דור ובקרה של Electrohydrodynamic זורם בפתרונות אלקטרוליט מימית
7 בספטמבר 2018
תיקון יון תחבורה מסלולים היא שיטה יעילה כדי ליצור אחד-directional גרר-יון electrohydrodynamic זורם. על-ידי הגדרת ממברנה של יונים ערוץ הזרימה, תנאי מקוטב חשמלית נוצרת וגורם על זרימת הנוזל הולך להיות מגורש כאשר שדה חשמלי חיצוני מוחל.
שיטה זו יכולה לעזור לענות על שאלות מפתח בתחומי המחקר המיקרו והננו-נוזלי, כגון עד כמה דליפה מועברת ביעילות בחללים צרים. היתרון העיקרי של טכניקה זו הוא שקטיונים ואניונים, שמסלולי ההובלה שלהם מחושמלים באמצעות קרום חילופי יונים, מניעים את הזרימה האלקטרוהידרודינמית. מי שמדגימים את הנהלים הם איוקו יאנו, פרופסור משנה מאוניברסיטת גונמה, שסיימה את לימודיה במעבדה שלנו, ופומיקה ניטו, דוקטורנטית מהמעבדה שלנו.
ראשית, הדביקו לוחות אקריליק בשני הקצוות של תבנית PTFE עם דבק פלסטי, שיעשה חריצים במאגר כדי ליישב את אלקטרודות ההטיה. בשפופרת של 50 מיליליטר, מערבבים בסיס אלסטומר סיליקון בחומר ריפוי ביחס של עשר לאחד. לאחר מכן, הניחו PDMS נוזלי בכלי ואקום, ושחררו אותו באמצעות משאבה סיבובית.
הסר את הצינור מכלי הוואקום. לאחר מכן שפכו את ה-PDMS לתוך כלי פלסטיק מעוקב בגודל 40 על 50 על 24 מילימטר, כדי לעצב את הצורה החיצונית של המאגר, ולהניח בו את תבנית המאגר. אופים את כל גוף ה-PDMS הנוזלי על פלטה חמה בחום של 80 מעלות צלזיוס במשך כארבע שעות.
לאחר האפייה יש לבודד את מאגר ה-PDMS מתבנית ה-PTFE בכלי החיצוני ביד. לאחר מכן צור חריץ על פני מרכז המאגר, באמצעות סכין כירורגית. בעזרת פינצטה, הגדר לוחות זכוכית, שצופו בעבר בסרט דק זהב, בשני קצוות המאגר, כדי לשמש כאלקטרודות ההטיה.
לאחר מכן, חותכים קרום חילופי אניונים למלבן בגודל 20 על 18 מילימטר מרובע, בעזרת מספריים. ואז חותכים מלבן של שלושה על חמישה נקודות חמישה מילימטר מרובע מקצה אחד של הממברנה. כעת, חתכו בלוק PDMS מוצק עם תעלת זרימה מרובעת לחתיכה קובייה של שלושה על שש על ארבע נקודות חמישה מילימטרים, באמצעות סכין כירורגית.
צור חריצים לאורך הקצוות החיצוניים, והצמד אותו לקרום בתוך הגזרה המלבנית. לאחר מכן, הגדר את קרום חילופי האניונים עם תעלת הזרימה PDMS למאגר ה-PDMS, בעזרת פינצטה. בעזרת מיקרופיפטה, מלאו את המאגר בארבעה מיליליטר תמיסת נתרן הידרוקסיד.
הפעל פוטנציאל חשמלי של שתי נקודות שני וולט, באמצעות מקור מתח DC, בכיוונים קדימה ואחורה, למשך שעתיים כל אחד בסדרה, כדי לשפר את מוליכות הממברנה לפני התצפית. לאחר מכן, משוך את אלקטרודות הזהב החוצה בעזרת פינצטה. לאחר מכן, הסר את התמיסה מהמאגר, באמצעות מיקרופיפטה.
הצב אלקטרודות זהב חדשות במאגר בעזרת פינצטה. מלאו את המאגר בארבעה מיליליטר תמיסת נתרן הידרוקסיד, בעזרת מיקרופיפטה. בשלב זה, הגדר את קצב הפריימים וזמן החשיפה של מצלמת מוליכים למחצה תחמוצת מתכת משלימה במהירות גבוהה ל-500 פריימים לשנייה ולאלפית שנייה אחת, בהתאמה.
