Method Article

Generazione e controllo di idrodinamiche flussi in soluzioni acquose dell'elettrolito

DOI:

10.3791/57820

⸱

September 7th, 2018

 ,  ,  ,  , 
1Department of Mechanical Science and Bioengineering, Graduate School of Engineering Science, Osaka University, 2Division of Mechanical Science and Technology, Faculty of Science and Technology, GUNMA University

In This Article

Summary

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

La rettifica delle vie di trasporto di ioni è un metodo efficace per generare flussi unidirezionale dello ione-trascinato idrodinamiche. Impostando una membrana di scambio ionico in un canale di flusso, una condizione polarizzata elettricamente viene generata e provoca un flusso liquido essere guidato quando un campo elettrico viene applicato esternamente.

Abstract

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

A guidare idrodinamiche (EHD) scorre in soluzioni acquose, la separazione delle vie di trasporto di cationi e anioni è essenziale perché una forza di corpo elettrico diretto deve essere indotto da movimenti ionici in liquido. D'altra parte, cariche positive e negative si attraggono, ed elettroneutralità è mantenuto ovunque in condizioni di equilibrio. Inoltre, un aumento in una tensione applicata deve essere soppressa per evitare l'elettrolisi dell'acqua, che provoca le soluzioni per diventare instabile. Di solito, EHD flussi possono essere indotta in soluzioni non-acquose applicando tensioni estremamente elevate, come decine di kV, per iniettare cariche elettriche. In questo studio, vengono presentati due metodi per generare flussi EHD indotti da separazioni di carica elettrica in soluzioni acquose, dove due fasi liquide sono separati da una membrana di scambio ionico. A causa di una differenza nella mobilità ionica nella membrana, polarizzazione di concentrazione di ioni è indotto tra entrambi i lati della membrana. In questo studio, dimostriamo due metodi. (i) il rilassamento di gradienti di concentrazione di ioni si verifica tramite un canale di flusso che penetra una membrana di scambio ionico, dove il trasporto della specie più lento nella membrana selettivamente diventa dominante nel canale di flusso. Questa è una forza trainante per generare un flusso EHD nel liquido. (ii) un lungo tempo di attesa per la diffusione di ioni passando attraverso la membrana di scambio ionico consente la generazione di un flusso di ioni-trascinato da esternamente applicando un campo elettrico. Gli ioni concentrati in un canale di flusso di una sezione trasversale di 1 x 1 mm2 determinano la direzione del flusso del liquido, corrispondente per le vie di trasporto elettroforetica. In entrambi i metodi, la differenza di tensione elettrica necessaria per una generazione di flusso EHD viene drasticamente ridotta per vicino a 2 V di rettificare le vie di trasporto dello ione.

Introduction

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Recentemente, tecniche di controllo di flusso del liquido hanno attirato molta attenzione a causa di interesse per le applicazioni di micro - e nanofluidiche dispositivi1,2,3,4,5, 6 , 7 , 8 , 9 , 10 , 11 , 12 , 13 , 14 , 15. nelle soluzioni polari, quali soluzioni acquose e liquidi ionici, particelle cariche elettricamente e ioni di solito portare cariche elettriche nei flussi di liquidi. Il trasporto di tali particelle polarizzate fornisce un'espansione di varie applicazioni, come singola molecola manipolazione6,10,11,13,14 , 15 , 16 , 17, ion diodo dispositivi12,18e flusso di liquido di controllo19,20,21,22. Flusso EHD è stato un fenomeno applicabile per sistemi di controllo di flusso del liquido, poiché Stuetzer1,2 ha inventato la pompa di trascinamento dello ione. Melcher e Taylor3 ha pubblicato un articolo importante in cui il quadro teorico del flusso EHD era ben recensito e alcuni esperimenti eccezionali inoltre sono stati dimostrati. Saville4 e sue colleghe23,24 contribuito all'espansione seguente delle tecnologie EHD in liquidi. Tuttavia, c'erano alcune limitazioni per indurre il liquido scorre guidati da forze elettriche, perché decine di kV devono essere applicate in liquidi per iniettare cariche elettriche nelle soluzioni non-polari, quali oli, polarizzare li1,2 , 3. questo è uno svantaggio per soluzioni acquose, poiché l'elettrolisi di acqua che è indotta da un potenziale elettrico superiore a 1.23 V cambia le caratteristiche delle soluzioni e rende le soluzioni instabili.

