Wytwarzanie i sterowanie przepływami elektrohydrodynamicznymi w wodnych roztworach elektrolitów
7 września 2018
Rektyfikacja ścieżek transportu jonów jest skuteczną metodą generowania jednokierunkowych przepływów elektrohydrodynamicznych ciągniętych jonami. Poprzez ustawienie membrany jonowymiennej w kanale przepływowym, generowany jest stan spolaryzowany elektrycznie, który powoduje napędzanie przepływu cieczy, gdy pole elektryczne jest przyłożone na zewnątrz.
Metoda ta może pomóc odpowiedzieć na kluczowe pytania w dziedzinie badań mikro- i nanofluidycznych, takie jak skuteczność transportu przecieków w wąskich przestrzeniach. Główną zaletą tej techniki jest to, że kationy i aniony, których drogi transportowe są naelektryzowane za pomocą membrany jonowymiennej, napędzają przepływ elektrohydrodynamiczny. Procedury zademonstrują Ayoko Yano, adiunkt na Uniwersytecie Gunma, która ukończyła nasze laboratorium, oraz Fumika Nito, doktorantka z naszego laboratorium.
Najpierw przyklej płytki akrylowe na obu końcach formy PTFE za pomocą kleju z tworzywa sztucznego, który wykona szczeliny w zbiorniku, aby osadzić elektrody polaryzacyjne. W 50-mililitrowej tubie wymieszaj bazę elastomeru silikonowego z utwardzaczem w stosunku dziesięć do jednego. Następnie umieść płynny PDMS w naczyniu próżniowym i odgazuj go za pomocą pompy rotacyjnej.
Wyjmij rurkę z naczynia próżniowego. Następnie wlej PDMS do plastikowego naczynia o wymiarach 40 na 50 na 24 milimetry, aby uformować zewnętrzny kształt zbiornika i umieść w nim formę zbiornika. Piecz całe ciało płynnego PDMS na gorącej płycie w temperaturze 80 stopni Celsjusza przez około cztery godziny.
Po upieczeniu należy ręcznie odizolować zbiornik PDMS od formy PTFE w naczyniu zewnętrznym. Następnie wykonaj szczelinę w poprzek środka zbiornika za pomocą noża chirurgicznego. Za pomocą pęsety ustaw szklane płytki, uprzednio pokryte cienką folią ze złota, na obu końcach zbiornika, aby służyły jako elektrody polaryzacyjne.
Następnie wytnij membranę anionowymienną na prostokąt o wymiarach 20 na 18 milimetrów kwadratowych za pomocą nożyczek. Następnie wytnij prostokąt o wymiarach trzy na pięć milimetrów kwadratowych od jednej krawędzi membrany. Teraz wytnij zestalony blok PDMS z kwadratowym kanałem przepływowym na kawałek sześcienny o wymiarach trzy na sześć na cztery na cztery centymetry o wymiarach pięciu milimetrów sześciennych, za pomocą noża chirurgicznego.
Wykonaj szczeliny wzdłuż zewnętrznych krawędzi i przymocuj je do membrany w prostokątnym wycięciu. Następnie umieść membranę anionowymienną z kanałem przepływowym PDMS do zbiornika PDMS za pomocą pęsety. Za pomocą mikropipety napełnij zbiornik czterema mililitrami roztworu wodorotlenku sodu.
Zastosuj potencjał elektryczny o napięciu dwóch woltów, używając źródła zasilania prądem stałym, w kierunku do przodu i do tyłu, przez dwie godziny każdy szeregowo, aby poprawić przewodność membrany przed obserwacją. Następnie wyciągnij złote elektrody pęsetą. Następnie usuń roztwór ze zbiornika za pomocą mikropipety.
Umieść nowe złote elektrody w zbiorniku za pomocą pęsety. Napełnij zbiornik czterema mililitrami roztworu wodorotlenku sodu za pomocą mikropipety. W tym momencie ustaw liczbę klatek na sekundę i czas naświetlania szybkiej kamery z półprzewodnikiem z tlenkiem metalu odpowiednio na 500 klatek na sekundę i jedną milisekundę.
