マイクロ電極の構造によって生成されたAC動電現象

ここ数年、Lab on a Chipコミュニティは、AC Electrokineticsとして知られるエキサイティングな技術を採用しています。この現象群は、ミクロンからナノメートルスケールの粒子や流体を迅速かつ汎用性の高い波で操作するために使用できるため、多くのバイオチップアプリケーションにとって急速に不可欠になりつつあります。このビデオでは、AC電気動態の基本を詳しく説明し、これらの現象を研究に利用することで恩恵を受ける可能性のある他の科学者やエンジニアを支援します。

こんにちは、私の名前はロバート・ハートで、ここドレクセルの生物医学工学科学および健康システム学科の博士課程の学生です。このビデオは、AC電気動力学の背後にある物理学の簡単な説明から始めます。次に、デバイスの製造に移り、最後にAC電気動態のビデオをいくつか見せて、何が起こっているのかを説明します。

これから説明する3つの力のうちの最初のものは、di electrophoresisとして知られています。ここでは、2つの水中電極間に電界が発生していることがわかります。この電場に誘電体粒子があると、分極します。

ご覧のとおり、粒子の電荷は液体内の電荷によってバランスが取れています。粒子が液体よりも分極しやすいか少ないかは、均一な電場で最も上品なMoSo係数によって分極可能かどうかを決定できます。粒子は既知のナット力を受けます。

ただし、ここに示されているような不均一な電場では、分極しやすい粒子は、正の電気泳動を経験すると高電界の領域に向かって移動し、周波数を変更して分極率を切り替えると、負の電気泳動として知られる逆の効果が得られ、粒子は電界強度の高い領域から離れます。第2の力は、電位による電気二重層の形成として、AC電気浸透の基礎となるAC電気浸透です。表面では、この領域は、表面に強固に結合した不動のイオンで構成される船尾層と、結合しながらも横方向に自由に移動できるイオンを含む拡散層に分かれています。

電極の端付近にあるイオンの1つを調べると、電界から冷却力を受けていることがわかります。力のY成分は、表面の電荷の存在によってバランスが取れています。したがって、イオンは、電極の中心に向けられた正味の横方向の力、電極の両側のイオンが移動し、質量が電極の中心に向かって移動し、流体を引きずるのに十分な数

これら 2 つの流れが収束すると、中心の流体が上方に移動し、回転流体パターンが出現します。電位を切り替えても、対イオンも切り替わっているため、流体パターンの方向には影響しません。3つ目の現象は、交流熱水効果です。

液体に電界が通過すると、JUULの加熱により温度勾配が発生します。シミュレーションで示されているように、水の電気的特性は変化します。その結果、これらの電気的特性の摂動が電界と相互作用して物体の力を引き起こします。

結果として生じるAC電気浸透のような運動は、その起源が異なる性質にもかかわらず、本質的に回転しています。完全を期すためにAC熱水効果について簡単に説明しましたが、熱水効果の影響は微妙です。私たちの実験の操作条件下で 3つの力のそれぞれの背後にある数学的原理から、有限要素数値シミュレーションが作成され、チャネルの各位置で2ミクロンのポリスチレン粒子に作用する合計力が示され、私たちが実行した有限要素シミュレーションは、電極の2次元断面を取り、1つだけを中心としています。

最初のシミュレーションでは、導電率の低い媒体が示され、低周波数で100ヘルツから1メガヘルツに進行します。回転力パターンからわかるように、C電気浸透が支配的です。進行するにつれて、各電極の角につながる引力によって示されるように、正のdi 電気泳動が引き継ぎます。

周波数がしきい値を超えて増加すると、正の DEP が負の DEP に重みを与え、パーティクルは重力によってバランスがとれる特定の高さまで反発されます。次に、同じ周波数を高い導電率で実行します。高導電率では、ACエレクトロモ力は一般に低導電率のそれよりも弱く、ピーク速度はより高い周波数で発生します。

また、導電率が高すぎるため、正のDEPがないことに注意してください。AC電気浸透は、より高い導電率とより高い電圧で負のDEPに直接道を譲ります。皮膚電気効果がより明確に表示されます。

このセクションでは、デバイスの作製と組み立てについてお話しします。デバイス自体は、基板上にパターン化された金電極で構成されています。この場合はガラス。

これを達成するためのウェットエッチング方法を紹介しますが、よく知られているリフトオフ手順も日常的に使用されており、後で説明します。使用している 4 つの設計は、parallel interdigitated、parallel castellated、potential、well、quadruple です。プロセスの簡単な説明は次のとおりです。

