AC electrocinéticas fenómenos generados por las Estructuras de microelectrodos

En los últimos años, la comunidad de laboratorios en chips ha adoptado una tecnología emocionante conocida como AC Electrokinetics. Este grupo de fenómenos se puede utilizar para manipular partículas y fluidos a escala micrométrica a nanométrica en ondas rápidas y versátiles, y se está convirtiendo rápidamente en esencial para muchas aplicaciones de biochips. En este video, vamos a repasar los conceptos básicos de la electrocinética de CA con suficiente detalle para ayudar a otros científicos e ingenieros que pueden beneficiarse del uso de estos fenómenos en su investigación.

Hola, mi nombre es Robert Hart y soy estudiante de doctorado aquí en Drexel en el departamento de Ciencias de Ingeniería Biomédica y Sistemas de Salud. Comenzaremos este video con una breve descripción de la física detrás de la cinética eléctrica de CA. A continuación, pasaremos a la fabricación de dispositivos y, por último, mostraremos algunos videos de la electrocinética de CA y explicaremos lo que está sucediendo.

La primera de las tres fuerzas que describiremos se conoce como di electroforesis. Aquí vemos un campo eléctrico generado entre dos electrodos sumergidos. Si tuviéramos una partícula dieléctrica en este campo eléctrico, se polarizaría.

Como puede ver, las cargas de la partícula se equilibran con las cargas dentro del líquido. Si la partícula es más polarizable que el líquido o menos, la polarizabilidad se puede determinar por el factor MoSo más elegante en un campo eléctrico uniforme. Las partículas experimentan una fuerza de tuerca conocida.

Sin embargo, en un campo eléctrico no uniforme, como el que se muestra aquí, las partículas que son más polarizables se mueven hacia áreas de alto campo eléctrico a medida que experimentan dielectroforesis positiva, cambiar la frecuencia para cambiar la polarizabilidad da como resultado el efecto opuesto conocido como di electroforesis negativa y las partículas se alejan de las áreas de alta intensidad de campo eléctrico. La segunda fuerza es la electroósmosis de CA en la base de la electroósmosis de CA como la formación de la doble capa eléctrica debido al potencial eléctrico. En la superficie, esta región se divide en la capa de popa, que consiste en iones inamovibles unidos rígidamente a la superficie, y la capa difusa, que contiene iones que, mientras están unidos, aún pueden moverse lateralmente.

Si inspeccionamos uno de los iones cerca del borde del electrodo, observamos que experimenta una fuerza de refrigerante del campo eléctrico. La componente Y de la fuerza se equilibra mediante la existencia de cargas en la superficie. Por lo tanto, el ion experimenta una fuerza lateral neta dirigida hacia el centro del electrodo: los iones a ambos lados del electrodo se mueven y la masa hacia el centro del electrodo y son suficientes para arrastrar el fluido.

La convergencia de estos dos flujos hace que el fluido en el centro se mueva hacia arriba y surja un patrón de fluido rotacional. La conmutación del potencial no afecta a la dirección del patrón del fluido porque los contraiones también han conmutado. El tercer y último fenómeno es el efecto hidrotermal de la corriente alterna.

Cuando un campo eléctrico pasa a través de un líquido, el calentamiento JUUL provoca gradientes de temperatura. Como se muestra en la simulación, las propiedades eléctricas del agua cambian. Como resultado, estas perturbaciones en las propiedades eléctricas interactúan con el campo eléctrico para causar una fuerza corporal.

El movimiento resultante, como la electroósmosis de CA, es de naturaleza rotacional a pesar de la diferente naturaleza de sus orígenes. Mencionamos brevemente el efecto hidrotermal de CA para completar, pero los efectos del efecto hidrotermal son sutiles. Bajo las condiciones de operación de nuestros experimentos A partir de los principios matemáticos detrás de cada una de las tres fuerzas, se creó una simulación numérica de elementos finitos, que muestra la fuerza combinada total que actúa sobre una partícula de poliestireno de dos micras En cada posición en el canal, la simulación de elementos finitos que hemos ejecutado toma una sección transversal bidimensional de los electrodos y se centra en uno solo.

La primera simulación muestra medios de baja conductividad y progresa de 100 hercios a un megahercio a bajas frecuencias. Un electro ósmosis C es dominante, como se puede ver por el patrón de fuerza de rotación. A medida que avanzamos, la di electroforesis positiva toma el relevo, como lo ilustran las fuerzas de atracción que conducen a cada esquina del electrodo.

