Fenomeni AC elettrocinetico Generato da strutture microelettrodo

Negli ultimi anni, la comunità dei lab on a chip ha abbracciato un'entusiasmante tecnologia nota come elettrocinetica CA. Questo gruppo di fenomeni può essere utilizzato per manipolare particelle e fluidi su scala da micron a nanometro in onde rapide e versatili e sta rapidamente diventando essenziale per molte applicazioni di biochip. In questo video, esamineremo le basi dell'elettrocinetica CA in modo sufficientemente dettagliato da aiutare altri scienziati e ingegneri che potrebbero trarre vantaggio dall'utilizzo di questi fenomeni nella loro ricerca.

Ciao, mi chiamo Robert Hart e sono uno studente di dottorato qui a Drexel nel dipartimento di Ingegneria Biomedica, Scienze e Sistemi Sanitari. Inizieremo questo video con una breve descrizione della fisica alla base della cinetica elettrica CA. Successivamente, passeremo alla fabbricazione dei dispositivi e infine mostreremo alcuni video dell'elettrocinetica CA e spiegheremo cosa sta succedendo.

La prima delle tre forze che descriveremo è nota come elettroforesi. Qui vediamo un campo elettrico generato tra due elettrodi sommersi. Se avessimo una particella dielettrica in questo campo elettrico, questa si polarizza.

Come puoi vedere, le cariche sulla particella sono bilanciate dalle cariche all'interno del liquido. Indipendentemente dal fatto che la particella sia più polarizzabile del liquido o meno, la polarizzabilità può essere determinata dal fattore MoSo più elegante in un campo elettrico uniforme. Le particelle subiscono una forza nota del dado.

Tuttavia, in un campo elettrico non uniforme, come quello mostrato qui, le particelle che sono più polarizzabili si spostano verso aree di alto campo elettrico man mano che sperimentano un'elettroforesi di positiva cambiando la frequenza per cambiare la polarizzabilità si ottiene l'effetto opposto noto come elettroforesi di negativa e le particelle si allontanano dalle aree di elevata intensità del campo elettrico. La seconda forza è l'elettroosmosi CA alla base dell'elettroosmosi CA come formazione del doppio strato elettrico dovuto al potenziale elettrico. In superficie, questa regione è divisa in lo strato di poppa, che consiste di ioni immobili rigidamente legati alla superficie e lo strato diffuso, che contiene ioni che, pur essendo legati, sono ancora liberi di muoversi lateralmente.

Se ispezioniamo uno degli ioni vicino al bordo dell'elettrodo, osserviamo che subisce una forza di raffreddamento dal campo elettrico. La componente Y della forza è bilanciata dall'esistenza di cariche sulla superficie. Pertanto, lo ione subisce una forza laterale netta diretta verso il centro dell'elettrodo, gli ioni su entrambi i lati dell'elettrodo si muovono e la massa verso il centro dell'elettrodo e un numero sufficiente per trascinare il fluido.

La convergenza di questi due flussi fa sì che il fluido al centro si muova verso l'alto ed emerga un modello di fluido rotazionale. La commutazione del potenziale non influisce sulla direzione del modello del fluido perché anche gli ioni contatore sono cambiati. Il terzo e ultimo fenomeno è l'effetto idrotermale AC.

Quando un campo elettrico viene fatto passare attraverso un liquido, il riscaldamento JUUL provoca gradienti di temperatura. Come mostrato nella simulazione, le proprietà elettriche dell'acqua cambiano. Di conseguenza, queste perturbazioni nelle proprietà elettriche interagiscono con il campo elettrico per causare una forza corporea.

Il movimento risultante, come l'elettroosmosi CA, è di natura rotazionale nonostante la diversa natura delle sue origini. Abbiamo menzionato brevemente l'effetto idrotermale AC per completezza, ma gli effetti dell'effetto idrotermale sono sottili. Nelle condizioni operative dei nostri esperimenti Dai principi matematici alla base di ciascuna delle tre forze, è stata creata una simulazione numerica agli elementi finiti, che mostra la forza totale combinata che agisce su una particella di polistirene di due micron In ogni posizione del canale, la simulazione agli elementi finiti che abbiamo eseguito prende una sezione trasversale bidimensionale degli elettrodi e si centra su una sola.

