AC תופעות electrokinetic שנוצר על ידי מבנים microelectrode

בשנים האחרונות, המעבדה בקהילת השבבים אימצה טכנולוגיה מרגשת הידועה בשם AC Electrokinetics. ניתן להשתמש בקבוצת תופעות זו כדי לתפעל חלקיקים ונוזלים בקנה מידה של מיקרון עד ננומטר בגלים מהירים ורב-תכליתיים, והיא הופכת במהירות לחיונית עבור יישומי שבב ביולוגי רבים. בסרטון זה, אנו הולכים לעבור על היסודות של אלקטרו-קינטיקה AC בפירוט מספיק כדי לעזור למדענים ומהנדסים אחרים שעשויים להפיק תועלת משימוש בתופעות אלה במחקר שלהם.

היי, שמי רוברט הארט ואני דוקטורנט כאן בדרקסל במחלקה להנדסה ביו-רפואית מדע ומערכות בריאות. נתחיל את הסרטון הזה בתיאור קצר של הפיזיקה מאחורי קינטיקה חשמלית AC. לאחר מכן, נעבור לייצור מכשירים, ולבסוף נציג כמה סרטונים של קינטיקה אלקטרו-AC ונסביר מה קורה.

הראשון מבין שלושת הכוחות שנתאר ידוע בשם די אלקטרופורזה. כאן אנו רואים שדה חשמלי שנוצר בין שתי אלקטרודות שקועות. אם היה לנו חלקיק דיאלקטרי לתוך השדה החשמלי הזה, הוא הופך למקוטב.

כפי שאתה יכול לראות, המטענים על החלקיק מאוזנים על ידי המטענים בתוך הנוזל. בין אם החלקיק מקוטב יותר מהנוזל או פחות, ניתן לקבוע את הקיטוב על ידי גורם ה-Moso הקלאסי ביותר בשדה חשמלי אחיד. החלקיקים חווים כוח אגוז ידוע.

עם זאת, בשדה חשמלי לא אחיד, כמו זה שמוצג כאן, חלקיקים הניתנים לקיטוב יותר נעים לעבר אזורים בעלי שדה חשמלי גבוה מכיוון שהם חווים אלקטרופורזה חיובית משנה את התדר להחלפת הקיטוב מביא לאפקט הפוך המכונה אלקטרופורזה די שלילית וחלקיקים מתרחקים מאזורים בעלי חוזק שדה חשמלי גבוה. הכוח השני הוא אלקטרו אוסמוזה AC בבסיס אוסמוזה אלקטרו-AC כהיווצרות השכבה הכפולה החשמלית עקב הפוטנציאל החשמלי. על פני השטח, אזור זה מחולק לשכבת הירכתיים, המורכבת מיונים בלתי ניתנים להזזה הקשורים בצורה נוקשה לפני השטח ולשכבה המפוזרת, המכילה יונים שבזמן שהם קשורים עדיין חופשיים לנוע לרוחב.

אם נבדוק את אחד היונים ליד קצה האלקטרודה, נבחין שהוא חווה כוח נוזל קירור מהשדה החשמלי. מרכיב ה-Y של הכוח מאוזן על ידי קיומם של מטענים על פני השטח. לכן, היון חווה כוח רוחבי נטו המכוון לכיוון מרכז האלקטרודה יוני האלקטרודה משני צידי האלקטרודה נעים ומסה לכיוון מרכז האלקטרודה ומספיק מספרים כדי לגרור את הנוזל הלאה.

ההתכנסות של שתי הזרימות הללו גורמת לנוזל במרכז לנוע כלפי מעלה ונוצר דפוס נוזל סיבובי. החלפת הפוטנציאל אינה משפיעה על כיוון תבנית הנוזל מכיוון שגם יוני הנגד התחלפו. התופעה השלישית והאחרונה היא האפקט ההידרותרמי AC.

כאשר שדה חשמלי מועבר דרך נוזל, חימום JUUL גורם לשיפועי טמפרטורה. כפי שמוצג בסימולציה, התכונות החשמליות של מים משתנות. כתוצאה מכך, הפרעות אלו בתכונות החשמליות מקיימות אינטראקציה עם השדה החשמלי וגורמות לכוח גוף.