Usuń wszelkie pęcherzyki z kanału, wkładając końcówkę mikropipety do końca kanału, aby je wypchnąć lub wyciągnąć, przed zastosowaniem potencjału elektrycznego. Teraz zewnętrznie przyłóż potencjał elektryczny o wartości dwóch punktów dwa wolty do złotych elektrod polaryzacyjnych. Jednocześnie monitoruj reakcje elektryczne za pomocą potencjostatu, a następnie rejestruj zachowanie cząstek śledzących na komputerze.
Uformuj złote elektrody polaryzacyjne o powierzchni kwadratowej 26 na 10 milimetrów kwadratowych na dolnej szklanej płytce, zgodnie z procedurami podobnymi do tych opisanych wcześniej. Za pomocą rozpylania o częstotliwości radiowej pokryj szklaną powierzchnię chromem wystawionym na działanie plazmy argonowej przez dwie minuty o mocy 75 watów i pozostaw złotą, cienką warstwę na pięć minut o mocy 75 watów. Za pomocą lutownicy przewód ołowiany na krawędzi elektrod.
Z dużego arkusza gumy silikonowej wytnij dwie komory, z których każda wykonana jest z jednego po drugim milimetrowym sześciennym kanale przepływowym umieszczonym między dwoma zbiornikami, za pomocą noża chirurgicznego. Następnie wytnij membranę kationitową o wymiarach 20 na 30 milimetrów kwadratowych za pomocą noża chirurgicznego. Ultradźwięki każdej części w czystej wodzie przez 15 minut, stosując 100 watów.
Włóż membranę kationitową między komory za pomocą pęsety, a następnie dociśnij i uszczelnij stos komór i membranę kationowymienną szklanymi płytkami. Za pomocą strzykawek wstrzyknąć wcześniej przygotowane cząstki polistyrenu Tris-EDTA i roztwory chlorku potasu Tris-EDTA odpowiednio do dolnej i górnej komory. Teraz ustaw eksperymentalne urządzenie na stoliku odwróconego mikroskopu.
Podłącz mikroskop do szybkiej kamery z półprzewodnikowym tlenkiem metalu, aby monitorować trajektorie ruchów cząstek i rejestrować dane obserwacyjne na komputerze. Na koniec należy zastosować różnicę potencjałów elektrycznych wynoszącą dwa wolty na sześć sekund między dwiema elektrodami, używając generatora funkcyjnego jako źródła zasilania. Przedstawiono tutaj reprezentatywny wynik generowania przepływu EHD, wynikającego z rektyfikacji szlaków transportu jonów i wysoko skoncentrowanych kationów, które indukowały przepływ cieczy w kanale.
Analiza PIV wykazała, że prędkość cząstek znacznikowych szybko wzrosła do wartości szczytowej, gdy zastosowano eklektyczny potencjał wynoszący dwa punkty dwa wolty. Po tym prędkość zmniejszyła się i zbiegła do zera. Reprezentatywny wynik przepływu EHD generowanego w roztworze spolaryzowanym elektrycznie, w warunkach prądu jonowego, przedstawiono tutaj.
Odpowiedź prędkości przepływu EHD analizowano poprzez śledzenie cząstek znacznikowych, które reagowały na pole elektryczne po przyłożeniu dwóch woltów. Cząstki szybko przemieszczały się w kierunku wstecznym, a po krótkim czasie reakcji przepływ zmieniał się na kierunek do przodu, a prędkość stawała się stała, aż do wyłączenia potencjału elektrycznego. Przepływ EHD, ciągnięty przez jony sodu w kanale, jest wyzwalany przez transport jonów wodorotlenkowych w membranie anionowymiennej.
W przepływie EHD, indukowanym w warunkach prądu kationowego, jony potasu przenikają przez błonę kationowymienną, powodując warunki dominacji kationów, w wyniku czego przepływ EHD jest indukowany wzdłuż prądu kationowego. Po opanowaniu tej techniki można ją wykonać w ciągu dwóch godzin, jeśli zostanie wykonana prawidłowo. Należy zwrócić uwagę na czas potrzebny na obustronne elektrody i oczekiwanie na ustabilizowanie się roztworu elektrycznego.
Próbując wykonać tę procedurę, należy pamiętać, że włączenie rozwiązań electride zajmuje dużo czasu. Postępując zgodnie z tą procedurą, stan elektroneutralny musi być moderowany w warunkach prądu jonowego, aby napędzać przepływy elektrohydrodynamiczne. Po opracowaniu technika ta utorowała drogę naukowcom zajmującym się mikro i nano fanomerami przepływowymi do zbadania nowych metod kontroli przepływu w różnych typach wycieków.
