Phénomènes AC électrocinétique générées par des structures microélectrodes

Au cours des dernières années, la communauté des laboratoires sur puces a adopté une technologie passionnante connue sous le nom d’électrocinétique AC. Ce groupe de phénomènes peut être utilisé pour manipuler des particules et des fluides à l’échelle du micron au nanomètre dans des ondes rapides et polyvalentes, et devient rapidement essentiel pour de nombreuses applications de biopuces. Dans cette vidéo, nous allons passer en revue les bases de l’électrocinétique AC avec suffisamment de détails pour aider d’autres scientifiques et ingénieurs qui pourraient bénéficier de l’utilisation de ces phénomènes dans leurs recherches.

Bonjour, je m’appelle Robert Hart et je suis étudiant au doctorat ici à Drexel dans le département des sciences de l’ingénierie biomédicale et des systèmes de santé. Nous commencerons cette vidéo par une brève description de la physique de la cinétique électrique CA. Ensuite, nous passerons à la fabrication de dispositifs, et enfin nous montrerons quelques vidéos d’électrocinétique AC et expliquerons ce qui se passe.

La première des trois forces que nous allons décrire est connue sous le nom d’électrophorèse. Ici, nous voyons un champ électrique généré entre deux électrodes immergées. Si nous avions une particule diélectrique dans ce champ électrique, elle devient polarisée.

Comme vous pouvez le voir, les charges sur la particule sont équilibrées par les charges à l’intérieur du liquide. Que la particule soit plus polarisable que le liquide ou moins, la polarisabilité peut être déterminée par le facteur MoSo le plus élégant dans un champ électrique uniforme. Les particules subissent une force d’écrou connue.

Cependant, dans un champ électrique non uniforme, comme celui illustré ici, les particules qui sont plus polarisables se déplacent vers des zones de champ électrique élevé car elles subissent une électrophorèse positive ; changer la fréquence pour changer la polarisabilité entraîne l’effet inverse connu sous le nom d’électrophorèse négative et les particules s’éloignent des zones de champ électrique élevé. La deuxième force est l’électro-osmose AC à la base de l’électro-osmose AC en tant que formation de la double couche électrique due au potentiel électrique. À la surface, cette région est divisée en la couche arrière, qui se compose d’ions immobiles liés de manière rigide à la surface, et la couche diffuse, qui contient des ions qui, bien que liés, sont toujours libres de se déplacer latéralement.

Si nous inspectons l’un des ions près du bord de l’électrode, nous observons qu’il subit une force de refroidissement du champ électrique. La composante Y de la force est équilibrée par l’existence de charges à la surface. Par conséquent, l’ion subit une force latérale nette dirigée vers le centre de l’électrode : les ions des deux côtés de l’électrode se déplacent et se déplacent vers le centre de l’électrode et sont suffisamment nombreux pour entraîner le fluide.

La convergence de ces deux flux fait que le fluide au centre se déplace vers le haut et qu’un modèle de fluide en rotation émerge. La commutation du potentiel n’affecte pas la direction du modèle de fluide car les contre-ions ont également changé. Le troisième et dernier phénomène est l’effet hydrothermal AC.

Lorsqu’un champ électrique passe à travers un liquide, le chauffage de JUUL provoque des gradients de température. Comme le montre la simulation, les propriétés électriques de l’eau changent. En conséquence, ces perturbations des propriétés électriques interagissent avec le champ électrique pour provoquer une force corporelle.

Le mouvement qui en résulte, comme l’électro-osmose à courant alternatif, est de nature rotationnelle malgré la nature différente de ses origines. Nous avons brièvement mentionné l’effet hydrothermal AC pour être complet, mais les effets de l’effet hydrothermal sont subtils. À partir des principes mathématiques sous-jacents à chacune des trois forces, une simulation numérique par éléments finis a été créée, qui montre la force totale combinée agissant sur une particule de polystyrène de deux microns À chaque position dans le canal, la simulation par éléments finis que nous avons exécutée prend une section transversale bidimensionnelle des électrodes et se concentre sur une seule.

La première simulation montre des milieux à faible conductivité et progresse de 100 hertz à un mégahertz aux basses fréquences. L’électro-osmose C est dominante, comme on peut le voir par le modèle de force de rotation. Au fur et à mesure que nous progressons, la diélectrophorèse positive prend le relais, comme l’illustrent les forces d’attraction menant à chaque coin d’électrode.