הסר את כל הבועות מהתעלה, על ידי הכנסת קצה המיקרופיפטה לקצה התעלה כדי לדחוף או למשוך אותן החוצה, לפני הפעלת פוטנציאל חשמלי. כעת, הפעל חיצונית פוטנציאל חשמלי של שתי נקודות שני וולט על אלקטרודות הטיית הזהב. עקוב בו זמנית אחר התגובות החשמליות, באמצעות פוטנציוסטט, ולאחר מכן רשום את התנהגות חלקיקי העוקב במחשב.
צור אלקטרודות הטיית זהב עם משטח מרובע בגודל 26 על 10 מילימטר על צלחת הזכוכית התחתונה, על פי נהלים דומים לאלה שתוארו קודם לכן. בעזרת התזת תדרי רדיו, מצפים את משטח הזכוכית בכרום החשוף לפלזמת ארגון למשך שתי דקות ב-75 וואט, ומניחים סרט זהב דק למשך חמש דקות ב-75 וואט. בעזרת מלחם, הלחמו קו עופרת בקצה האלקטרודות.
מגיליון גומי סיליקון גדול, גזרו שני תאים, שכל אחד מהם עשוי מתעלת זרימה קובייה של מילימטר אחד אחד המונחת בין שני מאגרים, באמצעות סכין כירורגית. לאחר מכן, גזרו קרום חילופי קטיונים לגודל של 20 על 30 מילימטר בריבוע, בעזרת סכין כירורגית. אולטרסאונד כל חלק במים טהורים למשך 15 דקות, על ידי מריחת 100 וואט.
הכנס את קרום חילופי הקטיונים בין התאים, בעזרת פינצטה, ואז לחץ ואטום את ערימת התאים ואת קרום חילופי הקטיונים, בעזרת לוחות זכוכית. בעזרת מזרקים, הזרקו חלקיקי פוליסטירן Tris-EDTA שהוכנו בעבר ותמיסות אשלגן כלורי Tris-EDTA לתאים התחתונים והעליונים, בהתאמה. כעת, הצב את המכשיר הניסיוני על הבמה של מיקרוסקופ הפוך.
חבר את המיקרוסקופ למצלמת המוליכים למחצה של תחמוצת מתכת במהירות גבוהה כדי לנטר את מסלולי תנועות החלקיקים, ולהקליט את נתוני התצפית במחשב. לבסוף, החל הפרש פוטנציאל חשמלי של שני וולט לשש שניות בין שתי האלקטרודות, על ידי שימוש במחולל פונקציות כמקור כוח. תוצאה מייצגת של יצירת זרימת EHD, הנובעת מתיקון מסלולי הובלת יונים וקטיונים מרוכזים מאוד שגרמו לזרימת נוזל בתעלה, מוצגת כאן.
ניתוח ה-PIV, הראה כי מהירות חלקיקי העוקב גדלה במהירות לערך שיא, כאשר הופעל פוטנציאל אקלקטי של שתי נקודות שני וולט. לאחר מכן, המהירות ירדה והתכנסה לאפס. תוצאה מייצגת של זרימת EHD הנוצרת בתמיסה מקוטבת חשמלית, בתנאי זרם יוני, מוצגת כאן.
תגובת המהירות של זרימת ה-EHD נותחה על ידי מעקב אחר חלקיקי העוקב, שהגיבו לשדה החשמלי כאשר הופעל שני וולט. החלקיקים עברו במהירות לכיוון אחורה, ולאחר תגובת זמן קצרה, הזרימה השתנתה לכיוון קדימה, והמהירות נעשתה יציבה, עד שהפוטנציאל החשמלי כבה. זרימת ה- EHD, הנגררת על ידי יוני נתרן בתעלה, מופעלת על ידי הובלת יוני הידרוקסיד בקרום חילופי אניונים.
בזרימת EHD, המושרה בתנאי זרם קטיוני, יוני אשלגן חודרים לקרום חילופי קטיונים, וגורמים לתנאים דומיננטיים של קטיון, וכתוצאה מכך, זרימת EHD מושרה לאורך הזרם הקטיוני. לאחר שליטה, ניתן לבצע טכניקה זו תוך שעתיים, אם היא מבוצעת כראוי. שימו לב תוך התחשבות בזמן של שתי אלקטרודות הזהב והמתנה להתייצבות תמיסת האלקטריד.
בעת ניסיון הליך זה, חשוב לזכור ששילוב פתרונות ה-electride לוקח זמן רב. בעת ביצוע הליך זה, יש למתן את המצב האלקטרו-ניטרלי בתנאי זרם יוני כדי להניע את הזרימות האלקטרו-הידרודינמיות. לאחר פיתוחה, טכניקה זו סללה את הדרך לחוקרים בתחום הפנומר המיקרו והננו-נוזלי, לחקור שיטות חדשות לבקרת זרימה בסוגים שונים של דליפה.