Nei canali micro - e nanofluidiche, cariche di superficie delle pareti del canale causano la concentrazione di controioni che inducono in modo efficace il flusso elettroosmotico (EOFs) sotto campi elettrici applicati esternamente25,26,27 ,28,29. Utilizzando EOFs, alcune tecniche di pompaggio liquidi sono stati applicati in soluzioni acquose, riducendo la tensione elettrica30,31,32. D'altra parte, EOFs sono limitati a essere generata in micro - e nanospaces in cui le superfici diventano più dominante di volumi liquidi. Inoltre, a seconda del trasporto degli ioni altamente concentrati molto vicino le superfici della parete, come ad esempio in doppio strato elettrico, il limite di slittamento causa soltanto il flusso di liquido, che potrebbe non essere sufficiente per fare pressione pendenze7, 8 , 22 , 26 , 27. fine tuning, tali da canale dimensioni e concentrazioni saline, è richiesto per le applicazioni di EOF. Al contrario, EHD scorre guidato dal corpo forze sembrano essere disponibili per il trasporto di masse ed energie se le tensioni di applicazione possono essere ridotto per evitare degradanti solventi. Recentemente, alcuni ricercatori hanno suggerito le applicazioni dei flussi EHD con tensioni basse33,34,35,36. Anche se queste tecnologie non sono ancora state attuate, le frontiere sono dovrebbe espandere.

Negli studi precedenti, abbiamo anche condotto un lavoro sperimentale e teorico sui flussi di EHD in soluzioni acquose37,38,39,40. È stato supposto che la rettifica delle vie di trasporto di ioni era efficace per generare soluzioni elettricamente cariche che causano le forze del corpo elettrico sotto campi elettrici. Utilizzando una membrana di scambio ionico e un canale di flusso attraversa la membrana, siamo stati in grado di rettificare le correnti ioniche. Quando si applica una membrana di scambio anionico, cationi concentrano nel flusso di canale trascinato i solventi e sviluppato un EHD flusso37,38,39. Una differenza nella mobilità di specie ioniche era un fattore importante quando si separano le correnti cationiche e anioniche. Membrane a scambio ionico ha funzionato efficacemente per modulare la mobilità a causa della selettività ionica. Fenomeni di trasporto di ioni inoltre sono stati studiati dal punto di vista della densità di corrente ionica influenzato da campi elettrici applicati41. Questi studi sono stati proficui per sviluppare tecniche di manipolazione per singole molecole, vale a dire, micro - e nanoparticelle, cui movimenti sono fortemente influenzati da fluttuazioni termiche11,16,17 . EOFs ed EHD flussi si prevede di ampliare la varietà di metodi di controllo di flusso preciso, nonché di gradienti di pressione.

In questo studio, dimostriamo due metodi per unità EHD flussi in soluzioni acquose. In primo luogo, una soluzione di NaOH è usata per un fluido di lavoro per guidare un EHD flusso37,38,39. Una membrana di scambio anionico separa il liquido in due parti. Un canale di flusso di polidimetilsilossano (PDMS) con una sezione di 1 x 1 mm e una lunghezza di 3 mm penetra la membrana. Applicando un potenziale elettrico di 2.2 V, il trasporto elettroforetico di Na+, H+e ioni OH− è indotta lungo i campi elettrici. Una membrana di scambio anionico e un canale di flusso lavorare efficacemente per separare le vie di trasporto ionico, dove anioni dominante passano attraverso la membrana e cationi concentrano nel canale di flusso, anche se entrambe le specie di solito si muovono in direzioni opposte, mantenere l'elettroneutralità. Pertanto, tale condizione non causa una forza trainante per i flussi di liquidi. Questa struttura è fondamentale per generare un flusso EHD raggiunge la cui velocità di flusso dell'ordine di 1 mm/s nel canale perché altamente concentrato cationi accelerati da campi elettrici esterni trascinare delle molecole del solvente. EHD flussi sono osservati e registrati utilizzando un microscopio e una telecamera ad alta velocità, come mostrato nella Figura 1. In secondo luogo, una differenza di concentrazione tra due fasi liquide separate da una membrana di scambio ionico provoca una condizione polarizzata elettricamente da generare attraversando una membrana di scambio ionico40. In questo studio, troviamo l'importanza di un tempo di attesa considerevole a equilibrare le distribuzioni di ioni e un potenziale elettrico corrispondente, che causano condizioni preferibile applicare ad una forza di corpo in un liquido. Attraversando la membrana di scambio ionico, si ottiene una condizione debolmente polarizzata. In tale condizione, induce un campo elettrico applicato esternamente trasporto ionico direzionale che genera una forza di corpo in un liquido, e di conseguenza, il trasferimento di quantità di moto dagli ioni al solvente si sviluppa un flusso EHD.