התנועה המתקבלת כמו אלקטרו אוסמוזה AC היא סיבובית בטבעה למרות האופי השונה של מקורותיה. הזכרנו בקצרה את האפקט ההידרותרמי AC לשלמות, אך ההשפעות של האפקט ההידרותרמי עדינות. בתנאי ההפעלה של הניסויים שלנו מהעקרונות המתמטיים מאחורי כל אחד משלושת הכוחות, נוצרה סימולציה מספרית של יסוד סופי, המציגה את הכוח המשולב הכולל הפועל על חלקיק פוליסטירן של שני מיקרון בכל מיקום בערוץ, סימולציית היסוד הסופי שהרצנו לוקחת חתך דו מימדי של האלקטרודות ומתרכזת באחת בלבד.

הסימולציה הראשונה מציגה מדיה של מוליכות נמוכה ומתקדמת מ-100 הרץ למגה-הרץ אחד בתדרים נמוכים. אוסמוזה אלקטרו-C היא דומיננטית כפי שניתן לראות על ידי דפוס כוח הסיבוב. ככל שאנו מתקדמים, אלקטרופורזה חיובית משתלטת כפי שמומחש על ידי כוחות המשיכה המובילים לכל פינת אלקטרודה.

ככל שהתדר עולה מעבר לסף, DEP חיובי נותן משקל ל-DEP שלילי וחלקיקים יידחו לגובה מסוים שבו הם מאוזנים על ידי כוח הכבידה. כעת, נעבור על אותם תדרים במוליכות גבוהה. במוליכות גבוהה, כוח ה-AC electros mo בדרך כלל פחות חזק מזה במוליכות נמוכה ומהירות השיא מתרחשת בתדר גבוה יותר.

כמו כן, שימו לב שאין DEP חיובי מכיוון שהמוליכות גבוהה מדי. אלקטרו אוסמוזה AC מפנה את מקומה ישירות ל-DEP שלילי עם מוליכות גבוהה יותר ומתח גבוה יותר. האפקט האלקטרודרמלי יוצג בצורה הרבה יותר ברורה.

בחלק זה נדבר על ייצור והרכבה של מכשירים. המכשירים עצמם מורכבים מאלקטרודות זהב בדוגמת מצע. במקרה זה זכוכית.

נציג שיטת תחריט רטוב להשגת מטרה זו, אך נוהל ההמראה הידוע משמש גם הוא באופן שגרתי ויוצג מאוחר יותר. ארבעת העיצובים שבהם אנו משתמשים הם מקבילים בין-ספרתיים, מקבילים בקסטליות, באר פוטנציאלית ומרובעים. תיאור קצר של התהליך הוא כדלקמן.

ראשית, שכבת כרום וזהב מופקדת על מצע הזכוכית. לאחר מכן, המצע מצופה בפוטו-רזיסט ודפוס האלקטרודה מועבר מהמסכה למצע. עם חשיפה למגע UV.

לאחר הפיתוח, הכרום והזהב נחרטים והפוטו-רזיסט מופשט. על מנת להדבקה טובה, מגלשות הזכוכית חייבות להיות נקיות מאוד. זה נעשה בדרך כלל עם תמיסת פיראנה מחוממת, המורכבת מחומצה גופרתית ומי חמצן.

יש לנקוט בזהירות רבה כאשר עובדים עם השילוב המסוכן הזה. לאחר הניקוי, המצעים מיובשים ומוכנים לתצהיר מתכת. שלב זה מבוצע במאייד קרן אלקטרונים.

שקופיות הזכוכית נטענות על מחזיק הדגימה עם מכסה על סרט, המתאים במיוחד לעמוד בתנאי התצהיר. לאחר מכן, הדגימות נטענות למכונה ושואבות אבק. התהליך מורכב מתצהיר קצר של שתי דקות של כרום ושקיעה של 30 דקות של זהב וכתוצאה מכך כ-20 ו-200 ננומטר בהתאמה.