A medida que la frecuencia aumenta más allá de un umbral, el DEP positivo da peso al DEP negativo y las partículas serán repelidas hasta una cierta altura en la que se equilibran por la fuerza de la gravedad. Ahora, vamos a pasar por las mismas frecuencias a alta conductividad. A alta conductividad, la fuerza de movimiento de los electros de CA es generalmente menos fuerte que la de baja conductividad y la velocidad máxima se produce a una frecuencia más alta.

Además, tenga en cuenta que no hay DEP positivo porque la conductividad es demasiado alta. La electroósmosis de CA da paso directamente a un DEP negativo con una mayor conductividad y mayor voltaje. El efecto electrodérmico se mostrará mucho más claramente.

En esta sección, hablaremos sobre la fabricación y el ensamblaje de dispositivos. Los dispositivos en sí consisten en electrodos de oro modelados sobre un sustrato. En este caso vidrio.

Mostraremos un método de grabado en húmedo para lograr esto, pero el conocido procedimiento de despegue también se usa de manera rutinaria y se mostrará más adelante. Los cuatro diseños que estamos utilizando son paralelo interdigitado, paralelo almenado, pozo potencial y cuádruple. A continuación se presenta una breve descripción del proceso.

En primer lugar, se deposita una capa de cromo y oro sobre el sustrato de vidrio. A continuación, el sustrato se recubre con fotorresistencia y el patrón de electrodos se transfiere de la máscara al sustrato. Con exposición a los rayos UV.

Después del revelado, el cromo y el oro se graban y se quita la fotorresistencia. Para una buena adherencia, los portaobjetos de vidrio deben estar muy limpios. Esto se hace comúnmente con una solución de piraña calentada, que consiste en ácido sulfúrico y peróxido de hidrógeno.

Se debe tener mucho cuidado al trabajar con esta peligrosa combinación. Después de la limpieza, los sustratos se secan y están listos para la deposición del metal. Este paso se realiza en un evaporador de haz de electrones.

Los portaobjetos de vidrio se cargan en el portamuestras con tapa en cinta, que es especialmente adecuado para soportar las condiciones de deposición. A continuación, las muestras se cargan en la máquina y se aspiran. El proceso consiste en una breve deposición de dos minutos de cromo y una deposición de 30 minutos de oro, lo que da como resultado aproximadamente 20 y 200 nanómetros respectivamente.

Cuando se retiran las muestras, se ve claramente la superficie dorada. Fotolitografía Comienza con un recubrimiento de fotorresistencia utilizando una máquina de recubrimiento por centrifugación. La fotorresistencia se pipetea sobre el sustrato que se asienta sobre un mandril dentro de la máquina.

Se crea una capa consistente de fotorresistencia girando el vidrio a una velocidad específica, lo que elimina la mayor parte del exceso de fotorresistencia. A este proceso le sigue un horneado suave durante dos minutos a 100 grados C. Esto endurece la fotorresistencia y la prepara para la exposición a los rayos UV. A continuación, la fotomascarilla se coloca en contacto con nuestro sustrato y se expone a la luz ultravioleta durante aproximadamente ocho segundos.

Esto transfiere el patrón a la foto-resistencia. El paso de revelado elimina todas las áreas de fotorresistencia que han estado expuestas a la luz. Este proceso completa la etapa de fotolitografía y estamos listos para el grabado en oro y cromo.

Aquellas áreas de nuestro sustrato que han sido expuestas en el proceso de revelado ahora son libres de ser grabadas. La fotorresistencia protege eficazmente el resto de la superficie, pero como en todos los pasos, el tiempo de grabado debe controlarse cuidadosamente. Aquí vemos los sustratos colocados en el oscuro grabado de oro a base de yodo.

Después de enjuagar y agua, el cromo se elimina con el grabado cromado. Obsérvese la transformación que se produce cuando el vidrio vuelve a ser transparente. Una vez que se elimina el cromo, se muestran los resultados en una comparación de los sustratos grabados con los no grabados.

Una inspección rápida bajo el microscopio muestra el éxito del proceso. Aquí vemos un dispositivo fabricado con éxito con conexiones eléctricas realizadas. Junto a él se encuentra un canal PD DS con conexiones de tubos.