Come accennato in precedenza, i dispositivi presenti riescono a diminuire drasticamente la differenza di tensione applicata a pochi volt, e quindi questo metodo è utilizzabile per soluzioni acquose, sebbene i metodi di iniezione di carica elettrica convenzionale richiedono decine di kV e sono limitati a un'applicazione per soluzioni non-acquose.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Protocol

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

1. EHD flusso indotto da trasporto ionico rettificato

  1. Sviluppo di un dispositivo di canale di flusso per rettificare i percorsi di trasporto dello ione
    1. Fare uno stampo PTFE del serbatoio:
      1. Tagliare un 13 x 30 x 10 stampo di3 mm da un blocco di politetrafluoroetilene (PTFE) utilizzando una fresatrice (Vedi Figura 2). In alternativa, acquistare un prodotto su misura.
      2. Lastre acriliche di 15 x 18 x 1 mm3 ad entrambe le estremità dello stampo PTFE con un adesivo di plastica, che renderà fessure nel serbatoio per saldare gli elettrodi bias di aderire. Queste parti possono essere tagliate da un grande piatto o acquistate.
      3. Aderire le lastre acriliche di 13 x 30 x 1 mm3 presso le superfici superiore e inferiore dello stampo PTFE con un adesivo di plastica per rendere le superfici planari per osservazione libera.
    2. Mescolare un agente base e polimerizzazione di elastomero siliconico nel rapporto di 10:1 in una provetta da 50 mL e agitare il tubo a mano.
    3. Degas e utilizzando una pompa rotativa e trasferirsi il PDMS liquido in un recipiente vuoto.
    4. Rimuovere il tubo dal recipiente. Versare il PDMS in una 40 x 50 x 24 mm3 plastica la nave di plasmare la forma esterna del serbatoio e posizionare lo stampo del serbatoio (Vedi punto 1.1.1) in esso.
    5. Cuocere tutto il corpo del liquido PDMS su una piastra riscaldante a 80 ° C per circa 4 h.
    6. Dopo la cottura, isolare il serbatoio PDMS dallo stampo PTFE e il vaso esterno a mano. Fare una fessura attraverso il centro del serbatoio utilizzando un coltello chirurgico. Questo serviranno a mettere i bordi di una membrana di scambio anionico (preparato nel passaggio 1.1.16) in esso con una pinzetta.
      Nota: Il serbatoio PDMS è riempito più tardi, con soluzioni di elettroliti come mostrato nella Figura 2.
    7. Ottenere lastre di vetro (fatta da ordine speciale) con una forma circolare di 18 mm di diametro o in un quadrato con i bordi di 18 mm.
    8. Lavare le piastre di vetro li ammollo in acetone, etanolo e acqua pura (in questo ordine) in un bagno di ultrasuoni per 15 minuti ciascuno.
    9. Far saltare qualsiasi residui liquidi via con un fucile ad aria compressa o riscaldare le piastre di vetro con una piastra per 5 min a circa 473 K.
    10. Utilizzando frequenze radio sputtering, rivestire la superficie di vetro con Cr o Ti esposti al plasma Ar per 1 min a 75 W e successivamente, depositare un film sottile di Au per 5 min a 75 W, impostare lo spessore a circa 100 nm.
      Nota: Prima di ricoprire la superficie di vetro con i metalli di destinazione, i campioni sono stati impostati in una camera a vuoto che è stata evacuata con una pompa rotativa e una pompa di diffusione molecolare fino a quando la pressione ridotta a 1 x 10− 2 PA.
    11. Saldare un piombo sulla superficie dell'elettrodo Au utilizzando un saldatore.
      Nota: La forma dell'elettrodo Au possibilmente può essere sostituita da piazze e fili elicoidali, mantenere le aree di superficie sufficientemente grande per generare correnti ioniche.
    12. Con le pinzette, impostare le lastre di vetro rivestite da una pellicola sottile di Au ad entrambe le estremità del serbatoio. Questi sono gli elettrodi di sbieco.
    13. Tagliare una membrana di scambio anionico in una forma rettangolare di 20 x 18 mm2 utilizzando forbici. Una superficie di 13 mm di larghezza e 10 mm di altezza è esposto ad un liquido. Qui, un taglierino o un coltello chirurgico può essere utilizzato anche per tagliare la membrana.
    14. Tagliare un pezzo rettangolare di 3 x 5.5 mm2 da un bordo della membrana con le forbici.
      Nota: Lo spessore della membrana di scambio anionico è 220 µm. La membrana è facilmente tagliare con forbici o un taglierino. I bordi della membrana sono parzialmente risolto con le fessure nella camera.
    15. Solidificare un blocco PDMS con una bacchetta di acciaio inox di una sezione trasversale di 1 x 1 mm2 nello stesso modo come nei passaggi 1.1.4 - 1.1.5, per creare un canale di flusso che penetra la membrana. Lasciare la costruzione di una notte e poi tirare l'asta inox fuori dal blocco PDMS.
    16. Tagliare il PDMS blocco con un canale di flusso quadrati in un 3 x 6 x 4.5 mm pezzo (vedere Figura 2) utilizzando un coltello chirurgico. Fare fessure lungo i bordi esterni, quindi allegarlo alla membrana entro l'apertura rettangolare.
      Nota: La faccia superiore del canale deve essere impostato in orizzontale per una chiara osservazione delle particelle nel flusso canale tramite la parete trasparente.
