Manipulowanie cieczami i zawieszonymi cząstkami w skali mikro i nano staje się coraz bardziej realne dzięki dalszemu rozwojowi technologii umożliwiających, takich jak elektrokinetyka prądu przemiennego (AC electrokinetics). W niniejszym opracowaniu omawiamy podstawy fizyczne elektrokinetyki AC, sposób wytwarzania tych urządzeń oraz metodę interpretacji obserwacji eksperymentalnych.
Subskrypcja JoVE jest wymagana do oglądania tego materiału. Zaloguj się lub rozpocznij bezpłatny okres próbny.
Artykuł metodologiczny
Zjawiska elektrokinetyczne AC generowane przez struktury mikroelektrodowe
W tym artykule
Podsumowanie
Streszczenie
Dziedzina elektrokinetyki AC rozwija się gwałtownie dzięki możliwości dynamicznej manipulacji cieczami i cząstkami w skali mikro i nano, co jest niezbędne w aplikacjach typu Lab-on-a-Chip. Zjawiska elektrokinetyczne AC wykorzystują pola elektryczne do generowania sił oddziałujących na ciecze lub zawieszone cząstki (w tym wykonane z materiałów dielektrycznych lub biologicznych), co powoduje ich ruch w niezwykły sposób1, 2. W obrębie jednego kanału elektrokinetyka AC pozwala na realizację wielu kluczowych operacji on-chip, takich jak aktywne mikromieszanie, separacja cząstek, pozycjonowanie cząstek oraz mikrowzorowanie. Pojedyncze urządzenie może wykonywać kilka z tych operacji poprzez prostą regulację parametrów pracy, takich jak częstotliwość lub amplituda przyłożonego napięcia. Odpowiednie pola elektryczne można łatwo wytworzyć za pomocą mikroelektrod zintegrowanych z mikrokanałami. Ogromny wzrost w tej dziedzinie jasno wskazuje, że elektrokinetyka AC prawdopodobnie wywrze głęboki wpływ na diagnostykę opieki zdrowotnej3-5, monitorowanie środowiska6 oraz bezpieczeństwo narodowe7.
Ogólnie wyróżnia się trzy zjawiska elektrokinetyczne prądu przemiennego (elektroosmozę AC, dielektroforezę i efekt elektrotermiczny AC), z których każde wykazuje unikalne zależności od parametrów operacyjnych. Zmiana tych parametrów może sprawić, że jedno zjawisko stanie się dominujące nad innym, co w konsekwencji zmienia zachowanie cząsteczek lub płynu.
Przewidzenie zachowania cząstek i płynów jest trudne ze względu na skomplikowaną fizykę leżącą u podstaw elektrokinetyki prądu przemiennego (AC). Celem niniejszej publikacji jest wyjaśnienie tej fizyki oraz naświetlenie zachowania cząstek i płynów. Nasza analiza obejmuje również sposób wytwarzania struktur elektrod, które je generują, a także interpretację szerokiego zakresu obserwacji eksperymentalnych z wykorzystaniem kilku popularnych konstrukcji urządzeń. Ten artykuł wideo pomoże naukowcom i inżynierom zrozumieć te zjawiska i może zachęcić ich do wykorzystania elektrokinetyki AC w swoich badaniach.
Protokół
Wytwarzanie elektrod Cr/Au na podłożach szklanych
Część 1A: Metoda trawienia na mokro
*Aby uzyskać urządzenia najwyższej jakości, proces wytwarzania należy przeprowadzić w środowisku pomieszczenia czystego lub pod dygestorium z przepływem laminarnym, aby kurz i inne zanieczyszczenia nie wpłynęły na wzór.
- Szklane podstawki o wymiarach 2 cali na 4 cale umieszcza się w podgrzanym (80°C) roztworze Piranha (5:7 H2O2:H2SO4) na 30 minut w celu usunięcia zanieczyszczeń (zwłaszcza organicznych), a następnie płucze się w wodzie DI i suszy sprężonym powietrzem.
- Na podłoża nanosi się 20 nm Cr i 200 nm Au za pomocą parownika wiązką elektronową.