Cuando el canal PDMS se coloca en un dispositivo, se hace un sellado muy efectivo con un vaso y el líquido puede fluir a través del canal. Esto se hace cuidadosamente con una pinza. Dado que las huellas dactilares y el polvo pueden impedir una buena adherencia, se pueden utilizar los lados opuestos de las pinzas para garantizar una buena fijación. Relleno.

El canal se realiza colocando una jeringa en un lado, colocando el otro en una suspensión de microesferas de poliestireno y aplicando una succión suave. Una vez que se coloca en el microscopio y se enfoca, se realizan las conexiones eléctricas al generador de funciones. Con las muestras cargadas y las conexiones realizadas, ya están los dispositivos listos para un experimento.

Todos los vídeos experimentales que mostraremos consisten en inyectar una suspensión acuosa de microesferas de poliestireno de dos micras en el canal y aplicar una señal a los electrodos. Inicialmente, las partículas se distribuyen aleatoriamente y exhiben un movimiento de pardeamiento. Cuando se aplica la señal asesina, las partículas se alinean rápidamente en el centro del electrodo.

Tenga en cuenta que, dado que estamos utilizando un campo de CA, no estamos presenciando la fuerza KIC. Este fascinante comportamiento se debe a los patrones de fluidos generados, así como a las fuerzas de atracción de la electroforesis. A medida que aumenta la frecuencia, las partículas comienzan a extenderse a lo largo del ancho del electrodo.

A medida que la velocidad electroosmótica de CA disminuye y la electroforesis comienza a tomar el control a 56 kilohercios, las partículas migran al borde del electrodo. A medida que las fuerzas de electroósmosis de CA se extinguen y predomina la di electroforesis positiva. Como se muestra en este diagrama, este comportamiento continúa a 100 kilohercios y las partículas ahora están firmemente arraigadas al borde del electorado.

Cuando la frecuencia se incrementa aún más a 250 kilohercios, las partículas comienzan a alinearse a través del espacio y el llamado comportamiento de la cadena de perlas, que es causado por las interacciones partículas-partículas a 500 kilohercios, las partículas son repelidas del borde del electrodo a medida que predomina el DEP negativo. Esto puede explicarse por el factor K clausius MoSo, que cambia de positivo a negativo con un aumento de frecuencia que provoca una transición de la di electroforesis positiva a la di electroforesis negativa a un megahercio. El DEP negativo está cerca de su valor máximo y las partículas levitan por encima del electrodo.

Un aumento en la conductividad provoca un cambio importante en el factor CM. Como puede ver, no hay más DEP positivo, lo que cambia drásticamente el comportamiento de las partículas. Tenga esto en cuenta a medida que barremos a través del mismo rango de frecuencia cuando aplicamos partículas de señal de un kilohercio que orbitan fuera del plano a lo largo del borde del electrodo.

La vista superior proporcionada por el microscopio muestra solo el movimiento lateral de las partículas, como se muestra en esta animación. Esta vista, que muestra las partículas moviéndose hacia adelante y hacia atrás, oculta el verdadero movimiento de las partículas cuando se ven desde un lado. La verdadera naturaleza de su movimiento se puede ver más fácilmente.

De hecho, están orbitando la razón por la que orbitan y no están atrapados en el centro de cada electrodo, se cree que es porque el componente DEP está invertido. A medida que la frecuencia continúa aumentando, las partículas comienzan a fusionarse en grupos mientras mantienen la misma noción orbital. Esta aglomeración se debe a la interacción partícula-partícula.

Se cree que los orígenes de esta interacción se deben a las ligeras distorsiones del campo eléctrico causadas por las propias partículas. Las distorsiones alrededor de las partículas crean fuerzas DEP, que atraen a las partículas cercanas. A medida que continuamos aumentando la frecuencia, se produce un cambio dramático a aproximadamente 250 kilohercios.

Las partículas detienen en gran medida el movimiento orbital y forman un cambio radical, otra manifestación de la interacción partícula-partícula. Eventualmente, a medida que la frecuencia se vuelve aún más alta. En este punto, una repulsión de megahercios debido a DEP negativo impulsa las partículas hacia arriba y fuera del plano focal del microscopio.