Lorsque la fréquence augmente au-delà d’un seuil, le DEP positif donne du poids au DEP négatif et les particules seront repoussées à une certaine hauteur où elles sont équilibrées par la force de gravité. Maintenant, nous allons parcourir les mêmes fréquences à haute conductivité. À haute conductivité, la force électroélectrique AC est généralement moins forte qu’à faible conductivité et la vitesse de crête se produit à une fréquence plus élevée.

Notez également qu’il n’y a pas de DEP positif car la conductivité est trop élevée. L’électro-osmose AC cède directement la place au DEP négatif avec une conductivité et une tension plus élevées. L’effet électrodermal sera beaucoup plus clairement démontré.

Dans cette section, nous parlerons de la fabrication et de l’assemblage des appareils. Les dispositifs eux-mêmes sont constitués d’électrodes en or modelées sur un substrat. Dans ce cas, le verre.

Nous montrerons une méthode de gravure humide pour y parvenir, mais la procédure de décollage bien connue est également utilisée régulièrement et sera montrée plus tard. Les quatre modèles que nous utilisons sont parallèles interdigités, parallèles crénelés, puits potentiels et quadruples. Voici une brève description du processus.

Tout d’abord, une couche de chrome et d’or est déposée sur le substrat en verre. Ensuite, le substrat est recouvert d’une résine photosensible et le motif de l’électrode est transféré du masque au substrat. Avec exposition au contact UV.

Après le développement, le chrome et l’or sont gravés et la résine photosensible est décapée. Pour une bonne adhérence, les lames de verre doivent être très propres. Cela se fait généralement avec une solution de piranha chauffée, qui se compose d’acide sulfurique et de peroxyde d’hydrogène.

Il faut faire très attention lorsque l’on travaille avec cette combinaison dangereuse. Après le nettoyage, les substrats sont séchés et prêts pour le dépôt de métal. Cette étape est réalisée dans un évaporateur à faisceau d’électrons.

Les lames de verre sont chargées sur le porte-échantillon à l’aide d’un capuchon sur du ruban adhésif, qui est particulièrement adapté pour résister aux conditions de dépôt. Ensuite, les échantillons sont chargés dans la machine et aspirés. Le processus consiste en un dépôt court de chrome de deux minutes et un dépôt d’or de 30 minutes, ce qui donne respectivement environ 20 et 200 nanomètres.

Lorsque les échantillons sont retirés, la surface de l’or est clairement visible. La photolithographie commence par un revêtement de résine photosensible à l’aide d’une machine de revêtement par centrifugation. La résine photosensible est pipetée sur le substrat qui repose sur un mandrin à l’intérieur de la machine.

Une couche uniforme de résine photosensible est créée en faisant tourner le verre à une vitesse spécifique, ce qui élimine la plupart de l’excès de résine photosensible. Ce processus est suivi d’une cuisson douce pendant deux minutes à 100 degrés C.Cela durcit la résine photo et la prépare à l’exposition aux UV. Ensuite, le masque photo est mis en contact avec notre substrat et exposé à la lumière UV pendant environ huit secondes.

Cela transfère le motif à la résine photo. L’étape de développement élimine toutes les zones de photorésine qui ont été exposées à la lumière. Ce processus complète l’étape de photolithographie et nous sommes prêts pour la gravure à l’or et au chrome.

Les zones de notre substrat qui ont été exposées dans le processus de développement sont maintenant libres d’être gravées. La résine photosensible protège efficacement le reste de la surface, mais comme dans toutes les étapes, le temps de gravure doit être soigneusement contrôlé. Ici, nous voyons les substrats être placés dans l’obscurité, à base d’iode, à l’eau-forte à l’or.

Après rinçage et eau, le chrome est enlevé avec la gravure au chrome. Notez la transformation qui a lieu lorsque le verre est redevenu transparent. Une fois le chrome enlevé, une comparaison des substrats gravés et non dépolis montre les résultats.

Une inspection rapide au microscope montre le succès du processus. Ici, nous voyons un appareil fabriqué avec succès avec des connexions électriques effectuées. À côté se trouve un canal DS avec des raccords de tubulures.