- Pozytywny fotorezyst Shipley 1827 nanosi się na szklane podstawki za pomocą powlekarki wirówkowej (3000 rpm, rampowanie 1000 rpm/s, czas wirowania 30 sekund).
- Następnie podłoża poddaje się wstępnemu wygrzewaniu (soft bake) przez 2 minuty w temperaturze 100°C.
- Wzór maski przenosi się na fotorezyst za pomocą kontaktowej ekspozycji UV przez 8,4 sekundy, co daje całkowitą dawkę 206 mJ/cm2.
- Fotorezyst wywołuje się w roztworze Microposit MF 351:Woda (1:3) przez 30 sekund przy intensywnym mieszaniu, a następnie płucze się wodą DI.
- Po sprawdzeniu pod mikroskopem w celu potwierdzenia prawidłowego wywołania, podłoża trawne w trawieniu Au i trawieniu chromu odpowiednio przez 15 sekund i 30 sekund, z przemywaniem wodą DI pomiędzy etapami oraz na koniec.
Część 1B: Protokół alternatywny – metoda lift-off
- Szklane podstawki o wymiarach 2 x 4 cale umieszcza się na 30 minut w podgrzanym (80°C) roztworze Piranha (5:7 H2O2:H2SO4) w celu usunięcia zanieczyszczeń (zwłaszcza organicznych), a następnie płucze się w wodzie DI i suszy sprężonym powietrzem.
- Negatywny fotorezyst Futurrex NR-7 1500 PY nanosi się na podłoże metodą spin-coatingu (2000 rpm, ramp 1000 rpm/s, czas wirowania 40 sekund).
- Podłoża poddawano wstępnemu wypalaniu (soft bake) przez 1 minutę w temperaturze 150°C.
- Naświetlanie UV w kontakcie przez 21 sekund (400 mJ/cm2).
- Następnie podłoża umieszczano na płycie grzejnej ustawionej na 100°C przez 1 minutę w celu przeprowadzenia etapu wygrzewania po naświetlaniu (postbake).
- Wywoływanie przeprowadzano przez 6 sekund w wywoływaczu Futurrex RD6.
- Następnie na podłoża nanosi się 30 nm Cr i 200 nm Au za pomocą ewaporatora wiązki elektronów.
- Proces lift-off wykonuje się poprzez umieszczenie podłoży w kąpieli ultradźwiękowej z acetonem do momentu widocznego usunięcia złota, co potwierdza się za pomocą obserwacji mikroskopowej.
Układ doświadczalny
Część 2: Iniekcja mikrosfer i obserwacja
- Kanały z PDMS (sposób wykonania opisano w innym miejscu) są przytwierdzane do szklanego podłoża poprzez bezpośrednią adhezję w taki sposób, aby kanał przebiegał nad wykonanymi elektrodami.
- Około 107 ml polistyrenowych mikrosfer zawiesza się w wodzie dejonizowanej (0,0002 S/m) lub roztworze KCl (0,05 S/m). Następnie są one wstrzykiwane poprzez umieszczenie wlotu rurki w roztworze mikrosfer i zastosowanie ssania na wylocie za pomocą strzykawki.
- Załadowane urządzenie umieszcza się następnie na stole mikroskopu i podłącza do generatora sygnałów.
- Stosuje się sekwencję ustawień częstotliwości (od 1 kHz do 1 MHz) i napięcia (1 lub 2 V) , prowadząc jednocześnie obserwacje za pomocą mikroskopu.
