Microelectrode 구조에 의해 발생 AC 계면 현상

지난 몇 년 동안 lab on a chip 커뮤니티는 AC Electrokinetics로 알려진 흥미로운 기술을 수용했습니다. 이 현상 그룹은 빠르고 다재다능한 파동에서 미크론에서 나노미터 규모의 입자와 유체를 조작하는 데 사용할 수 있으며 많은 바이오 칩 응용 분야에 빠르게 필수가 되고 있습니다. 이 비디오에서는 AC 전기 역학의 기초를 충분히 자세히 살펴보고 이러한 현상을 연구에 사용하여 이점을 얻을 수 있는 다른 과학자와 엔지니어를 도울 것입니다.

안녕하세요, 제 이름은 로버트 하트(Robert Hart)이고 드렉셀(Drexel)의 의생명공학, 과학 및 건강 시스템 부서의 박사 과정 학생입니다. 이 비디오는 AC 전기 역학의 이면에 있는 물리학에 대한 간략한 설명으로 시작하겠습니다. 다음으로 장치 제작으로 이동하고 마지막으로 AC 전기 동역학에 대한 몇 가지 비디오를 보여주고 무슨 일이 일어나고 있는지 설명할 것입니다.

우리가 설명할 세 가지 힘 중 첫 번째는 전기영동으로 알려져 있습니다. 여기서 우리는 두 개의 잠긴 전극 사이에서 생성된 전기장을 볼 수 있습니다. 이 전기장에 유전체 입자가 있으면 편광됩니다.

보시다시피 입자의 전하는 액체 내의 전하와 균형을 이룹니다. 입자가 액체보다 편광이 더 높거나 적은지 여부에 관계없이 편광은 균일 한 전기장에서 가장 높은 MoSo 계수에 의해 결정될 수 있습니다. 입자는 알려진 너트 힘을 경험합니다.

그러나 여기에 표시된 것과 같은 균일하지 않은 전기장에서 편광이 더 높은 입자는 양의 디 전기 영동을 경험하고 주파수를 변경하여 분극성을 전환하면 음의 디 전기 영동으로 알려진 반대 효과가 발생하고 입자는 전기장 강도가 높은 영역에서 멀어집니다. 두 번째 힘은 전위로 인한 전기 이중층의 형성으로 AC 전기 삼투의 기초에 있는 AC 전기 삼투압입니다. 표면에서 이 영역은 표면에 단단히 결합된 움직일 수 없는 이온으로 구성된 선미층과 결합하는 동안 여전히 측면으로 자유롭게 이동할 수 있는 이온을 포함하는 확산층으로 나뉩니다.

전극 가장자리 근처의 이온 중 하나를 검사하면 전기장에서 냉각수 힘이 발생하는 것을 관찰할 수 있습니다. 힘의 Y 성분은 표면에 전하가 존재함에 따라 균형을 이룹니다. 따라서 이온은 전극의 양쪽에 있는 전극의 중심을 향하는 순 횡력을 경험하고 전극의 중심을 향해 이동하고 질량을 전극의 중심으로 향하게 되며 유체를 끌어당길 수 있는 충분한 수를 경험합니다.

이 두 흐름의 수렴으로 인해 중심의 유체가 위쪽으로 이동하고 회전 유체 패턴이 나타납니다. 전위를 전환해도 상대 이온도 전환되었기 때문에 유체 패턴의 방향에 영향을 미치지 않습니다. 세 번째이자 마지막 현상은 AC 열수 효과입니다.

전기장이 액체를 통과할 때 JUUL 가열은 온도 구배를 일으킵니다. 시뮬레이션에서 볼 수 있듯이 물의 전기적 특성이 변합니다. 결과적으로 전기적 특성의 이러한 섭동은 전기장과 상호 작용하여 신체의 힘을 유발합니다.

AC 전기 삼투와 같은 결과 운동은 기원의 다른 특성에도 불구하고 본질적으로 회전합니다. 완전성을 위해 AC 열수 효과에 대해 간략하게 언급했지만 열수 효과의 영향은 미묘합니다. 실험의 작동 조건 세 가지 힘 각각의 수학적 원리를 바탕으로 유한 요소 수치 시뮬레이션이 생성되었으며, 이는 채널의 각 위치에서 2미크론 폴리스티렌 입자에 작용하는 총 결합된 힘을 보여줍니다. 우리가 실행한 유한 요소 시뮬레이션은 전극의 2차원 단면을 취하고 하나만 중심에 둡니다.

첫 번째 시뮬레이션은 낮은 전도성 매체를 보여주며 저주파에서 100Hz에서 1메가헤르츠로 진행됩니다. C 전기 삼투는 회전력 패턴에서 볼 수 있듯이 지배적입니다. 우리가 진행함에 따라 각 전극 모서리로 이어지는 인력에 의해 설명되는 것처럼 positive di electrophoresis가 이어집니다.