まず、クロムと金の層がガラス基板に堆積されます。次に、基板にフォトレジストをコーティングし、マスクから基板に電極パターンを転写します。UV接触暴露あり。

現像後、クロームと金をエッチングで剥がし、フォトレジストを剥がします。良好な接着のためには、スライドガラスは非常にきれいでなければなりません。これは通常、硫酸と過酸化水素からなる加熱されたピラニア溶液を使用して行われます。

この危険な組み合わせで作業するときは、細心の注意を払う必要があります。洗浄後、基板は乾燥され、金属堆積の準備が整います。このステップは、電子ビーム蒸着器で実行されます。

スライドガラスは、テープのキャップでサンプルホルダーにロードされ、堆積条件に耐えるのに特に適しています。次に、サンプルを機械にロードし、真空引きします。このプロセスは、クロムの2分間の短い堆積と30分間の金の堆積で構成され、それぞれ約20ナノメートルと200ナノメートルになります。

サンプルを取り出すと、金色の表面がはっきりと見えます。フォトリソグラフィー スピンコーティング装置によるフォトレジストの塗布から始まります。フォトレジストは、装置内のチャック上にある基板上にピペットで固定されます。

ガラスを特定の速度で回転させることにより、フォトレジストの一貫した層が作成され、余分なフォトレジストのほとんどが除去されます。このプロセスに続いて、100°Cで2分間ソフトベークします。これにより、フォトレジストが硬化し、UV露光の準備が整います。次に、フォトマスクを基板に接触させ、約8秒間UV光を照射します。

これにより、パターンがフォトレジストに転写されます。現像ステップでは、光にさらされたフォトレジストのすべての領域が除去されます。このプロセスにより、フォトリソグラフィーの段階が完了し、金とクロムのエッチングの準備が整います。

開発プロセスで露出した基板上の領域は、現在、自由にエッチングできます。フォトレジストは表面の残りの部分を効果的に保護しますが、すべてのステップと同様に、エッチング時間は慎重に制御する必要があります。ここでは、基板が暗いヨウ素ベースの金エッチングに配置されているのがわかります。

すすぎと水の後、クロームエッチングでクロームを取り除きます。ガラスが再び透明になったときに起こる変化に注意してください。クロムが除去されると、エッチングされた基板とエッチングされていない基板の比較が結果を示します。

顕微鏡下での迅速な検査は、プロセスの成功を示しています。ここでは、電気接続が行われた正常に製造されたデバイスを示します。その隣には、チューブ接続を備えたPD DSチャンネルがあります。

PDMSチャネルをデバイスに配置すると、ガラスで非常に効果的なシールが作成され、チャネルを液体が流れる可能性があります。これは鉗子で慎重に行われます。指紋やほこりが良好な接着を妨げる可能性があるため、鉗子の反対側を使用して良好な接着を確保することができます。充填。

チャネルは、片側にシリンジを取り付け、もう一方をポリスチレン微小球懸濁液に入れ、穏やかな吸引を適用することによって行われます。顕微鏡にセットしてピントを合わせると、ファンクションジェネレーターに電気的に接続されます。サンプルがロードされ、接続が確立されたら、実験の準備が整いました。

ここで紹介する実験ビデオは、2ミクロンのポリスチレン微小球の水性懸濁液をチャネルに注入し、電極に信号を印加するというものです。最初は、粒子はランダムに分布し、褐変運動を示します。1人のキラー、彼女の信号が印加されると、粒子は電極の中心に急速に整列します。

ACフィールドを使用しているため、KICの力を目撃していないことに注意してください。この魅力的な挙動は、生成される流体パターンとdi電気泳動の引力によるものです。周波数が上がると、粒子は電極の幅に沿って広がり始めます。

AC電気浸透速度が低下し、di電気泳動が56キロヘルツで引き継ぎ始めると、粒子は電極の端に移動します。AC電気浸透力が消滅し、正のdi電気泳動が優勢になると。この図に示すように、この動作は 100 km で続き、粒子は選挙区のエッジにしっかりと根ざしています。

周波数がさらに250キロヘルツに増加すると、粒子はギャップを横切って整列し始め、500キロヘルツでの粒子粒子の相互作用によって引き起こされるいわゆる真珠鎖の挙動は、負のDEPが優勢であるため、電極の端から反発します。これは、K clausius MoSo因子によって説明でき、周波数の増加とともに正から負に変化し、1メガヘルツで正のdi電気泳動から負のdi電気泳動に移行します。負のDEPは最大値に近く、粒子は電極の上に浮遊します。

導電率の増加は、CM因子の重要な変化を引き起こします。ご覧のとおり、パーティクルの動作を劇的に変更する正の DEP はもうありません。1キロヘルツの信号粒子を電極エッジに沿って平面外に軌道を回すときに同じ周波数範囲をスイープするので、この点に注意してください。