לאחר צפייה בסרטון זה, אתה אמור להבין היטב כיצד לבצע זרימה אלקטרוהידרודינמית הנגרמת על ידי זרמים יוניים מחושמלים. אל תשכח שעבודה עם נתרן הידרוקסיד בריכוז גבוה עלולה להיות מסוכנת ביותר, ויש לנקוט תמיד באמצעי זהירות, כגון הרכבת משקפי בטיחות, כפפות וחלוק מעבדה, בעת ביצוע הליך זה.
צפו בתמליל המלא וקבלו גישה לאלפי סרטונים מדעיים
סקירה כללית
יישור של נתיבי הובלת יונים יוצר זרימות אלקטרו-הידרודינמיות חד-כיווניות המונעות על ידי גרירת יונים. דבר זה מושג באמצעות שימוש בממברנת חליפין יונים בתעלת זרימה, אשר יוצרת מצב של קיטוב חשמלי המניע זרימת נוזלים כאשר מופעל שדה חשמלי.
מרכיבי מפתח של המחקר
תחום מדעי
- מיקרופלואידיקה
- אלקטרוהידרודינמיקה
- מנגנוני הובלת יונים
רקע
- הבנת הובלת יונים במרחבים צרים היא קריטית למחקר במיקרו-וננו-פלואידיקה.
- הטכניקה משתמשת במסלולי הובלה מחושמלים עבור קטיונים ואניונים.
- הודגם על ידי חוקרים מאוניברסיטת Gunma.
- כולל שימוש בלוחות אקריליים ובתבניות PTFE לצורך ההקמה הניסויית.
מטרת המחקר
- לבחון את יעילות הטרנספורט של יונים בסביבות מוגבלות.
- לפתח שיטות ליצירת זרימות נוזלים מבוקרות.
- להעמיק את ההבנה של עקרונות אלקטרו-הידרודינמיים.
שיטות שנעשה בהן שימוש
- הדבקת לוחות אקרילי ליצירת תעלת זרימה.
- שימוש בבסיס אלסטומר סיליקון מעורבב עם חומר מעבד.
- הצבת PDMS נוזלי בכלי ואקום לצורך ניקוז בועות אוויר (de-gassing).
- הפעלת שדה חשמלי להנעת הזרימה.
תוצאות עיקריות
- יצירה מוצלחת של זרימה נוזלית חד-כיוונית.
- הדגמת יעילותן של ממברנות חילוף יונים בתעלות זרימה.
- מתן תובנות לגבי התנהגותם של יונים במערכות מיקרופלואידיות.
- ביסוס תשתית למחקרים עתידיים באלקטרוהידרודינמיקה.
מסקנות
- השיטה מניעה ביעילות זרימה של נוזלים דרך נתיבי הובלת יונים.
- היא פותחת אפיקים חדשים למחקר בתחומי המיקרו-ננו-פלואידיקה.
- מחקרים עתידיים יכולים להתבסס על ממצאים אלו כדי לשפר יישומים פלואידיים.
שאלות נפוצות
רלוונטיות תעשייתית מרכזית
בקרת זרימות אלקטרוהידרודינמיות באלקטרוליטים מימיים מאפשרת מניפולציה מדויקת של נוזלים במערכות מיקרו- וננו-פלואידיקה ללא שימוש במתחים גבוהים או בממסים שאינם מימיים. גישה זו מפחיתה את הסיכונים לאלקטרוליזה ותומכת בבקרת זרימה ניתנת לשחזור ובקנה מידה רחב עבור יישומי מעבדה על שבב (lab-on-a-chip). השיטה מגבירה את הביטחון החיזוי בתכנון התקני מיקרופלואידיקה מונעי הובלת יונים עבור בדיקות ביוכימיות ופלטפורמות סינון.
יישומים אסטרטגיים במחקר ופיתוח בביופארמה
גילוי מוקדם ותיקוף מטרה
- ערך מדעי: מאפשר בדיקה של מנגנוני הובלת יונים תחת תנאים של קיטוב חשמלי כדי לתקף תפקידים תפקודיים של תעלות יונים או נשאים במסלולים תאיים.
- ערך תפעולי: מספק פלטפורמה בעלת מתח נמוך וניתנת לכיוונון למודולציה של שטפי יונים ולהערכת השפעתם על מעורבות המטרה או על דינמיקת האיתות.