  2. Preparazione di soluzioni e pretrattamenti per esperimenti
    1. Preparare soluzioni acquose di NaOH alle concentrazioni di 1 x 10− 1, 1 x 10− 2e 1 x 10− 3 mol/L diluendo la soluzione di riserva.
    2. Fare in media una dispersione di particelle di polistirene di 2,93 µm di diametro in ciascuna delle soluzioni di NaOH preparate al punto 1.2.1 impostando la concentrazione a 4,2 x 10− 3 vol %.
      Nota: La dimensione delle particelle dell'elemento tracciante può essere modificata in modo appropriato per migliorare osservabilità.
    3. Ultrasonicate la membrana di scambio anionico formattato di 20 x 18 mm2 con una fessura di 3 x 5.5 mm2 2 x per 10 min in acqua pura a una potenza di 100 w.
    4. Con le pinzette, impostare la membrana di scambio anionico con il canale di flusso PDMS nel serbatoio PDMS. Riempire il serbatoio con 4 mL di soluzione di NaOH con una micropipetta.
      Nota: Il canale di flusso e superficie di membrana sono immersi nella soluzione, dove la superficie di membrana esposta alla soluzione è almeno 100 volte più grandi di sezione trasversale del canale di flusso.
    5. Applicare un potenziale elettrico di 2.2 V utilizzando una fonte di alimentazione DC in direzioni avanti e indietro per 2 h ogni serie, per migliorare la conducibilità della membrana prima dell'osservazione.
    6. Estrarre gli elettrodi Au con le pinzette. Rimuovere la soluzione dai serbatoi utilizzando una micropipetta.
    7. Impostare nuovi elettrodi Au nei serbatoi con le pinzette. Riempire i serbatoi con 4 mL di soluzione di NaOH con una micropipetta. Avviare le osservazioni quando la soluzione è equilibrata.
      Nota: Potrebbe richiedere pochi minuti di tempo di attesa fino a quando la convezione naturale si deposita giù, che può essere giudicata osservando il comportamento delle particelle di tracciante.
  3. Sistemi di misura e installazione sperimentale
    1. Impostare il frame rate e il tempo di esposizione di una macchina fotografica ad alta velocità metallo-ossido-semiconduttore complementare (CMOS) a 500 fps e 1 ms, rispettivamente.
      Nota: Come indicato nella Figura 1, il dispositivo sperimentale è impostato sul palco di un microscopio collegato a una telecamera CMOS ad alta velocità per registrare i movimenti delle particelle. La visualizzazione viene ingrandita in un 15 a monitor con una lente X 100.
    2. Rimuovere tutte le bolle dal canale inserendo la punta di una micropipetta nella parte terminale del canale spingere o tirare fuori loro, prima di applicare un potenziale elettrico.
    3. Applicare esternamente un potenziale elettrico di 2.2 V sugli elettrodi bias Au. Contemporaneamente è possibile monitorare le risposte elettriche utilizzando un potenziostato o una fonte di alimentazione DC con un multimetro digitale.
      Nota: Il valore della tensione è determinato a essere il limite superiore, evitando l'elettrolisi di acqua che genera O2 e H2 bolle nella soluzione.
    4. Registrare il comportamento delle particelle tracciante sul computer.
    5. Misurare una differenza di potenziale elettrico tra entrambe le estremità del canale di flusso utilizzando elettrodi sonda Au e un multimetro digitale per confermare che il gradiente di concentrazione di ioni innesca un EHD flusso38,39.
    6. Determinare l'origine del sistema di coordinate cartesiano al centro del canale.
      Nota: La x- asse è lungo la direzione longitudinale di flusso e y- e z-assi sono in direzione orizzontale e verticale nella sezione trasversale del canale, rispettivamente, come illustrato nella Figura 2. Il canale PDMS trasparente consente flussi liquidi possano essere visualizzati lungo la x-asse. La vista è focalizzata sul piano xy a z = 0 controllando la profondità di fuoco. I dati di flusso sono indipendenti di x nella sezione prova tranne proprio vicino l'ingresso e l'uscita del canale, e il punto di osservazione è impostato a circa 0,75 mm a valle dall'origine, tale che x = 0,75, y = 0 e z = 0 mm.
    7. Dopo una singola misura (di 15 s), cortocircuitare gli elettrodi collegandoli a vicenda con un piombo per 20 min fino a quando la soluzione è equilibrata.
    8. Quindi, spostare la totalità della soluzione su un'altra nave (ad es., un flacone da 10 mL del campione) e mescolate con una micropipetta.
    9. Versate la soluzione agitata nella camera di nuovo utilizzando una micropipetta quando iterativamente effettua l'esperimento.
      Nota: Dopo l'osservazione, la velocità di flusso EHD è valutata mediante la particella image velocimetry (PIV) metodo39, che può essere fatto utilizzando il software appropriato per tracciare lo spostamento delle particelle e valutare numericamente la velocità. Una spiegazione dettagliata dei metodi PIV e come usarli è omesso qui perché analisi PIV sono stati ampiamente utilizzati e le procedure dei calcoli dipendono dal software e sistema operativo utilizzato.