Uwaga: Ważne jest, aby nie podnosić napięcia zbyt wysoko ani nie dopuścić do zbyt niskiej częstotliwości, w przeciwnym razie dojdzie do elektrolizy wody. Dokładne ustawienia napięcia lub częstotliwości, przy których zjawisko to występuje, zależą od konstrukcji elektrody. Zgodnie z wytycznymi naszego laboratorium należy unikać częstotliwości poniżej 500 Hz lub napięć powyżej 8 V.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Dyskusja
W niniejszym filmie przedstawiliśmy szeroki zakres zachowań związanych z manipulacją cząstkami i płynami, wywołanych zjawiskami elektrokinetycznymi prądu zmiennego (AC). Elektrody generujące te zjawiska są łatwe do wykonania i mogą zostać bez problemu zintegrowane z wieloma innymi systemami. Jak wykazano, elektrokinetyka AC znajduje liczne zastosowania. Szczególnie atrakcyjna jest wszechstronność tych urządzeń, a także szybkość przeprowadzanych manipulacji. W miarę jak sektor opieki zdrowotnej i inne gałęzie przemysłu za...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Materiały
| Nazwa | Firma | Numer katalogowy | Komentarze | |
|---|---|---|---|---|
| Szklane slid Pyrex 2" na 4" | Podłoże | Pyrex 7740 | ||
| maska chromowa | materiał | Ta fotomaska będzie posiadać wzory mikro–elektrod i może zostać zamówiona w różnych centrach mikrofabrykacji. | ||
| Mikrokanały PDMS | materiał | Mogą one zostać wykonane i użyte wewnątrz laboratorium lub wystarczy zwykły slid mikroskopowy. | ||
| Nadtlenek wodoru 30% | Odczynnik | Fisher Scientific | 7722-84-1 | Certyfikat ACS, Fisher Scientific |
| Kwas siarkowy | Odczynnik | Fisher Scientific | A300-212 | Certyfikat ACS Plus |
| Aceton klasy elektronicznej | Odczynnik | Fisher Scientific | A946-4 | |
| Pozytywny fotorezyst Shipley 1827 | Odczynnik | MicroChem Corp. | ||
| Wywoływacz Shipley 351 | Odczynnik | MicroChem Corp. | ||
| Trawiciel złota | Odczynnik | Transene Company, Inc. | Typ TFA | |
| Trawiciel chromowej fotomaski | Odczynnik | Cyantek Corporation | CR-7S | |
| Negatywowy rezyst NR-7 1500 PY | Odczynnik | Futurrex | ||
| Wywoływacz RD6 | Odczynnik | Futurrex |
Bibliografia
- Ramos, A., et al. AC Electrokinetics: a review of forces in microelectrode structures. Journal of Physics D: Applied Physics. 31, 2338-2353 (1998).
- Morgan, H. ywel, Green, N. G. AC Electrokinetics: colloids and nanoparticles. , SRP Ltd.. England. (2002).
- Toner, M., Irimia, D. Blood-on-a-chip. Annual Review of Biomedical Engineering. 2005, 77-103 (2005).
- Ahn, C. H., Choi, J. -W., Beaucage, G., Nevin, J. H., Lee, J. -B., Puntambekar, A., Lee, J. Y. Disposable smart lab on a chip for point of care clinical diagnostics. 282, 399-401 (1998).
- Vespoorte, E. Microfluidic chips for clinical and forensic analysis. Electrophoresis. 23, 677-712 (2002).
- Rajaraman, S., et al. Rapid, low cost microfabrication technologies toward realization of devices for dielectrophoretic manipulation of particles and nanowires. Sensors and Actuators B: Chemical. 114, 392-401 (2006).
- Ali, Z. Lab-on-a-chip for terrorist weapons management. Measurement and Control. 38, 87-91 (2005).
- Voldman, J. oel, Rosenthal, A. dam Dielectrophoretic Traps for Single-particle Patterning. Biophysical Journal. 88, 2193-2205 (2005).
- Ramachandran, T. R., Baur, C., Bugacov, A., Madhukar, A., Koel, B. E., Requicha, A., Gazen, C. Direct and controlled manipulation of nanometer-sized particles using the non-contact atomic force microscope. Nanotechnology. 9, 237-245 (1998).
- Sigurdson, M. arin, Wang, D., Meinhart, C. D. Electrothermal stirring for heterogeneous immunoassays. Lab Chip. 5, 1366-1373 (2005).
- Urbanski, J. ohn P. aul, Levitan, J. eremyA., Bazant, M. artinZ., Thorsen, T. Fast ac electro-osmotic micropumps with non-planar electrodes. Appl. Phys. Lett. 89, 143508- (2006).
- Fatoyinbo, H. O., et al. An integrated dielectrophoretic quartz crystal microbalance (DEP-QCM) device for rapid biosensing applications. Biosens Bioelectron. 23, 225-232 (2007).
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Przedruki i uprawnienia