כאשר מסירים את הדגימות, משטח הזהב נראה בבירור. פוטוליתוגרפיה מתחיל בציפוי של עמידות לצילום באמצעות מכונת ציפוי ספין. התנגדות הצילום מוזרמת על המצע שיושב על צ'אק בתוך המכונה.

שכבה עקבית של התנגדות לצילום נוצרת על ידי סיבוב הזכוכית במהירות מסוימת, מה שמסיר את רוב ההתנגדות העודפת לצילום. תהליך זה מלווה באפייה רכה במשך שתי דקות בחום של 100 מעלות צלזיוס. לאחר מכן, מסכת הצילום ממוקמת במגע עם המצע שלנו ונחשפת לאור UV למשך כשמונה שניות.

זה מעביר את התבנית להתנגדות הצילום. שלב הפיתוח מסיר את כל אזורי ההתנגדות לצילום שנחשפו לאור. תהליך זה משלים את שלב הפוטוליתוגרפיה ואנו מוכנים לחריטת זהב וכרום.

האזורים על המצע שלנו שנחשפו בתהליך הפיתוח חופשיים כעת לחרוט. התנגדות הצילום מגנה ביעילות על שאר המשטח, אך כמו בכל השלבים, יש לשלוט בקפידה על זמן החריטה. כאן אנו רואים את המצעים מונחים בתחריט הזהב הכהה על בסיס יוד.

לאחר שטיפה ומים, הכרום מוסר עם תחריט הכרום. שימו לב לטרנספורמציה שמתרחשת כאשר הזכוכית הפכה שוב שקופה. לאחר הסרת הכרום, השוואה בין המצעים החרוטים למצעים לא חרוטים מציגה את התוצאות.

בדיקה מהירה מתחת למיקרוסקופ מראה את הצלחת התהליך. כאן אנו רואים מכשיר מפוברק בהצלחה עם חיבורים חשמליים שנעשו. לידו יושב ערוץ PD DS עם חיבורי צינורות.

כאשר תעלת ה-PDMS מונחת על מכשיר, נוצר איטום יעיל מאוד עם זכוכית ונוזל עשוי לזרום דרך התעלה. זה נעשה בזהירות בעזרת מלקחיים. מכיוון שטביעות אצבעות ואבק יכולים למנוע הידבקות טובה, ניתן להשתמש בצדדים הנגדיים של המלקחיים כדי להבטיח חיבור טוב. מילוי.

התעלה נעשית על ידי הצמדת מזרק לצד אחד, הנחת השני במתלה מיקרוספרה מפוליסטירן והפעלת יניקה עדינה. ברגע שהוא ממוקם במיקרוסקופ ובמיקוד, החיבורים החשמליים נעשים למחולל הפונקציות. עם טעינת הדגימות והחיבורים שנוצרו הם מכשירים מוכנים כעת לניסוי.

כל סרטוני הניסוי שנציג מורכבים מהזרקת תרחיף מימי של שתי מיקרוספירות פוליסטירן מיקרוניות לתעלה והפעלת אות על האלקטרודות. בתחילה, החלקיקים מפוזרים באופן אקראי ומציגים תנועת השחמה. כאשר הרוצח האחד, האות שלה מופעל, החלקיקים מתיישרים במהירות על מרכז האלקטרודה.

זכור, מכיוון שאנו משתמשים בשדה AC, איננו עדים לכוח KI. התנהגות מרתקת זו נובעת מדפוסי הנוזלים שנוצרו כמו גם מהכוחות האטרקטיביים של די אלקטרופורזה. ככל שהתדר מוגבר, חלקיקים מתחילים להתפשט לאורך רוחב האלקטרודה.

כאשר המהירות האלקטרו-אוסמוטית AC פוחתת והאלקטרופורזה מתחילה להשתלט ב-56 קילו-הרץ, החלקיקים נודדים לקצה האלקטרודה. כאשר כוחות אלקטרו-אוסמוזה AC מתים ואלקטרופורזה חיובית שולטת. כפי שמוצג בתרשים זה, התנהגות זו ממשיכה ב-100 קילו-הרץ והחלקיקים מושרשים כעת היטב בקצה האלקטורט.