2. osservazione dei flussi EHD indotta da catione

  1. Sviluppo del dispositivo sperimentale
    1. Costituiscono Au bias elettrodi con una superficie di2 26 x 10 mm sulla lastra di vetro inferiore secondo procedure analoghe a quelle precedentemente descritte nei passaggi 1.1.5 - 1.1.7.
    2. Utilizzando frequenze radio sputtering, rivestire una superficie di vetro con Cr o Ti esposti al plasma Ar per 2 min a 75 W e depositare un film sottile di Au per 5 min a 75 w.
      Nota: Questa forma dell'elettrodo è determinata al fine di concentrare altamente campi elettrici della regione canale più stretto. Il rapporto della superficie dell'elettrodo, la cui area di 10x10 mm2 è esposto ad un liquido, per la sezione trasversale del canale è idealmente 100: 1; Questo rapporto è previsto per essere sufficiente per eliminare il potenziale elettrico presso il canale di una grande quantità di16.
    3. Una linea di piombo un bordo degli elettrodi di saldatura utilizzando un saldatore.
    4. Da un foglio di gomma silicone di grandi dimensioni, tagliato 2 alloggiamenti, ciascuno composto di un 1 x 1 x 1 canale di flusso3 mm posizionato tra serbatoi di3 due 10 x 10 x 1 mm, utilizzando un coltello chirurgico (Vedi Figura 3). Queste parti possono essere sostituite da PDMS.
    5. Tagliare una membrana a scambio cationico con uno spessore medio di 127 µm a 20 x 30 mm utilizzando un taglierino o un coltello chirurgico, come mostrato nella Figura 3.
    6. Ultrasonicate ogni parte in acqua pura per 15 min applicando 100 W.
    7. Inserire una membrana a scambio cationico tra le camere con le pinzette, come mostrato nella Figura 3. Questo separerà 2 soluzioni dell'elettrolito delle concentrazioni differenti.
    8. Premere e sigillare la pila degli alloggiamenti e le membrane a scambio cationico con lastre di vetro le cui dimensioni sono 26 mm di larghezza e lunghezza di 38 mm.
  2. Preparazione delle soluzioni
    1. Preparare una dispersione di particelle di polistirene del diametro medio di 1,01 µm in un 1 x 10− 2 mol/L tris (idrossimetil) amminometano Etilendiamminotetraacetico acido (Tris-EDTA) soluzione tampone, dove il rapporto di volume è regolato a 1 x 10− 2 % vol.
    2. Preparare una miscela di 1 mol/L di KCl e 1 x 10− 2 mol/L di Tris-EDTA.
    3. Iniettare la particella di Tris-EDTA/polistirolo e le soluzioni di Tris-EDTA/KCl in alloggiamenti superiore e inferiore, rispettivamente, tramite siringa aghi inseriti da pareti laterali degli alloggiamenti.
      Nota: La quantità delle soluzioni iniettato in ogni alloggiamento è circa 210 µ l.
    4. Attendere per circa 18 ore fino a quando la soluzione è equilibrata come risultato di una diffusione degli ioni per rilassarsi la differenza di concentrazione di ioni tra gli strati superiori e inferiori.
      Nota: Nel processo di diffusione, K+ nella soluzione superiore e H+ nella membrana sono tenuti a penetrare la membrana prima e Cl− è previsto a seguirli.
  3. Sistemi di misura e installazione sperimentale
    1. Impostare il dispositivo sperimentale sviluppato nel passaggio 2.1 sul palco del microscopio invertito a mano, come mostrato nella Figura 3. Collegare il microscopio ad una fotocamera CMOS ad alta velocità per monitorare le traiettorie del moto delle particelle e registrare i dati di osservazione su un computer.
    2. Applicare una differenza di potenziale elettrico di 2 V per 6 s tra i due elettrodi utilizzando un generatore di funzioni come una fonte di alimentazione.
    3. Per confermare che EHD flussi sono indotti dal trasporto di ioni, misurare le correnti ioniche contemporaneamente utilizzando un amperometro40.
    4. Analizzare le traiettorie registrate delle particelle dalla particella velocimetry (PTV) metodo39di rilevamento.
      Nota: Dopo le osservazioni, la velocità di flusso EHD viene valutata tramite il metodo di PTV, che è possibile utilizzando il software appropriato, di tracciare lo spostamento delle particelle e valutare numericamente la velocità. Una spiegazione dettagliata dei metodi di PTV e come usarli è omesso qui perché analisi PTV sono stati ampiamente utilizzati e le procedure dei calcoli dipendono dal software e sistema operativo che viene utilizzato.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Results