Po obejrzeniu tego filmu powinieneś dobrze zrozumieć, jak wykonać przepływ elektrohydrodynamiczny, który jest indukowany przez naelektryzowane prądy jonowe. Nie zapominaj, że praca z wodorotlenkiem sodu o wysokim stężeniu może być niezwykle niebezpieczna, a podczas wykonywania tej procedury należy zawsze zachować środki ostrożności, takie jak noszenie okularów ochronnych, rękawic i fartucha laboratoryjnego.
Wyświetl pełny transkrypt i uzyskaj dostęp do tysięcy filmów naukowych
Przegląd
Rektyfikacja ścieżek transportu jonowego generuje jednokierunkowe elektrohydrodynamiczne przepływy wymuszone transportem jonów. Osiąga się to poprzez zastosowanie membrany wymiany jonowej w kanale przepływowym, co tworzy warunki polaryzacji elektrycznej wymuszającej przepływ cieczy po przyłożeniu pola elektrycznego.
Kluczowe elementy badania
Dziedzina nauki
- Mikrofluidyka
- Elektrohydrodynamika
- Mechanizmy transportu jonów
Wprowadzenie
- Zrozumienie transportu jonów w wąskich przestrzeniach ma kluczowe znaczenie dla badań nad mikro- i nanofluidyką.
- Technika ta wykorzystuje elektryczne ścieżki transportu dla kationów i anionów.
- Metoda została zademonstrowana przez badaczy z Uniwersytetu Gunma.
- Układ doświadczalny obejmuje wykorzystanie płyt akrylowych oraz form z PTFE.
Cel badania
- Zbadanie wydajności transportu jonów w środowiskach ograniczonych.
- Opracowanie metod generowania kontrolowanych przepływów cieczy.
- Pogłębienie zrozumienia zasad elektrohydrodynamiki.
Zastosowane metody
- Przyklejanie płyt akrylowych w celu utworzenia kanału przepływowego.
- Użycie bazy z elastomeru silikonowego zmieszanej z utwardzaczem.
- Umieszczenie ciekłego PDMS w komorze próżniowej w celu odgazowania.
- Przyłożenie pola elektrycznego w celu wymuszenia przepływu.
Główne wyniki
- Pomyślne wygenerowanie jednokierunkowego przepływu cieczy.
- Wykazana skuteczność membran wymiany jonowej w kanałach przepływowych.
- Uzyskanie informacji na temat zachowania jonów w systemach mikroprzepływowych.
- Ustanowienie podstaw dla dalszych badań w zakresie elektrohydrodynamiki.
Wnioski
- Metoda ta skutecznie wymusza przepływ cieczy przez ścieżki transportu jonowego.
- Otwiera ona nowe możliwości badawcze w zakresie mikro- i nanofluidyki.
- Przyszłe badania mogą opierać się na tych wynikach w celu ulepszenia zastosowań fluidycznych.
Najczęściej zadawane pytania
Zastosowanie w przemyśle
Kontrola przepływów elektrohydrodynamicznych w elektrolitach wodnych umożliwia precyzyjne manipulowanie płynami w systemach mikro- i nanofluidycznych bez konieczności stosowania wysokich napięć lub rozpuszczalników nie wodnych. Podejście to zmniejsza ryzyko elektrolizy i pozwala na skalowalną, powtarzalną kontrolę przepływu w aplikacjach typu lab-on-a-chip. Metoda ta zwiększa pewność prognostyczną przy projektowaniu urządzeń mikrofluidycznych opartych na transporcie jonowym, wykorzystywanych w testach biochemicznych i platformach przesiewowych.
Zastosowania strategiczne w badaniach i rozwoju biofarmaceutycznym
Wczesne odkrywanie i walidacja celu
- Wartość naukowa: Umożliwia badanie mechanizmów transportu jonów w warunkach polaryzacji elektrycznej w celu walidacji funkcjonalnych ról kanałów jonowych lub transporterów w szlakach komórkowych.