כאשר התדר מוגבר עוד יותר ל-250 קילו-הרץ, החלקיקים מתחילים להתיישר על פני הפער ומה שנקרא התנהגות שרשרת הפנינה, הנגרמת על ידי אינטראקציות חלקיקים בחלקיקים של 500 קילו-הרץ נדחים מקצה האלקטרודה כאשר DEP שלילי שולט. ניתן להסביר זאת על ידי גורם K clausius MoSo, המשתנה מחיובי לשלילי עם עליית תדר הגורמת למעבר מאלקטרופורזה חיובית לדיא אלקטרופורזה שלילית במגה-הרץ אחד. DEP שלילי קרוב לערכו המקסימלי וחלקיקים מרחפים מעל האלקטרודה.

עלייה במוליכות גורמת לשינוי חשוב בגורם CM. כפי שאתה יכול לראות, אין DEP חיובי יותר, שמשנה באופן דרסטי את התנהגות החלקיקים. זכור זאת כאשר אנו סוחפים את אותו טווח תדרים כאשר אנו מפעילים חלקיקי אות קילו-הרץ אחד מחוץ למישור לאורך קצה האלקטרודה.

התצוגה העליונה המסופקת על ידי המיקרוסקופ מציגה רק תנועת חלקיקים רוחבית כפי שמודגם באנימציה זו. מבט זה, המראה את החלקיקים הנעים קדימה ואחורה, מסתיר את התנועה האמיתית של החלקיקים כאשר מסתכלים עליהם מהצד. ניתן לראות ביתר קלות את טבעה האמיתי של תנועתם.

הם למעשה מקיפים את הסיבה שהם מקיפים ואינם לכודים במרכז כל אלקטרודה היא מכיוון שרכיב ה-DEP הפוך. ככל שהתדר ממשיך לעלות, חלקיקים מתחילים להתלכד לגושים תוך שמירה על אותו רעיון מסלולי. גוש זה נובע מאינטראקציה של חלקיקים.

מקורה של אינטראקציה זו נובע ככל הנראה מעיוותי השדה החשמלי הקלים הנגרמים על ידי החלקיקים עצמם. העיוותים סביב החלקיקים יוצרים כוחות DEP, המושכים חלקיקים סמוכים. ככל שנמשיך להגדיל את התדירות, מתרחש שינוי דרמטי בכ-250 קילו-הרץ.

חלקיקים עוצרים במידה רבה את תנועת המסלול ויוצרים שינוי נוסף של אינטראקציה בין חלקיקים. בסופו של דבר, ככל שהתדר עולה עוד יותר. בשלב זה, דחייה של מגה-הרץ אחד עקב DEP שלילי דוחפת את החלקיקים כלפי מעלה והחוצה ממישור המוקד של המיקרוסקופ.

לאחר מכן, נראה סוג אלקטרודה יצוקה הפועלת במוליכות נמוכה. עיצוב אלקטרודות זה דומה לזה של הסוג האחרון בכך שהוא משולב, אך האצבעות הישרות הוחלפו בצורה מסובכת יותר. בקילו-הרץ אחד, איסוף החלקיקים מתרחש במרכז הצמתים ויוצר במהירות צורת יהלום.

ככל שהתדירות עולה, אנו רואים את אותה התפשטות החוצה מהחלקיקים שנאספו. כאשר אוסמוזה אלקטרו-AC מתחילה לגווע ו-DEP משתלט, כמו לפני 56 קילו-הרץ גורם לחלקיקים לנדוד לאט לקצה האלקטרודה. מעניין שכמעט כל החלקיקים נעים לצד אחד, מה שעשוי לנבוע מלחץ הידרוסטטי כלשהו.

הם זזים הרבה יותר מהר. ב-100 קילו-הרץ כמנכ"ל נעלם כמעט לחלוטין. ב -250 קילו-הרץ, החלקיקים מתחילים ליצור שרשראות פרו.