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Figura 4 (video figura) presenta un risultato rappresentativo di una generazione di flusso EHD, conseguenti la rettifica delle vie di trasporto di ioni e cationi altamente concentrate che ha indotto un flusso di liquido nel canale, secondo la fase 1 del protocollo. La figura 5 Mostra un risultato dell'analisi PIV, dove 20 dati punti vicino al centro del canale (y = z = 0 mm) erano in media. Nel caso la 1 x 10

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Discussion

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Lo scopo di questo studio era di separare cationi e anioni in soluzioni acquose in termini di distribuzioni spaziali e numeri di trasporto. Utilizzando una membrana di scambio anionico, il trasporto di anioni e cationi potrebbe essere corretti nella membrana e in un canale di flusso che penetra la membrana, rispettivamente. In alternativa, una membrana a scambio cationico che separati ad alta e bassa soluzioni di concentrazione ha lavorato per generare soluzioni polarizzate elettricamente dopo un tempo di attesa consider...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Disclosures

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Gli autori non hanno nulla a rivelare.

Acknowledgements

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Gli autori non hanno nessun ringraziamenti.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
Sylgard 184Dow Corning Corp.3097366-0516, 3097358-1004PDMS
AcetoneWako Pure Chemical Industries, Ltd.012-00343
EtanoloWako Pure Chemical Industries, Ltd.054-00461
0,1 mol/L Soluzione di idrossido di sodioWako Pure Chemical Industries, Ltd.196-02195
Cloruro di PottasioWako Pure Chemical Industries, Ltd.163-03545
Tampone Tris-EDTA 100x concentratoSigma-Aldrich Co. LLC.T9285-10014L
2.93 μ m particella di polistireneMerck KGaAL300 RougeTracer particella
1.01 μ m particella di polistireneMerck KGaAK100(23716)Particella tracciante
Membrana a scambio anionicoASTOM Corp.Neosepta AHA
Gold (Au)Furuuchi Chemical Corp.AUT-13301XSputtering bersaglio metallico
TitanioFuruuchi Chemical Corp.TIT-72301XMetallo bersaglio sputtering
CromoFuruuchi Chemical Corp.CRT-24301Xin metallo con bersaglio sputtering
KeyenceCorp.VW-600M
MicroscopioKeyence Corp.VW-9000
Registratore di datiKeyence Corp.NR-500, NR-HA08
Misuratore di spostamento laserKeyence Corp.LK-G5000, LK-H008W
Software PIV e PTVDITECT Co. Ltd.Flownizer 2D
PotenziostatoAMTEK Inc.VersaSTAT4
Microscopio invertitoOlympus Corp.IX73
Telecamera CMOS ad alta velocitàAndor Technology Ltd.Zyla 5.5 sCMOS
Generatore di funzioniNF Corp.
Generatore di funzioniNF Corp.WF1973
Pulitore ad ultrasuoniAS ONE Corp.
Pompa rotativaULVAC, Inc.G-100SDegas liquido PDMS
Pompa rotativaULVAC, Inc.GLD-201ASputtering 
Pompa a diffusione molecolareULVAC, Inc.VPC-400Sputtering
Telecamera CMOS ad alta velocità WF1945BAS22GTU