Lorsque le canal PDMS est placé sur un appareil, une étanchéité très efficace est faite avec un verre et le liquide peut s’écouler à travers le canal. Cela se fait soigneusement avec une pince. Étant donné que les empreintes digitales et la poussière peuvent empêcher une bonne adhérence, les côtés opposés de la pince peuvent être utilisés pour assurer une bonne fixation. Remplissage.

Le canal se fait en fixant une seringue d’un côté, en plaçant l’autre dans une suspension de microsphères de polystyrène et en appliquant une aspiration douce. Une fois qu’il est placé dans le microscope et mis au point, les connexions électriques sont effectuées avec le générateur de fonctions. Une fois les échantillons chargés et les connexions établies, les appareils sont maintenant prêts pour une expérience.

Toutes les vidéos expérimentales que nous montrerons consistent à injecter une suspension aqueuse de deux microsphères de polystyrène micron dans le canal et à appliquer un signal aux électrodes. Initialement, les particules sont réparties de manière aléatoire et présentent un mouvement de brunissement. Lorsque le tueur est appliqué, les particules s’alignent rapidement au centre de l’électrode.

Gardez à l’esprit que puisque nous utilisons un champ AC, nous n’assistons pas à la force KIC. Ce comportement fascinant est dû aux motifs fluides générés ainsi qu’aux forces d’attraction de l’électrophorèse. Au fur et à mesure que la fréquence augmente, les particules commencent à se propager sur la largeur de l’électrode.

Lorsque la vitesse électroosmotique AC diminue et que l’électrophorèse commence à prendre le dessus à 56 kilohertz, les particules migrent vers le bord de l’électrode. Lorsque les forces d’électro-osmose AC s’estompent et que l’électrophorèse positive prédomine. Comme le montre ce schéma, ce comportement se poursuit à 100 kilohertz et les particules sont maintenant fermement enracinées au bord de l’électorat.

Lorsque la fréquence est encore augmentée à 250 kilohertz, les particules commencent à s’aligner à travers l’espace et le comportement dit de la chaîne de perle, qui est causé par les interactions des particules à 500 kilohertz, les particules sont repoussées du bord de l’électrode car la DEP négative prédomine. Cela peut s’expliquer par le facteur K clausius MoSo, qui passe de positif à négatif avec une augmentation de fréquence provoquant une transition de l’électrophorèse positive à l’électrophorèse négative à un mégahertz. La DEP négative est proche de sa valeur maximale et les particules sont en lévitation au-dessus de l’électrode.

Une augmentation de la conductivité provoque un changement important du facteur CM. Comme vous pouvez le voir, il n’y a plus de DEP positif, ce qui change radicalement le comportement des particules. Gardez cela à l’esprit lorsque nous balayons la même gamme de fréquences lorsque nous appliquons des particules de signal d’un kilohertz orbitent hors du plan le long du bord de l’électrode.

La vue de dessus fournie par le microscope ne montre que le mouvement latéral des particules, comme le montre cette animation. Cette vue, qui montre les particules se déplaçant d’avant en arrière, masque le mouvement réel des particules lorsqu’elles sont vues de côté. La vraie nature de leur mouvement peut être plus facilement vue.

On pense qu’ils sont en orbite autour de la raison pour laquelle ils orbitent et ne sont pas piégés au centre de chaque électrode parce que le composant DEP est inversé. Au fur et à mesure que la fréquence augmente, les particules commencent à se regrouper en amas tout en conservant la même notion orbitale. Cet agglutination est dû à l’interaction des particules.

On pense que les origines de cette interaction sont dues aux légères distorsions du champ électrique causées par les particules elles-mêmes. Les distorsions autour des particules créent des forces DEP, qui attirent les particules voisines. Alors que nous continuons à augmenter la fréquence, un changement spectaculaire se produit à environ 250 kilohertz.

Les particules arrêtent en grande partie le mouvement orbital et forment une autre manifestation de l’interaction entre les particules et les particules. Finalement, à mesure que la fréquence devient encore plus élevée. À ce stade, une répulsion d’un mégahertz due à une DEP négative propulse les particules vers le haut et hors du plan focal du microscope.

Ensuite, nous montrerons un type d’électrode exaltée coulée fonctionnant à faible conductivité. La conception de cette électrode est similaire à celle du dernier type en ce sens qu’elle est interdigitée, mais les doigts droits ont été remplacés par une forme plus compliquée. À un kilohertz, la collecte des particules a lieu au centre des intersections et forme rapidement une forme de losange.