סריקה ופיתוח בדיקות (Assay)
- ערך מדעי: יוצר זרימות נוזלים כיווניות הניתנות לשחזור כדי לשפר את הערבוב, את אספקת הריאגנטים או את הובלת האנליטים במערכי בדיקה מיקרופלואידיים.
- ערך תפעולי: תומך בסטנדרטיזציה של תנאי הזרימה בין חזרות, ובכך מפחית שונות בתוצאות של סריקה בתופעות גבוהה (high-throughput screening).
מחקר טרנסלציונלי ופרה-קליני
- ערך מדעי: מקל על חקר תנועת נוזלים מונעת יונים במודלים מיקרופלואידיים רלוונטיים למחלות, כגון מערכות של מחסום דם-מוח או מעי-על-שבב (gut-on-a-chip).
- ערך תפעולי: מאפשר הערכה פרה-קלינית של תרכובות המווסתות הובלת יונים או זרימה אלקטרו-אוסמוטית באנלוגים מיקרופלואידיים של רקמות.
שילוב תהליכי עבודה וצנרת עיבוד
השיטה משתלבת בתהליכי עבודה של גילוי מוקדם על ידי אספקת מנגנון הפעלה נוזלית שניתן לשלוט בו, התומך בבדיקת היפותזות בביולוגיה של מעבר יונים ומאפשר טיפול במדגמים ברמת הדירות גבוהה בתהליכי עבודה אנליטיים המשכיים.
- ביולוגיה של הגילוי: תומך בהפחתת סיכונים מכניסטיים של השערות בנושא הובלת יונים על ידי מתן אפשרות לתצפית ישירה על תגובות זרימה לסיגנלים של ויסות זרם יוני.
- סריקה: משפר את מוכנות הבדיקה באמצעות דחיקת נוזלים מדויקת ומבוקרת חשמלית, המשפרת את קינטיקת הרכיבים ואת ספי סף הגילוי.
- אנליטיקה: מייצר פלטי מהירות זרימה כמותיים באמצעות מעקב אחר חלקיקים, מה שמאפשר קישור בין מדרגי ריכוז יונים לבין תגובות הידרודינמיות.
- מחקר תרגומי: מקשר בין פנוטיפים של הובלת יונים לבין פלטים פלואידיים תפקודיים במודלים מיקרופלואידיים של מחסומים אפיתליאליים או אנדותליאליים.
- שימוש חוזר ארגוני: מבסס מערכת מודולרית להפעלה פלואידית בצריכת חשמל נמוכה, הניתנת להתאמה למספר פלטפורמות מיקרופלואידיות ופורמטים של בדיקות.
השפעה תפעולית וארגונית
- ערך מדעי: מפחית עמימות מכניסטית במחקרי מעבר יונים על ידי בידוד התרומות האלקטרופורטיות והאלקטרו-אוסמוטיות לתנועת הנוזל.
- ערך תפעולי: מאפשר בקרת זרימה ניתנת לשחזור במתחים נמוכים (<2.2 V), תוך מזעור מורכבות הציוד והצורך בניהול תרמי.
- ערך אסטרטגי: משפר את קבלת ההחלטות (go/no-go) בפיתוח בדיקות (assays) על ידי אספקת מניפולציה אמינה וניתנת לכיוון חשמלי של נוזלים.
- השפעה על הפורטפוליו: תומך בתעדוף מותאם-סיכון של תכנוני התקנים מיקרופלואידיים באמצעות תיקוף מוקדם של מנגנוני זרימה התלויים במעבר יונים במהלך הפיתוח.
שיקולי יישום
- דורש מומחיות בייצור מיקרופלואידי, טיפול בממברנות חילוף יונים ועקרונות של זרימה אלקטרוקינטית.
- תלוי בגישה לפוטנציוסטטים, מחוללי פונקציות, מערכות דימוי במהירות גבוהה וחומרים התואמים לחדר נקי כגון PDMS ואלקטרודות זהב.
- מחייב סטנדרטיזציה של טיפולי שטח, ריכוזי אלקטרוליטים ופרוטוקולים להכנה מוקדמת של ממברנות בין צוותים שונים.
- כולל שיקולי התאמה בעת העברת השיטה לגיאומטריות ערוצים שונות, סוגי יונים שונים או מטריצות ביולוגיות.
- כולל מגבלות מעשיות כגון סתימת ממברנות (fouling), היווצרות בועות ושינויי pH מושריים על ידי מתח שעלולים להשפיע על יציבות הזרימה לאורך זמן.