References

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Stuetzer, O. M. Ion drag pressure generation. Journal of Applied Physics. 30, 984-994 (1959).
  2. Stuetzer, O. M. Ion drag pumps. Journal of Applied Physics. 31, 136-146 (1960).
  3. Melcher, J. R., Taylor, G. I. Electrohydrodynamics: A review of the role of interfacial shear stresses. Annual Review of Fluid Mechanics. 1, 111-146 (1969).
  4. Saville, D. A. Electrohydrodynamics: The Taylor-Melcher leaky dielectric model. Annual Review of Fluid Mechanics. 29, 27-64 (1997).
  5. Stein, D., Kruithof, M., Dekker, C. Surface-charge-governed ion transport in nanofluidic channels. Physical Review Letters. 93, 035901(2004).
  6. Dekker, C. Solid-state nanopores. Nature Nanotechnology. 2, 209-215 (2007).
  7. Schoch, R. B., Han, J., Renaud, P. Transport phenomena in nanofluidics. Reviews of Modern Physics. 80, 839-883 (2008).
  8. Iverson, B. D., Garimella, S. V. Recent advances in microscale pumping technologies: A review and evaluation. Microfluidics and Nanofluidics. 5, 145-174 (2008).
  9. Sparreboom, W., van den Berg, A., Eijkel, J. C. T. Principles and applications of nanofluidic transport. Nature Nanotechnology. 4, 713-720 (2009).
  10. Venkatesan, B. M., Bashir, R. Nanopore sensors for nucleic acid analysis. Nature Nanotechnology. 6, 615-624 (2011).
  11. Uehara, S., Shintaku, H., Kawano, S. Electrokinetic flow dynamics of weakly aggregated λDNA confined in nanochannels. Journal of Fluids Engineering. 133, 121203(2011).
  12. Guan, W., Reed, M. A. Electric field modulation of the membrane potential in solid-state ion channels. Nano Letters. 12, 6441-6447 (2012).
  13. Yasui, T., et al. DNA manipulation and separation in sublithographic-scale nanowire array. ACS Nano. 7, 3029-3035 (2013).
  14. Ren, Y., et al. Particle rotational trapping on a floating electrode by rotating induced-charge electroosmosis. Biomicrofluidics. 10, 054103(2016).
  15. Ren, Y., et al. Flexible particle flow-focusing in microchannel driven by droplet-directed induced-charge electroosmosis. ELECTROPHORESIS. 39, 597-607 (2018).
  16. Qian, W., Doi, K., Uehara, S., Morita, K., Kawano, S. Theoretical study of the transpore velocity control of single-stranded DNA. International Journal of Molecular Sciences. 15, 13817-13832 (2014).
  17. Qian, W., Doi, K., Kawano, S. Effect of polymer length and salt concentration on the transport of ssDNA in nanofluidic channels. Biophysical Journal. 112, 838-849 (2017).
  18. Liu, W., et al. A universal design of field-effect-tunable microfluidic ion diode based on a gating cation-exchange nanoporous membrane. Physics of Fluids. 29, 112001(2017).
  19. Liu, W., et al. Control of two-phase flow in microfluidics using out-of-phase electroconvective streaming. Physics of Fluids. 29, 112002(2017).
  20. Osman, O. O., Shintaku, H., Kawano, S. Development of micro-vibrating flow pumps using MEMS technologies. Microfluidics and Nanofluidics. 13, 703-713 (2012).
  21. Osman, O. O., Shirai, A., Kawano, S. A numerical study on the performance of micro-vibrating flow pumps using the immersed boundary method. Microfluidics and Nanofluidics. 19, 595-608 (2015).
  22. Daiguji, H. Ion transport in nanofluidic channels. Chemical Society Reviews Home. 39, 901-911 (2010).
  23. Ristenpart, W. D., Aksay, I. A., Saville, D. A. Assembly of colloidal aggregates by electrohydrodynamic flow: Kinetic experiments and scaling analysis. Physical Review E. 69, 021405(2004).