주파수가 임계값을 넘어 증가하면 양수 DEP는 음의 DEP에 가중치를 부여하고 입자는 중력에 의해 균형을 이루는 특정 높이까지 밀어냅니다. 이제 높은 전도성으로 동일한 주파수를 실행할 것입니다. 높은 전도성에서 AC 전기 동력은 일반적으로 낮은 전도성에서 보다 덜 강하고 피크 속도는 더 높은 주파수에서 발생합니다.

또한 전도성이 너무 높기 때문에 양수 DEP가 없습니다. AC 전기 삼투는 더 높은 전도성과 더 높은 전압으로 음의 DEP에 직접 자리를 내줍니다. 전극 효과가 훨씬 더 명확하게 표시됩니다.

이 섹션에서는 장치 제작 및 조립에 대해 설명합니다. 장치 자체는 기판에 패턴화된 금 전극으로 구성됩니다. 이 경우 유리.

이를 달성하기 위한 습식 식각 방법을 보여드리겠지만 잘 알려진 리프트오프 절차도 일상적으로 사용되며 나중에 보여드릴 것입니다. 우리가 사용하는 4가지 설계는 평행, 교차, 평행, 전위, 우물 및 사중입니다. 프로세스에 대한 간략한 설명은 다음과 같습니다.

먼저, 크롬과 금의 층이 유리 기판 위에 증착됩니다. 다음으로, 기판을 포토레지스트로 코팅하고 전극 패턴을 마스크에서 기판으로 전달합니다. UV 접촉 노출.

현상 후 크롬과 금은 에칭되고 포토레지스트는 벗겨집니다. 접착력이 좋으려면 유리 슬라이드가 매우 깨끗해야 합니다. 이것은 일반적으로 황산과 과산화수소로 구성된 가열된 피라냐 용액으로 수행됩니다.

이 위험한 조합으로 작업할 때는 세심한 주의를 기울여야 합니다. 세척 후 기판이 건조되고 금속 증착 준비가 됩니다. 이 단계는 전자빔 증발기에서 수행됩니다.

유리 슬라이드는 테이프에 캡이 있는 샘플 홀더에 장착되며, 이는 증착 조건을 견디는 데 특히 적합합니다. 다음으로, 샘플을 기계에 넣고 진공 청소기로 청소합니다. 이 공정은 크롬의 짧은 2분 증착과 30분의 금 증착으로 구성되며 각각 약 20 및 200 나노미터가 됩니다.

샘플을 제거하면 금 표면이 명확하게 보입니다. 포토리소그래피(Photolithography) 스핀 코팅기를 사용하여 포토 레지스트를 코팅하는 것으로 시작합니다. 포토 레지스트는 기계 내의 척에 있는 기판에 피펫으로 고정됩니다.

포토 레지스트의 일관된 층은 유리를 특정 속도로 회전시켜 생성되며, 이는 과도한 포토 레지스트의 대부분을 제거합니다. 이 과정은 100 °C에서 2 분 동안 소프트 베이킹으로 이어지며 포토 레지스트를 강화하고 UV 노출을 준비합니다. 다음으로, 포토 마스크를 기판과 접촉시키고 약 8초 동안 자외선에 노출시킵니다.

이렇게 하면 패턴이 포토 레지스트로 전송됩니다. 현상 단계는 빛에 노출된 포토 레지스트의 모든 영역을 제거합니다. 이 프로세스는 포토리소그래피 단계를 완료하고 금 및 크롬 에칭을 위한 준비가 되었습니다.

개발 과정에서 노출 된 기판의 해당 영역은 이제 자유롭게 에칭 할 수 있습니다. 포토 레지스트는 표면의 나머지 부분을 효과적으로 보호하지만 모든 단계와 마찬가지로 에칭 시간을 신중하게 제어해야 합니다. 여기서 우리는 기판이 어두운 요오드 기반 금 에칭에 배치되는 것을 볼 수 있습니다.

헹굼 및 물 후, 크롬 에칭으로 크롬이 제거됩니다. 유리가 다시 투명해짐에 따라 일어나는 변형에 주목하십시오. 크롬이 제거되면 Etched substrates 와 un etched substrates 를 비교하면 결과가 표시됩니다.

현미경으로 빠르게 검사하면 프로세스의 성공을 알 수 있습니다. 여기에서 전기 연결이 이루어진 성공적으로 제작된 장치를 볼 수 있습니다. 그 옆에는 튜빙 연결부가 있는 PD DS 채널이 있습니다.

