie sehen können, gibt es kein positives DEP mehr, was das Partikelverhalten drastisch verändert. Denken Sie daran, wenn wir durch denselben Frequenzbereich streichen, wenn wir ein Kilohertz-Signal anlegen: Partikel kreisen außerhalb der Ebene entlang der Elektrodenkante.

Die Draufsicht des Mikroskops zeigt nur die seitliche Partikelbewegung, wie in dieser Animation gezeigt. Diese Ansicht, die zeigt, wie sich die Partikel hin und her bewegen, verbirgt die wahre Bewegung der Partikel, wenn sie von der Seite betrachtet wird. Die wahre Natur ihrer Bewegung kann leichter erkannt werden.

Es wird angenommen, dass der Grund, warum sie kreisen und nicht in der Mitte jeder Elektrode gefangen sind, daran liegt, dass die DEP-Komponente umgekehrt ist. Wenn die Frequenz weiter zunimmt, beginnen die Teilchen, sich zu Klumpen zu verschmelzen, während die gleiche orbitale Vorstellung beibehalten wird. Diese Verklumpung ist auf die Wechselwirkung der Partikel zurückzuführen.

Es wird angenommen, dass die Ursprünge dieser Wechselwirkung auf die leichten Verzerrungen des elektrischen Feldes zurückzuführen sind, die von den Teilchen selbst verursacht werden. Die Verzerrungen um die Partikel herum erzeugen DEP-Kräfte, die benachbarte Partikel anziehen. Wenn wir die Frequenz weiter erhöhen, kommt es bei etwa 250 Kilohertz zu einer dramatischen Veränderung.

Teilchen stoppen weitgehend die Orbitalbewegung und bilden eine Veränderung, eine weitere Manifestation der Teilchenwechselwirkung. Irgendwann, wenn die Frequenz noch höher wird. An diesem Punkt schleudert eine Megahertz-Abstoßung aufgrund eines negativen DEP die Teilchen nach oben und aus der Mikroskopfokalebene heraus.

Als Nächstes zeigen wir einen gegossenen Elektrodentyp, der bei geringer Leitfähigkeit arbeitet. Dieses Elektrodendesign ähnelt dem des letzten Typs insofern, als es ineinander verzahnt ist, aber die geraden Finger wurden durch eine kompliziertere Form ersetzt. Bei einem Kilohertz findet die Partikelsammlung in der Mitte der Schnittpunkte statt und bildet schnell eine Rautenform.

Mit zunehmender Frequenz sehen wir, wie sich das Gleiche aus den gesammelten Teilchen ausbreitet. Wenn die AC-Elektroosmose auszusterben beginnt und DEP die Kontrolle übernimmt, bewirken Like Before 56 Kilohertz, dass die Partikel langsam zum Elektrodenrand wandern. Interessanterweise bewegen sich fast alle Partikel auf eine Seite, was auf einen gewissen hydrostatischen Druck zurückzuführen sein kann.

Sie bewegen sich viel schneller. Bei 100 Kilohertz ist als CEO fast komplett verschwunden. Bei 250 Kilohertz beginnen die Teilchen, Pro-Ketten zu bilden.

Die negative DEP, die durch die Verschiebung auf 500 Kilohertz entsteht, drückt die Partikel vom Elektrodenrand weg. Wenn man die Frequenz noch weiter auf ein Megahertz erhöht, bewegen sich die Teilchen aus der Brennebene nach oben, da sie durch die negative Dielektrophorese noch stärker abgestoßen werden. Als Nächstes zeigen wir einen zagierten Elektrodentyp, der mit hoher Leitfähigkeit arbeitet.

Das Rotationsmuster, das bei diesem Elektrodentyp erzeugt wird, tritt am dramatischsten an den inneren Elektrodenecken auf, und dorthin wandern die Partikel schließlich. Das diamantförmige Hackverhalten, das wir zuvor gesehen haben, existiert hier nicht, da es bei dieser Leitfähigkeit keine positive Dielektrophorese gibt. Mit zunehmender Frequenz nimmt die Geschwindigkeit der Flüssigkeit langsam ab.

Da die AC-Elektroosmosekräfte bei 56 Kilohertz aussterben, ist die Bewegung sehr langsam und an einigen Stellen beginnen die Partikel zu verklumpen und bei 100 Kilohertz Perlenketten zu bilden. Perlenketten sind ganz klar. Langsam, wenn die Frequenz erhöht wird, verschmelzen die Klumpen von Partikeln und bilden an jeder Ecke X-Formen.

Bei einem Megahertz schließlich werden die Pro-Ketten durch negatives DEP überwunden und Partikel von der Oberfläche abgestoßen. Das hier gezeigte Quadruple-Design bewirkt einen Bereich mit geringer elektrischer Feldstärke in der Mitte des Elektrodenmusters und ist so konzipiert, dass negative Dielektrophorese zur Fokussierung von Partikeln verwendet wird. Wenn wir 10 Volt an die Elektroden anlegen, sehen wir eine dramatische Partikelfokussierung.

Wir werden die Zeit etwas beschleunigen, damit wir sehen können, wie die Teilchen im Gleichgewicht aussehen. Wenn wir die Spannung auf ein Volt reduzieren, sehen wir, dass sich der fokussierte Bereich auszudehnen beginnt. Wenn die Dielektrophorese gegen Brownie und Bewegung an Boden verliert, bewirkt eine erneute Erhöhung der Spannung, dass sich die Teilchen wieder in Richtung Zentrum bewegen.

Wie das vierfache Muster erzeugt der Potentialtopf Bereiche mit schwachem elektrischem Feld, um Teilchen einzufangen. Die Elektroden sind miteinander verzahnt, so dass auch hier andere Effekte zu beobachten sind, die wir bereits gesehen haben. Wenn die Signale angewendet werden, sehen wir ein schnelles Einfangen von Partikeln aufgrund eines CEO und DEP.

Der interessantere Effekt ist jedoch, was in den hohlen Quadraten passiert. Hier werden die Partikel aufgrund der negativen Dielektrophorese nach einiger Zeit gesammelt. Wir sehen auch eine gewisse Ansammlung auf beiden Seiten des potenziellen Bohrlochs in Form von Dreiecken.

Wir haben gerade einige der vielen interessanten Physik hinter der AC-Elektrokinetik gezeigt, wie man diese Geräte herstellt und wie man experimentelle Ergebnisse auf der Grundlage numerischer Simulationen und der zugrunde liegenden Physik interpretiert. Diese Phänomene, bei denen es um bewegte Teilchen geht, sind ohne visuelle Hilfsmittel nur schwer zu verstehen. Elektrokinetische Wechselstromphänomene können in vielen Forschungsbereichen eingesetzt werden.

Zum Beispiel die Partikelsammlung für Biosensoranwendungen, die Trennung von Partikeln mit unterschiedlichen Eigenschaften wie Größe und Form für die Probenverarbeitung und das aktive Mischen zur Verbesserung des Assays. Wir hoffen, dass dieses Video Wissenschaftlern und Ingenieuren hilft, kinetische Geräte mit Wechselstrom zu verwenden und herzustellen, einen der wichtigsten und wachsendsten Bereiche der Lab-on-a-Chip-Community. Nun, das war's.

Vielen Dank fürs Zuschauen und viel Erfolg bei Ihren Experimenten.