  24. Ristenpart, W. D., Aksay, I. A., Saville, D. A. Electrohydrodynamic flow around a colloidal particle near an electrode with an oscillating potential. Journal of Fluid Mechanics. 575, 83-109 (2007).
  25. Schoch, R. B., Hann, J., Renaud, P. Effect of the surface charge on ion transport through nanoslits. Physics of Fluids. 17, 100604(2005).
  26. Ross, D., Johnson, T. J., Locascio, L. E. Imaging of electroosmotic flow in plastic microchannels. Analytical Chemistry. 73, 2509-2515 (2001).
  27. Hsieh, S. -S., Lin, H. -C., Lin, C. -Y. Electroosmotic flow velocity measurements in a square microchannel. Colloid and Polymer Science. 284, 1275-1286 (2006).
  28. Rubinstein, I., Zaltzman, B. Electro-osmotically induced convection at a permselective membrane. Physical Review E. 62, 2238-2251 (2000).
  29. Bard, A. J., Faulkner, L. R. Electrochemical methods, 2nd ed. , John Wiley & Sons. Danvers, MA. 362-363 (2001).
  30. Brask, A., Goranović, G., Jensen, M. J., Bruus, H. A novel electro-osmotic pump design for nonconducting liquids: theoretical analysis of flow rate-pressure characteristics and stability. Journal of Micromechanics and Microengineering. 15, 883-891 (2005).
  31. Takamura, Y., et al. Low-voltage electroosmosis pump for stand-alone microfluidics devices. Electrophoresis. 24, 185-192 (2003).
  32. Zeng, S., Chen, C. -H., Mikkelsen, J. C., Santiago, J. G. Fabrication and characterization of electroosmotic micropumps. Sensors and Actuators B: Chemical. 79, 107-114 (2001).
  33. Bhaumik, S. K., Roy, R., Chakraborty, S., DasGupta, S. Low-voltage electrohydrodynamic micropumping of emulsions. Sensors and Actuators B: Chemical. 193, 288-293 (2014).
  34. El Moctar, A. O., Aubry, N., Batton, J. Electro-hydrodynamic micro-fluidic mixer. Lab on a Chip. 3, 273-280 (2003).
  35. Bart, S. F., Tavrow, L. S., Mehregany, M., Lang, J. H. Microfabricated electrohydrodynamic pumps. Sensors and Actuators A: Physical. 21, 193-197 (1990).
  36. Ashikhmin, I. A., Stishkov, Y. K. Effect of insulating walls on the structure of electrodynamic flows in a channel. Technical Physics. 57, 1181-1187 (2012).
  37. Yano, A., Doi, K., Kawano, S. Observation of electrohydrodynamic flow through a pore in ion-exchange membrane. International Journal of Chemical Engineering and Applications. 6, 254-257 (2015).
  38. Doi, K., Yano, A., Kawano, S. Electrohydrodynamic flow through a 1 mm2 cross-section pore placed in an ion-exchange membrane. The Journal of Physical Chemistry B. 119, 228-237 (2015).
  39. Yano, A., Shirai, H., Imoto, M., Doi, K., Kawano, S. Concentration dependence of cation-induced electrohydrodynamic flow passing through an anion exchange membrane. Japanese Journal of Applied Physics. 56, 097201(2017).
  40. Nagura, R., Doi, K., Kawano, S. Characterisation of microparticle transport driven by ionic current conditions in electrically polarized aqueous solutions. Micro & Nano Letters. 12, 526-531 (2017).
  41. Doi, K., et al. Nonequilibrium ionic response of biased mechanically controllable break junction (MCBJ) electrodes. The Journal of Physical Chemistry C. 118, 3758-3765 (2014).

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Reprints and Permissions

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article

Request Permission

Tags

Electrohydrodynamic FlowsIon Exchange MembraneIon Concentration PolarizationAqueous Electrolyte SolutionsElectric Potential ApplicationTracer Particle TrackingHigh Speed CameraPDMS ReservoirGold Bias ElectrodesPIV Analysis

Related Articles