ה-DEP השלילי הנגרם על ידי מעבר ל-500 קילו-הרץ מאלץ את החלקיקים הרחק מקצה האלקטרודה. הגדלת התדר עוד יותר למגה-הרץ אחד גורמת לחלקיקים לנוע כלפי מעלה מחוץ למישור המוקד מכיוון שהם נדחים עוד יותר על ידי אלקטרופורזה שלילית. לאחר מכן, נציג סוג אלקטרודה קסטלית הפועלת במוליכות גבוהה.

דפוס הסיבוב שנוצר עם סוג אלקטרודה זה מתרחש בצורה הדרמטית ביותר בפינות האלקטרודה הפנימיות, וכאן החלקיקים נודדים בסופו של דבר. התנהגות חיתוך צורת היהלום שראינו קודם לכן אינה קיימת כאן מכיוון שאין אלקטרופורזה חיובית במוליכות זו. ככל שהתדר עולה, מהירות הנוזל פוחתת לאט.

מכיוון שכוחות האלקטרו-אוסמוזה AC מתים ב-56 קילו-הרץ, התנועה איטית מאוד ובמקומות מסוימים חלקיקים מתחילים להתגבש וליצור שרשראות פנינים ב-100 קילו-הרץ. שרשראות פנינים די ברורות. לאט לאט ככל שהתדר גדל, גושי חלקיקים מתלכדים ויוצרים צורות X בכל אחת מהפינות.

לבסוף, במגה-הרץ אחד, שרשראות המקצוענים מתגברות על ידי DEP שלילי וחלקיקים נדחים מפני השטח. העיצוב המרובע המוצג כאן גורם לאזור בעל עוצמת שדה חשמלי נמוכה במרכז תבנית האלקטרודה ונועד להשתמש בדיאלקטרופורזה שלילית כדי למקד חלקיקים. כאשר אנו מפעילים 10 וולט על האלקטרודות, אנו רואים מיקוד חלקיקים דרמטי.

נאיץ מעט את הזמן כדי שנוכל לראות איך החלקיקים נראים בשיווי משקל. אם נוריד את המתח לוולט אחד, נראה את האזור הממוקד מתחיל להתרחב. כאשר דיאלקטרופורזה מאבדת קרקע כנגד בראוניז ותנועה, הגדלת המתח שוב גורמת לחלקיקים לנוע בחזרה לכיוון המרכז.

כמו התבנית המרובעת, באר הפוטנציאל יוצרת אזורים של שדה חשמלי נמוך על מנת ללכוד חלקיקים. האלקטרודות הן בין-ספרתיות, כך שניתן לראות השפעות אחרות שכבר ראינו גם כאן. כאשר האותות מופעלים, אנו רואים לכידה מהירה של חלקיקים עקב מנכ"ל ו-DEP.

אבל האפקט המעניין יותר הוא מה שקורה בריבועים החלולים. חלקיקים כאן נאספים עקב אלקטרופורזה שלילית לאחר זמן מה. אנו רואים גם אוסף כלשהו משני צידי הבאר הפוטנציאלית בצורת משולשים.

זה עתה הראינו כמה מהפיזיקה המעניינת הרבות מאחורי אלקטרוקינטיקה AC, כיצד לייצר את המכשירים הללו וכיצד לפרש תוצאות ניסויים על סמך סימולציות מספריות והפיזיקה הבסיסית. תופעות אלה, העוסקות בחלקיקים נעים, די קשות להבנה ללא עזרים חזותיים. ניתן להשתמש בתופעות אלקטרו-קינטיות AC בתחומי מחקר רבים.

לדוגמה, איסוף חלקיקים ליישומי חיישנים ביולוגיים, הפרדת חלקיקים בעלי תכונות שונות כגון גודל וצורה לעיבוד דגימה וערבוב פעיל לשיפור הבדיקה. אנו מקווים שהסרטון הזה יעזור למדענים ולמהנדסים להשתמש ולייצר התקנים קינטיים חשמליים AC, אחד האזורים החשובים והצומחים ביותר במעבדה על קהילת שבבים. ובכן, זהו זה.

תודה על הצפייה ובהצלחה בניסויים שלך.