La prima simulazione mostra mezzi a bassa conducibilità e progredisce da 100 hertz a un megahertz alle basse frequenze. L'elettroosmosi C è dominante, come si può vedere dal modello di forza rotazionale. Man mano che avanziamo, l'elettroforesi di positiva prende il sopravvento, come illustrato dalle forze attrattive che portano a ciascun angolo dell'elettrodo.

Quando la frequenza aumenta oltre una soglia, il DEP positivo dà peso al DEP negativo e le particelle saranno respinte a una certa altezza dove sono bilanciate dalla forza di gravità. Ora, eseguiremo le stesse frequenze ad alta conduttività. Ad alta conducibilità, la forza dell'elettro mo CA è generalmente inferiore a quella a bassa conducibilità e la velocità di picco si verifica a una frequenza più elevata.

Inoltre, si noti che non c'è DEP positivo perché la conduttività è troppo alta. L'elettroosmosi CA lascia il posto direttamente al DEP negativo con una maggiore conducibilità e una tensione più elevata. L'effetto elettrodermico sarà mostrato molto più chiaramente.

In questa sezione parleremo della fabbricazione e dell'assemblaggio dei dispositivi. I dispositivi stessi sono costituiti da elettrodi d'oro modellati su un substrato. In questo caso vetro.

Mostreremo un metodo di incisione a umido per raggiungere questo obiettivo, ma la ben nota procedura di decollo viene utilizzata di routine e verrà mostrata in seguito. I quattro progetti che stiamo utilizzando sono paralleli interdigitati, paralleli castellati, pozzi di potenziale e quadrupli. Di seguito è riportata una breve descrizione del processo.

Innanzitutto, uno strato di cromo e oro viene depositato sul substrato di vetro. Successivamente, il substrato viene rivestito di fotoresist e il modello di elettrodi viene trasferito dalla maschera al substrato. Con esposizione ai raggi UV.

Dopo lo sviluppo, il cromo e l'oro vengono incisi e il fotoresist viene rimosso. Per una buona adesione, i vetrini devono essere molto puliti. Questo viene comunemente fatto con una soluzione di piranha riscaldata, che consiste in acido solforico e perossido di idrogeno.

È necessario prestare molta attenzione quando si lavora con questa pericolosa combinazione. Dopo la pulizia, i substrati vengono asciugati e pronti per la deposizione del metallo. Questa fase viene eseguita in un evaporatore a fascio di elettroni.

I vetrini vengono caricati sul portacampioni con tappo su nastro, che è particolarmente adatto a resistere alle condizioni di deposizione. Successivamente, i campioni vengono caricati nella macchina e aspirati. Il processo consiste in una breve deposizione di due minuti di cromo e una deposizione di 30 minuti di oro, risultanti rispettivamente a circa 20 e 200 nanometri.

Quando i campioni vengono rimossi, la superficie dell'oro è chiaramente visibile. Fotolitografia Inizia con un rivestimento di fotoresist utilizzando una macchina per rivestimento rotante. Il fotoresist viene pipettato sul substrato che si trova su un mandrino all'interno della macchina.

Uno strato uniforme di fotoresist viene creato ruotando il vetro a una velocità specifica, che rimuove la maggior parte del fotoresist in eccesso. Questo processo è seguito da una cottura morbida per due minuti a 100 gradi C.Questo indurisce il fotoresist e lo prepara per l'esposizione ai raggi UV. Successivamente, la maschera fotografica viene posta a contatto con il nostro substrato ed esposta alla luce UV per circa otto secondi.

Questo trasferisce il motivo al fotoresist. La fase di sviluppo rimuove tutte le aree di fotoresist che sono state esposte alla luce. Questo processo completa la fase di fotolitografia e siamo pronti per l'incisione su oro e cromo.

Le aree del nostro substrato che sono state esposte durante il processo di sviluppo sono ora libere di essere mordenzate. Il fotoresist protegge efficacemente il resto della superficie, ma come in tutti i passaggi, il tempo di incisione deve essere attentamente controllato. Qui vediamo i substrati che vengono posizionati nell'incisione d'oro scura a base di iodio.

Dopo il risciacquo e l'acqua, il cromo viene rimosso con l'incisione cromata. Si noti la trasformazione che avviene quando il vetro è tornato trasparente. Una volta rimosso il cromo, un confronto tra i substrati incisi e non incisi mostra i risultati.

Una rapida ispezione al microscopio mostra il successo del processo. Qui Vediamo un dispositivo fabbricato con successo con collegamenti elettrici effettuati. Accanto ad esso si trova un canale PD DS con collegamenti per tubi.