- Wartość operacyjna: Zapewnia regulowaną platformę niskiego napięcia do modulowania strumieni jonowych i oceny ich wpływu na angażowanie celu lub dynamikę sygnalizacji.
Przesiew i opracowanie testu
- Wartość naukowa: Generuje powtarzalne, kierunkowe przepływy płynów w celu poprawy mieszania, dostarczania reagentów lub transportu analitytów w testach mikroprzepływowych.
- Wartość operacyjna: Wspiera standaryzację warunków przepływu w powtórzeniach, ograniczając zmienność wyników w badaniach wysokoprzepustowych.
Badania translacyjne i przedkliniczne
- Wartość naukowa: Ułatwia badanie napędzanego jonami ruchu płynów w mikrofluidycznych modelach istotnych dla chorób, takich jak systemy bariery krew-mózg lub jelito na chipie (gut-on-a-chip).
- Wartość operacyjna: Umożliwia przedkliniczną ocenę związków modulujących transport jonowy lub przepływ elektroosmotyczny w mikrofluidycznych analogach tkanek.
Integracja potoku i przepływu pracy
Metoda ta integruje się z wczesnymi etapami procesów badawczych, zapewniając sterowalny mechanizm aktuacji płynów, który wspiera weryfikację hipotez w biologii transportu jonowego oraz umożliwia powtarzalne przygotowanie próbek w dalszych etapach analizy.
- Biologia odkryć: Wspiera mechanistyczną weryfikację hipotez dotyczących transportu jonowego, umożliwiając bezpośrednią obserwację odpowiedzi przepływu na modulację prądów jonowych.
- Przesiewanie: Zwiększa gotowość testów dzięki precyzyjnemu, sterowanemu elektrycznie przemieszczaniu płynów, co poprawia kinetykę odczynników i granice detekcji.
- Analityka: Generuje mierzalne wyniki prędkości przepływu za pomocą śledzenia cząstek, co pozwala na korelację gradientów stężeń jonów z odpowiedziami hydrodynamicznymi.
- Badania translacyjne: Łączy fenotypy transportu jonowego z funkcjonalnymi wynikami przepływu w mikrofluidycznych modelach barier nabłonkowych lub śródbłonkowych.
- Ponowne wykorzystanie w przedsiębiorstwie: Ustanawia modułowy, energooszczędny system aktywacji płynów, który można dostosować do wielu platform mikrofluidycznych i formatów testów.
Wpływ operacyjny i organizacyjny
- Wartość naukowa: Redukuje niejednoznaczność mechanistyczną w badaniach nad transportem jonów poprzez izolację wkładu elektroforetycznego i elektroosmotycznego w ruchu płynów.
- Wartość operacyjna: Umożliwia powtarzalną kontrolę przepływu przy niskich napięciach (<2.2 V), minimalizując złożoność sprzętową i potrzeby w zakresie zarządzania termicznego.
- Wartość strategiczna: Usprawnia podejmowanie decyzji typu go/no-go w opracowywaniu testów poprzez zapewnienie niezawodnej, elektrycznie regulowanej manipulacji płynami.
- Wpływ na portfolio: Wspiera priorytetyzację projektów urządzeń mikrofluidycznych z uwzględnieniem ryzyka poprzez wczesną walidację mechanizmów przepływu zależnych od transportu jonów w fazie rozwoju.
Uwagi dotyczące wdrożenia
- Wymagana jest wiedza specjalistyczna w zakresie mikrofluidyki, obsługi membran wymiany jonowej oraz zasad przepływów elektrokinetycznych.
- Metoda zależy od dostępu do potencjostatów, generatorów funkcji, systemów obrazowania wysokiej rozdzielczości oraz materiałów kompatybilnych z czystym pomieszczeniem (cleanroom), takich jak PDMS i elektrody złote.
- Niezbędna jest standaryzacja zabiegów powierzchniowych, stężeń elektrolitów oraz protokołów wstępnego przygotowania membran w ramach poszczególnych zespołów.
- Wymagane są rozważania dotyczące adaptacji przy przenoszeniu metody na inne geometrie kanałów, typy jonów lub matryce biologiczne.
- Obejmuje ograniczenia praktyczne, takie jak fouling membran, powstawanie pęcherzyków powietrza oraz indukowane napięciem zmiany pH, które mogą wpływać na stabilność przepływu w czasie.