PDMS 채널을 장치에 배치하면 유리로 매우 효과적인 밀봉이 이루어지고 액체가 채널을 통해 흐를 수 있습니다. 이것은 집게로 조심스럽게 수행됩니다. 지문과 먼지는 좋은 접착력을 방해할 수 있으므로 집게의 반대쪽을 사용하여 좋은 부착을 보장할 수 있습니다. 봉.

채널은 한쪽에 주사기를 부착하고 다른 쪽을 폴리스티렌 미세구 현탁액에 놓고 부드러운 흡입을 가하여 수행됩니다. 현미경과 초점에 놓이면 함수 발생기에 전기적으로 연결됩니다. 샘플이 로드되고 연결이 완료되면 이제 실험을 위한 장치가 준비되었습니다.

우리가 보여줄 모든 실험 비디오는 2미크론 폴리스티렌 미세구의 수성 현탁액을 채널에 주입하고 전극에 신호를 가하는 것으로 구성됩니다. 처음에는 입자가 무작위로 분포되어 갈변 운동을 보입니다. 하나의 킬러가 그녀의 신호가 적용되면 입자가 전극 중앙에 빠르게 정렬됩니다.

우리는 AC 필드를 사용하고 있기 때문에 KIC 힘을 목격하고 있지 않습니다. 이 매혹적인 거동은 생성된 유체 패턴과 전기영동의 인력 때문입니다. 주파수가 증가함에 따라 입자가 전극의 너비를 따라 퍼져 나가기 시작합니다.

AC 전기 삼투압 속도가 감소하고 56킬로헤르츠에서 이전기영동이 시작되기 시작하면 입자가 전극 가장자리로 이동합니다. AC 전기 삼투력이 사라지고 양의 전기 영동이 우세합니다. 이 다이어그램에서 볼 수 있듯이 이 동작은 100킬로헤르츠에서 계속되며 입자는 이제 유권자 가장자리에 단단히 뿌리를 내립니다.

주파수가 250킬로헤르츠로 더 증가하면 입자가 갭을 가로질러 정렬되기 시작하고 500킬로헤르츠에서 입자 입자 상호 작용으로 인해 발생하는 소위 진주 사슬 거동이 음의 DEP가 우세함에 따라 전극 가장자리에서 반발됩니다. 이것은 K clausius MoSo factor로 설명 할 수 있으며, 주파수 증가에 따라 양에서 음으로 변경되어 1 메가 헤르츠에서 양의 di 전기 영동에서 음의 di 전기 영동으로 전환됩니다. 음의 DEP는 최대값에 가깝고 입자는 전극 위로 부상합니다.

전도도의 증가는 CM 계수에 중요한 변화를 일으킵니다. 보시다시피 더 이상 포지티브 DEP가 없어 입자 동작이 크게 바뀝니다. 1킬로헤르츠 신호 입자가 전극 가장자리를 따라 평면 밖으로 궤도를 돌 때 동일한 주파수 범위를 스윕할 때 이 점을 명심하십시오.

현미경이 제공하는 상단 뷰는 이 애니메이션에서 보여준 것처럼 측면 입자 이동만 보여줍니다. 앞뒤로 움직이는 입자를 보여주는 이 뷰는 측면에서 볼 때 입자의 실제 움직임을 숨깁니다. 그들의 움직임의 진정한 본질은 더 쉽게 볼 수 있습니다.

그들은 실제로 궤도를 돌고 있으며 각 전극의 중심에 갇히지 않는 이유는 DEP 구성 요소가 역전되어 있기 때문인 것으로 여겨집니다. 주파수가 계속 증가함에 따라 입자는 동일한 궤도 개념을 유지하면서 덩어리로 합쳐지기 시작합니다. 이러한 응집은 입자 입자의 상호 작용으로 인한 것입니다.

이 상호 작용의 기원은 입자 자체에 의해 야기된 약간의 전기장 왜곡 때문인 것으로 생각됩니다. 파티클 주변의 왜곡은 DEP 힘을 생성하여 근처의 파티클을 끌어당깁니다. 주파수를 계속 증가시킴에 따라 약 250킬로헤르츠에서 극적인 변화가 발생합니다.

입자는 궤도 운동을 크게 멈추고 입자 입자 상호 작용의 또 다른 표현인 프로 변화를 형성합니다. 결국 빈도가 더 높아짐에 따라. 이 시점에서 음의 DEP로 인한 1메가헤르츠 반발력은 입자를 현미경 초점면 밖으로 위쪽으로 밀어냅니다.

다음으로 낮은 전도성에서 작동하는 A 캐스트 엘레이트 전극 유형을 보여드리겠습니다. 이 전극 디자인은 서로 연결되어 있다는 점에서 마지막 유형과 유사하지만 곧은 손가락이 더 복잡한 모양으로 대체되었습니다. 1 킬로헤르츠에서 입자 수집은 교차점의 중심에서 일어나 빠르게 다이아몬드 모양을 형성합니다.