A continuación, mostraremos un tipo de electrodo fundido que funciona a baja conductividad. Este diseño de electrodo es similar al del último tipo en el sentido de que está interdigitado, pero los dedos rectos han sido reemplazados por una forma más complicada. A un kilohercio, la recolección de partículas tiene lugar en el centro de las intersecciones y rápidamente forma una forma de diamante.

A medida que aumenta la frecuencia, vemos la misma dispersión de las partículas recolectadas. A medida que la electroósmosis de CA comienza a extinguirse y el DEP se hace cargo, como antes de 56 kilohercios hace que las partículas migren lentamente al borde del electrodo. Curiosamente, casi todas las partículas se mueven hacia un lado, lo que puede deberse a cierta presión hidrostática.

Se mueven mucho más rápido. A los 100 kilohercios como CEO ha desaparecido casi por completo. A los 250 kilohercios, las partículas comienzan a formar cadenas profesionales.

El DEP negativo causado por el cambio a 500 kilohercios obliga a las partículas a alejarse del borde del electrodo. Aumentar la frecuencia aún más a un megahercio hace que las partículas se muevan hacia arriba fuera del plano focal, ya que son repelidas aún más por la di electroforesis negativa. A continuación, mostraremos un tipo de electrodo almenado que funciona a alta conductividad.

El patrón de rotación que se genera con este tipo de electrodo ocurre de manera más dramática en las esquinas internas del electrodo, y aquí es donde las partículas finalmente migran. El comportamiento de corte en forma de diamante que vimos anteriormente no existe aquí porque no hay dielectroforesis positiva a esta conductividad. A medida que aumenta la frecuencia, la velocidad del fluido disminuye lentamente.

A medida que las fuerzas de electroósmosis de CA se extinguen a los 56 kilohercios, el movimiento es muy lento y en algunos lugares las partículas comienzan a agruparse y formar cadenas de perlas a 100 kilohercios. Las cadenas de perlas son bastante claras. Lentamente, a medida que aumenta la frecuencia, los grupos de partículas se unen y forman formas X en cada una de las esquinas.

Finalmente, a un megahercio, las cadenas pro son superadas por DEP negativo y las partículas son repelidas de la superficie. El diseño cuádruple que se muestra aquí provoca un área de baja intensidad de campo eléctrico en el centro del patrón de electrodos y está diseñado para usar dielectroforesis negativa para enfocar partículas. Cuando aplicamos 10 voltios a los electrodos, vemos un enfoque dramático de las partículas.

Aceleraremos un poco el tiempo para que podamos ver cómo se ven las partículas en equilibrio. Si reducimos el voltaje a un voltio, vemos que el área enfocada comienza a expandirse. A medida que la dielectroforesis pierde terreno frente al brownie y el movimiento, el aumento del voltaje nuevamente hace que las partículas se muevan hacia el centro.

Al igual que el patrón cuádruple, el pozo potencial crea áreas de bajo campo eléctrico para atrapar partículas. Los electrodos están interdigitados, por lo que también se pueden observar aquí otros efectos que ya hemos visto. Cuando se aplican las señales, vemos un rápido atrapamiento de partículas debido a un CEO y DEP.

Sin embargo, el efecto más interesante es lo que sucede en los cuadrados huecos. Las partículas aquí se recogen debido a la di electroforesis negativa después de que haya pasado un tiempo. También vemos alguna colección a ambos lados del pozo potencial en forma de triángulos.

Acabamos de mostrar algunas de las muchas físicas interesantes detrás de la electrocinética de CA, cómo fabricar estos dispositivos y cómo interpretar los resultados experimentales basados en simulaciones numéricas y la física subyacente. Estos fenómenos, que tienen que ver con partículas en movimiento, son bastante difíciles de entender sin ayudas visuales. Los fenómenos electrocinéticos de CA se pueden utilizar en muchas áreas de investigación.

Por ejemplo, la recolección de partículas para aplicaciones de biosensores, la separación de partículas con diferentes propiedades, como el tamaño y la forma, para el procesamiento de muestras y la mezcla activa para la mejora de los ensayos. Esperamos que este video ayude a los científicos e ingenieros a usar y fabricar dispositivos cinéticos eléctricos de CA, una de las áreas más importantes y en crecimiento de la comunidad de laboratorio en un chip. Bueno, eso es todo.

Gracias por mirar y buena suerte con tus experimentos.