Quando il canale PDMS viene posizionato su un dispositivo, viene realizzata una tenuta molto efficace con un vetro e il liquido può fluire attraverso il canale. Questo viene fatto con cura con una pinza. Poiché le impronte digitali e la polvere possono impedire una buona adesione, i lati opposti della pinza possono essere utilizzati per garantire un buon fissaggio. Ripieno.

Il canale viene eseguito collegando una siringa da un lato, posizionando l'altro in una sospensione di microsfere di polistirene e applicando una leggera aspirazione. Una volta posizionato nel microscopio e messo a fuoco, vengono effettuati i collegamenti elettrici al generatore di funzioni. Con i campioni caricati e le connessioni effettuate, i dispositivi sono ora pronti per un esperimento.

Tutti i video sperimentali che mostreremo consistono nell'iniezione di una sospensione acquosa di due microsfere di polistirene micron nel canale e nell'applicazione di un segnale agli elettrodi. Inizialmente, le particelle sono distribuite in modo casuale e mostrano un movimento di imbrunimento. Quando viene applicato il suo segnale, le particelle si allineano rapidamente al centro dell'elettrodo.

Tenete presente che, dal momento che stiamo utilizzando un campo CA, non stiamo assistendo alla forza KIC. Questo affascinante comportamento è dovuto ai modelli di fluidi generati e alle forze attrattive dell'elettroforesi. All'aumentare della frequenza, le particelle iniziano a diffondersi lungo la larghezza dell'elettrodo.

Quando la velocità elettroosmotica CA diminuisce e l'elettroforesi inizia a prendere il sopravvento a 56 kilohertz, le particelle migrano verso il bordo dell'elettrodo. Quando l'elettroosmosi CA si estingue le forze e predomina l'elettroforesi DI positiva. Come mostrato in questo diagramma, questo comportamento continua a 100 kilohertz e le particelle sono ora saldamente radicate al bordo dell'elettorato.

Quando la frequenza viene aumentata ulteriormente a 250 kilohertz, le particelle iniziano ad allinearsi attraverso la fessura e il cosiddetto comportamento della catena perlifera, che è causato da interazioni tra particelle e particelle a 500 kilohertz, le particelle vengono respinte dal bordo dell'elettrodo poiché predomina il DEP negativo. Ciò può essere spiegato dal fattore K clausius MoSo, che cambia da positivo a negativo con un aumento della frequenza che provoca una transizione da elettroforesi di positiva a elettroforesi di negativa a un megahertz. Il DEP negativo è vicino al suo valore massimo e le particelle vengono levitate sopra l'elettrodo.

Un aumento della conducibilità provoca un importante cambiamento nel fattore CM. Come puoi vedere, non c'è più DEP positivo, il che cambia drasticamente il comportamento delle particelle. Tenetelo a mente quando attraversiamo la stessa gamma di frequenze quando applichiamo un kilohertz: le particelle di segnale orbitano fuori dal piano lungo il bordo dell'elettrodo.

La vista dall'alto fornita dal microscopio mostra solo il movimento laterale delle particelle, come dimostrato in questa animazione. Questa vista, che mostra le particelle che si muovono avanti e indietro, nasconde il vero movimento delle particelle se viste di lato. La vera natura del loro movimento può essere vista più facilmente.

In realtà sono in orbita, il motivo per cui orbitano e non sono intrappolati al centro di ciascun elettrodo si ritiene sia perché la componente DEP è invertita. Man mano che la frequenza continua ad aumentare, le particelle iniziano a fondersi in grumi mantenendo la stessa nozione orbitale. Questo aggregamento è dovuto all'interazione tra particelle e particelle.

Si pensa che le origini di questa interazione siano dovute alle lievi distorsioni del campo elettrico causate dalle particelle stesse. Le distorsioni intorno alle particelle creano forze DEP, che attraggono le particelle vicine. Man mano che continuiamo ad aumentare la frequenza, si verifica un cambiamento drammatico a circa 250 kilohertz.

Le particelle in gran parte fermano il movimento orbitale e formano un altro cambiamento un'altra manifestazione dell'interazione particella-particella. Alla fine, quando la frequenza diventa ancora più alta. A questo punto, una repulsione di un megahertz dovuta al DEP negativo spinge le particelle verso l'alto e fuori dal piano focale del microscopio.

