AC elektrokinetische Verschijnselen Gegenereerd door micro-elektrode Structures

In de afgelopen jaren heeft de lab-on-a-chip-gemeenschap een spannende technologie geïntroduceerd die bekend staat als AC Electrokinetics. Deze groep fenomenen kan worden gebruikt om deeltjes en vloeistoffen op micro- tot nanometerschaal te manipuleren in snelle en veelzijdige golven, en wordt snel essentieel voor veel bio-chiptoepassingen. In deze video gaan we de basisprincipes van AC elektrokinetica behandelen met voldoende details om andere wetenschappers en ingenieurs te helpen die kunnen profiteren van het gebruik van deze fenomenen in hun onderzoek.

Hallo, mijn naam is Robert Hart en ik ben een promovendus hier bij Drexel in de afdeling Biomedical Engineering Science and Health Systems. We beginnen deze video met een korte beschrijving van de fysica achter AC elektrische kinetics. Vervolgens gaan we over op de fabricage van apparaten en tot slot laten we enkele video's zien van AC elektrokinetica en leggen we uit wat er gebeurt.

De eerste van de drie krachten die we zullen beschrijven, staat bekend als diëlektroforese. Hier zien we een elektrisch veld dat wordt gegenereerd tussen twee ondergedompelde elektroden. Als we een diëlektrisch deeltje in dit elektrische veld hadden, wordt het gepolariseerd.

Zoals u kunt zien, worden de ladingen op het deeltje gecompenseerd door de ladingen in de vloeistof. Of het deeltje meer polariseerbaar is dan de vloeistof of minder, kan worden bepaald door de klassiekste MoSo-factor in een uniform elektrisch veld. De deeltjes ervaren bekende kracht.

In een niet-uniform elektrisch veld, zoals het hier getoonde, bewegen deeltjes die meer polariseerbaar zijn naar gebieden met een hoog elektrisch veld omdat ze positieve diëlektroforese ervaren. Het veranderen van de frequentie om de polariseerbaarheid te schakelen, resulteert in het tegenovergestelde effect, bekend als negatieve diëlektroforese, en deeltjes bewegen weg van gebieden met hoge elektrische veldsterkte. De tweede kracht is AC elektro-osmose. De basis van AC elektro-osmose is de vorming van de elektrische dubbele laag als gevolg van het elektrische potentiaal. Aan de oppervlakte is dit gebied verdeeld in de stern-laag, die bestaat uit onbeweeglijke ionen die stevig aan het oppervlak zijn gebonden, en de diffuse laag, die ionen bevat die, hoewel gebonden, nog steeds vrij zijn om lateraal te bewegen.

Als we een van de ionen nabij de rand van de elektrode inspecteren, zien we dat het een koelkracht van het elektrische veld ervaart. De Y-component van de kracht wordt gecompenseerd door het bestaan van ladingen aan het oppervlak. Daarom ervaart het ion een netto laterale kracht gericht naar het centrum van de elektrode. Ionen aan beide zijden van de elektrode bewegen en masseren zich naar het centrum van de elektrode en in voldoende aantal om de vloeistof mee te slepen.

De convergentie van deze twee stromingen veroorzaakt dat de vloeistof in het midden omhoog beweegt en een rotatief vloeistofpatroon ontstaat. Het veranderen van het potentiaal heeft geen invloed op de richting van het vloeistofpatroon omdat de tegenionen ook zijn omgeschakeld. Het derde en laatste fenomeen is het AC hydrothermische effect.

Wanneer een elektrisch veld door een vloeistof wordt geleid, veroorzaakt JUUL-verwarming temperatuurgradienten. Zoals te zien is in de simulatie, veranderen de elektrische eigenschappen van water. Als gevolg hiervan interageren deze verstoringen in elektrische eigenschappen met het elektrische veld om een lichaamskracht te veroorzaken.

De resulterende beweging zoals AC elektro-osmose is van rotatieve aard, ondanks de verschillende aard van zijn oorsprong. We hebben de AC-hydrothermische effect kort vermeld voor de volledigheid, maar de effecten van het hydrothermische effect zijn subtiel. Onder de operationele omstandigheden van onze experimenten Werd uit de wiskundige principes achter elk van de drie krachten een eindige elementen numerieke simulatie gemaakt, die de totale gecombineerde kracht toont die op een twee micron polystyreen deeltje werkt. Bij elke positie in het kanaal neemt de eindige elementensimulatie die we hebben uitgevoerd een tweedimensionaal doorsnede van de elektroden en concentreert zich op slechts één.

De eerste simulatie toont media met lage geleidbaarheid en gaat van 100 hertz naar één megahertz bij lage frequenties. AC elektro-osmose is dominant, zoals te zien is aan het rotatieve krachtpatroon. Naarmate we vorderen, neemt positieve diëlektroforese het over, zoals geïllustreerd door de aantrekkende krachten die naar elke elektrodenhoek leiden.

Naarmate de frequentie boven een drempel stijgt, geeft positieve DEP gewicht aan negatieve DEP en deeltjes worden teruggedrongen tot een bepaalde hoogte waar ze worden gebalanceerd door de kracht van de zwaartekracht. Nu gaan we door dezelfde frequenties bij hoge geleidbaarheid. Bij hoge geleidbaarheid is de AC elektros mo-kracht over het algemeen minder sterk dan die bij lage geleidbaarheid en treedt de pieksnelheid op bij een hogere frequentie.

Let ook op dat er geen positieve DEP is omdat de geleidbaarheid te hoog is. AC elektro-osmose maakt direct plaats voor negatieve DEP met een hogere geleidbaarheid en hogere spanning. Het elektrodermale effect zal veel duidelijker worden getoond.

In deze sectie zullen we het hebben over apparaatfabricage en -assemblage. De apparaten zelf bestaan uit gouden elektroden die zijn gepatternd op een substraat. In dit geval glas.

We zullen een natte etsmethode laten zien om dit te bereiken, maar de bekende liftoff-procedure wordt ook routinematig gebruikt en zal later worden getoond. De vier ontwerpen die we gebruiken zijn parallel geïntegreerde, parallelle castellated, potentiaalput en quadruple. Een korte beschrijving van het proces is als volgt.

Eerst wordt een laag chroom en goud gedeponeerd op het glazen substraat. Vervolgens wordt het substraat bedekt met fotoresist en wordt het elektrodenpatroon overgebracht van de masker naar het substraat. Met UV-contactblootstelling.

Na ontwikkeling worden chroom en goud weggeëtst en wordt de fotoresist verwijderd. Om goede hechting te krijgen, moeten de glazen plaatjes erg schoon zijn. Dit wordt meestal gedaan met verhitte piranha-oplossing, die bestaat uit zwavelzuur en waterstof