顕微鏡によって提供される上面図は、このアニメーションで示されているように、横方向の粒子の動きのみを示しています。このビューは、パーティクルが前後に動いている様子を示しており、側面から見たときのパーティクルの真の動きを隠しています。彼らの動きの本質は、より容易に見ることができる。

それらは実際に周回しており、各電極の中心に閉じ込められていない理由は、DEP成分が逆になっているためであると考えられています。周波数が増加し続けると、粒子は同じ軌道の概念を維持しながら、凝集して塊になり始めます。この凝集は、粒子粒子の相互作用によるものです。

この相互作用の起源は、粒子自体によって引き起こされるわずかな電場の歪みによるものと考えられています。パーティクルの周りの歪みにより DEP フォースが生成され、近くのパーティクルを引き付けます。周波数を上げ続けると、約250キロヘルツで劇的な変化が起こります。

粒子は軌道運動を主に停止し、粒子粒子の相互作用の別の症状を変化させます。最終的には、周波数がさらに高くなるにつれて。この時点で、負のDEPによる1メガヘルツの反発力により、粒子は上向きに推進され、顕微鏡の焦点面から出ます。

次に、低導電率で動作するAキャスト高揚電極タイプを示します。この電極の設計は、インターディジットされているという点で最後のタイプと似ていますが、まっすぐな指がより複雑な形状に置き換えられています。1キロヘルツでは、粒子の収集が交差点の中心で行われ、急速にひし形を形成します。

周波数が上がると、集めた粒子から同じことが広がっていくのがわかります。AC電気浸透が消滅し始め、DEPが引き継ぎ始めると、Like Before 56 khertzにより、粒子はゆっくりと電極の端に移動します。興味深いことに、ほとんどすべての粒子が片側に移動しますが、これは静水圧によるものかもしれません。

彼らははるかに速く動きます。CEOとしての100キロヘルツはほぼ完全に消えました。250キロヘルツで、粒子はプロ鎖を形成し始めます。

500キロヘルツにシフトすることによって引き起こされる負のDEPは、粒子を電極の端から押し離します。周波数をさらに1メガヘルツに上げると、粒子は負のdi電気泳動によってさらに反発されるため、焦点面から上に移動します。次に、高導電性で動作するキャスタレーション電極タイプを示します。

この電極タイプで生成される回転パターンは、電極の内側の角で最も劇的に発生し、これが粒子が最終的に移動する場所です。前に見たダイヤモンド形状のチョッピング挙動は、この導電率では正のdi電気泳動がないため、ここには存在しません。周波数が増加すると、流体の速度はゆっくりと減少します。

AC電気浸透力が56キロヘルツで消滅すると、運動は非常に遅くなり、場所によっては粒子が凝集し始め、100キロヘルツで真珠の鎖を形成し始めます。パールチェーンはかなりクリアです。周波数が増加すると、粒子の塊が合体し、各コーナーでX字型を形成します。

最後に、1メガヘルツで、プロ鎖は負のDEPによって克服され、粒子は表面から反発されます。ここに示すクワッド設計は、電極パターンの中心に低電界強度の領域を引き起こし、負の誘電泳動を使用して粒子を集束するように設計されています。電極に10ボルトを印加すると、劇的な粒子の集束が見られます。

粒子が平衡状態でどのように見えるかを確認できるように、時間を少し速くします。電圧を1ボルトに下げると、焦点が集まった領域が拡大し始めます。誘電泳動がブラウニーと動きに対して接地を失うと、電圧を再び上げると、粒子は中心に向かって戻ります。

4重パターンと同様に、ポテンシャルウェルは粒子を捕捉するために低電界の領域を作り出します。電極はインターディジットされているため、すでに見た他の影響もここで観察できます。信号が適用されると、CEOとDEPによる粒子の急速な捕捉が見られます。

しかし、より興味深い効果は、中空の正方形で何が起こっているかです。ここでの粒子は、しばらく経った後に負のdi電気泳動によって収集されています。また、ポテンシャルウェルの両側に三角形の形でいくつかのコレクションが見られます。

AC電気力学の背後にある多くの興味深い物理学の一部、これらのデバイスをどのように製造するか、数値シミュレーションと基礎となる物理学に基づいて実験結果を解釈する方法を示しました。これらの現象は、移動する粒子を扱っており、視覚補助なしでは理解するのが非常に困難です。交流動態現象は、多くの研究分野で使用できます。

例えば、バイオセンサーアプリケーションのための粒子収集、サンプル処理のためのサイズや形状などの異なる特性を持つ粒子の分離、アッセイ改善のためのアクティブミキシングなどです。このビデオが、科学者やエンジニアが、ラボ・オン・チップ・コミュニティで最も重要で成長している分野の1つであるAC電気キネティックデバイスの使用と製造に役立つことを願っています。まあ、それだけです。

ご覧いただきありがとうございます、そしてあなたの実験に頑張ってください。