주파수가 증가함에 따라 수집된 입자가 동일하게 퍼지는 것을 볼 수 있습니다. AC 전기 삼투가 사라지기 시작하고 DEP가 인수함에 따라 이전과 같이 56킬로헤르츠로 인해 입자가 전극 가장자리로 천천히 이동합니다. 흥미롭게도 거의 모든 입자가 한쪽으로 이동하는데, 이는 일부 정수압 때문일 수 있습니다.

그들은 훨씬 더 빨리 움직입니다. 100 킬로헤르츠에서 CEO는 거의 완전히 사라졌습니다. 250킬로헤르츠에서 입자는 프로 체인을 형성하기 시작합니다.

500킬로헤르츠로 이동하여 발생하는 음의 DEP는 입자를 전극 가장자리에서 멀어지게 합니다. 주파수를 1메가헤르츠로 훨씬 더 높이면 입자가 음의 이전기영동에 의해 훨씬 더 밀어내기 때문에 초점면에서 위쪽으로 이동합니다. 다음으로, 높은 전도성에서 작동하는 성곽 전극 유형을 보여드리겠습니다.

이 전극 유형으로 생성된 회전 패턴은 내부 전극 모서리에서 가장 극적으로 발생하며, 여기에서 입자가 결국 이동합니다. 우리가 이전에 보았던 다이아몬드 모양의 절단 거동은 이 전도성에서 양의 이전기영동이 없기 때문에 여기에 존재하지 않습니다. 주파수가 증가함에 따라 유체 속도는 천천히 감소합니다.

AC 전기 삼투압이 56 킬로헤르츠에서 소멸됨에 따라 움직임이 매우 느리고 어떤 곳에서는 입자가 뭉쳐져 100 킬로헤르츠에서 진주 사슬을 형성하기 시작합니다. 진주 사슬은 아주 명확합니다. 주파수가 증가함에 따라 천천히 입자 덩어리가 합쳐져 각 모서리에서 X 모양을 형성합니다.

마지막으로, 1메가헤르츠에서 프로 체인은 음의 DEP에 의해 극복되고 입자가 표면에서 밀려납니다. 여기에 표시된 Quadruple 설계는 전극 패턴의 중심에서 전기장 강도가 낮은 영역을 유발하고 음의 유전영동을 사용하여 입자를 집중시키도록 설계되었습니다. 전극에 10볼트를 가하면 극적인 입자 집중을 볼 수 있습니다.

입자가 평형 상태에서 어떻게 보이는지 볼 수 있도록 시간을 약간 더 빠르게 할 것입니다. 전압을 1볼트로 낮추면 초점 영역이 확장되기 시작하는 것을 볼 수 있습니다. 유전영동이 브라우니와 움직임에 대한 접지를 잃을 때 전압을 다시 높이면 입자가 중심을 향해 다시 이동합니다.

4중 패턴과 마찬가지로 전위 우물은 입자를 가두기 위해 전기장이 낮은 영역을 생성합니다. 전극은 서로 연결되어 있으므로 우리가 이미 본 다른 효과도 여기에서 관찰할 수 있습니다. 신호가 가해지면 CEO와 DEP로 인해 입자가 빠르게 트래핑되는 것을 볼 수 있습니다.

하지만 더 흥미로운 효과는 속이 빈 사각형에서 일어나는 일입니다. 이곳의 입자는 일정 시간이 지난 후 음의 디 전기영동으로 인해 수집되고 있습니다. 우리는 또한 삼각형 모양의 전위 우물의 양쪽에 약간의 수집을 볼 수 있습니다.

우리는 AC 동역학의 이면에 있는 많은 흥미로운 물리학 중 일부, 이러한 장치를 제조하는 방법, 수치 시뮬레이션 및 기본 물리학을 기반으로 실험 결과를 해석하는 방법을 보여주었습니다. 움직이는 입자를 다루는 이러한 현상은 시각 자료 없이는 이해하기가 매우 어렵습니다. AC 전기 운동 현상은 많은 연구 분야에서 사용할 수 있습니다.

예를 들어, 바이오센서 응용 분야를 위한 입자 수집, 시료 처리를 위한 크기 및 모양과 같은 다양한 특성을 가진 입자 분리, 분석 개선을 위한 활성 혼합이 있습니다. 우리는 이 비디오가 과학자와 엔지니어가 Lab on a chip 커뮤니티에서 가장 중요하고 성장하는 영역 중 하나인 AC 전기 운동 장치를 사용하고 제작하는 데 도움이 되기를 바랍니다. 글쎄요, 그게 다입니다.

시청해 주셔서 감사드리며 실험에 행운을 빕니다.