Au fur et à mesure que la fréquence augmente, nous voyons la même propagation des particules collectées. Lorsque l’électro-osmose AC commence à s’éteindre et que le DEP prend le relais, Like Before 56 kilohertz provoque la migration lente des particules vers le bord de l’électrode. Il est intéressant de noter que presque toutes les particules se déplacent d’un côté, ce qui peut être dû à une certaine pression hydrostatique.

Ils se déplacent beaucoup plus vite. À 100 kilohertz en tant que PDG a presque complètement disparu. À 250 kilohertz, les particules commencent à former des chaînes pro.

Le DEP négatif provoqué par le passage à 500 kilohertz force les particules à s’éloigner du bord de l’électrode. L’augmentation de la fréquence à un mégahertz fait que les particules se déplacent vers le haut hors du plan focal, car elles sont encore plus repoussées par l’électrophorèse négative. Ensuite, nous montrerons un type d’électrode crénelée fonctionnant à haute conductivité.

Le modèle de rotation généré avec ce type d’électrode se produit de manière spectaculaire dans les coins intérieurs des électrodes, et c’est là que les particules finissent par migrer. Le comportement de hachage en forme de diamant que nous avons vu précédemment n’existe pas ici car il n’y a pas de diélectrophorèse positive à cette conductivité. Au fur et à mesure que la fréquence augmente, la vitesse du fluide diminue lentement.

Comme les forces d’électro-osmose AC s’éteignent à 56 kilohertz, le mouvement est très lent et, à certains endroits, les particules commencent à s’agglutiner et à former des chaînes de perles à 100 kilohertz. Les chaînes de perles sont assez claires. Lentement, à mesure que la fréquence augmente, des amas de particules fusionnent et forment des formes en X à chacun des coins.

Enfin, à un mégahertz, les chaînes pro sont surmontées par un DEP négatif et les particules sont repoussées de la surface. La conception quadruple illustrée ici provoque une zone de faible intensité de champ électrique au centre du motif de l’électrode et est conçue pour utiliser la diélectrophorèse négative pour focaliser les particules. Lorsque nous appliquons 10 volts aux électrodes, nous voyons une focalisation spectaculaire des particules.

Nous allons accélérer un peu le temps afin de voir à quoi ressemblent les particules à l’équilibre. Si nous réduisons la tension à un volt, nous voyons la zone focalisée commencer à s’étendre. Comme la diélectrophorèse perd du terrain contre le brownie et le mouvement, l’augmentation de la tension provoque à nouveau le retour des particules vers le centre.

Comme le modèle quadruple, le puits de potentiel crée des zones de faible champ électrique afin de piéger les particules. Les électrodes sont interdigitées, de sorte que d’autres effets que nous avons déjà vus peuvent également être observés ici. Lorsque les signaux sont appliqués, nous assistons à un piégeage rapide des particules en raison d’un PDG et d’un DEP.

L’effet le plus intéressant est ce qui se passe dans les carrés creux. Les particules y sont collectées en raison de la di électrophorèse négative après un certain temps. Nous voyons également une certaine collection de chaque côté du puits potentiel en forme de triangles.

Nous venons de montrer quelques-unes des nombreuses physiques intéressantes derrière l’électrocinétique AC, comment fabriquer ces dispositifs et comment interpréter les résultats expérimentaux basés sur des simulations numériques et la physique sous-jacente. Ces phénomènes, qui concernent des particules en mouvement, sont assez difficiles à comprendre sans aides visuelles. Les phénomènes électrocinétiques AC peuvent être utilisés dans de nombreux domaines de recherche.

Par exemple, la collecte de particules pour les applications de biocapteurs, la séparation de particules ayant différentes propriétés telles que la taille et la forme pour le traitement des échantillons et le mélange actif pour l’amélioration du test. Nous espérons que cette vidéo aidera les scientifiques et les ingénieurs à utiliser et à fabriquer des dispositifs cinétiques électriques CA, l’un des domaines les plus importants et en pleine croissance de la communauté des laboratoires sur puce. Eh bien, c’est tout.

Merci d’avoir regardé et bonne chance dans vos expériences.