Successivamente, mostreremo un tipo di elettrodo euforico fuso che funziona a bassa conduttività. Questo design dell'elettrodo è simile a quello dell'ultimo tipo in quanto è interdigitato, ma le dita dritte sono state sostituite con una forma più complicata. A un kilohertz, la raccolta delle particelle avviene al centro delle intersezioni e forma rapidamente una forma di diamante.

All'aumentare della frequenza, vediamo la stessa diffusione delle particelle raccolte. Quando l'elettroosmosi CA inizia a esaurirsi e il DEP prende il sopravvento, come prima di 56 kilohertz fa sì che le particelle migrino lentamente verso il bordo dell'elettrodo. È interessante notare che quasi tutte le particelle si spostano su un lato, il che potrebbe essere dovuto a una certa pressione idrostatica.

Si muovono molto più velocemente. A 100 kilohertz come CEO è scomparso quasi completamente. A 250 kilohertz, le particelle iniziano a formare catene professionali.

Il DEP negativo causato dal passaggio a 500 kilohertz spinge le particelle lontano dal bordo dell'elettrodo. Aumentando la frequenza ancora di più a un megahertz, le particelle si spostano verso l'alto fuori dal piano focale poiché vengono respinte ancora di più dall'elettroforesi negativa. Successivamente, mostreremo un tipo di elettrodo castellato che opera ad alta conduttività.

Il modello rotazionale che si genera con questo tipo di elettrodo si verifica in modo più drammatico negli angoli interni dell'elettrodo, ed è qui che le particelle alla fine migrano. Il comportamento di taglio a forma di diamante che abbiamo visto in precedenza non esiste qui perché non c'è elettroforesi di positiva a questa conducibilità. All'aumentare della frequenza, la velocità del fluido diminuisce lentamente.

Poiché le forze dell'elettroosmosi CA si estinguono a 56 kilohertz, il movimento è molto lento e in alcuni punti le particelle iniziano ad aggregarsi e a formare catene di perle a 100 kilohertz. Le catene di perle sono abbastanza chiare. Lentamente, all'aumentare della frequenza, grumi di particelle si fondono e formano forme a X in corrispondenza di ciascuno degli angoli.

Infine, a un megahertz, le catene pro vengono superate da DEP negativo e le particelle vengono respinte dalla superficie. Il design quadruplo mostrato qui provoca un'area di bassa intensità del campo elettrico al centro del modello dell'elettrodo ed è progettato per utilizzare la dielettroforesi negativa per focalizzare le particelle. Quando applichiamo 10 volt agli elettrodi, vediamo una drammatica focalizzazione delle particelle.

Accelereremo un po' il tempo in modo da poter vedere come appaiono le particelle in equilibrio. Se riduciamo la tensione a un volt, vediamo che l'area focalizzata inizia ad espandersi. Quando la dielettroforesi perde terreno contro il brownie e il movimento, l'aumento della tensione provoca nuovamente il ritorno delle particelle verso il centro.

Come il modello quadruplo, il pozzo di potenziale crea aree di basso campo elettrico per intrappolare le particelle. Gli elettrodi sono interdigitati, quindi anche qui si possono osservare altri effetti che abbiamo già visto. Quando i segnali vengono applicati, vediamo un rapido intrappolamento delle particelle a causa di un CEO e di un DEP.

L'effetto più interessante, però, è quello che sta succedendo nei quadrati vuoti. Le particelle qui vengono raccolte a causa dell'elettroforesi negativa dopo che è passato un po' di tempo. Vediamo anche una raccolta su entrambi i lati del pozzo potenziale a forma di triangoli.

Abbiamo appena mostrato alcune delle molte interessanti fisiche dietro l'elettrocinetica CA, come fabbricare questi dispositivi e come interpretare i risultati sperimentali sulla base di simulazioni numeriche e della fisica sottostante. Questi fenomeni, che hanno a che fare con particelle in movimento, sono abbastanza difficili da capire senza aiuti visivi. I fenomeni elettrocinetici CA possono essere utilizzati in molte aree di ricerca.

Ad esempio, la raccolta di particelle per applicazioni di biosensori, la separazione di particelle con proprietà diverse come dimensioni e forma per l'elaborazione dei campioni e la miscelazione attiva per il miglioramento dei saggi. Ci auguriamo che questo video aiuti scienziati e ingegneri a utilizzare e fabbricare dispositivi cinetici elettrici CA, una delle aree più importanti e in crescita della comunità lab on a chip. Bene, questo è tutto.

Grazie per aver guardato e buona fortuna con i tuoi esperimenti.