Zjawiska elektrokinetyczne prądu przemiennego generowane przez struktury mikroelektrod

W ciągu ostatnich kilku lat społeczność zajmująca się układami scalonymi przyjęła ekscytującą technologię znaną jako elektrokinetyka prądu przemiennego. Ta grupa zjawisk może być wykorzystywana do manipulowania cząstkami i płynami w skali od mikronów do nanometrów w szybkich i wszechstronnych falach i szybko staje się niezbędna w wielu zastosowaniach biochipów. W tym filmie omówimy podstawy elektrokinetyki prądu przemiennego na tyle szczegółowo, aby pomóc innym naukowcom i inżynierom, którzy mogą odnieść korzyści z wykorzystania tych zjawisk w swoich badaniach.

Cześć, nazywam się Robert Hart i jestem doktorantem w Drexel na wydziale Inżynierii Biomedycznej i Systemów Opieki Zdrowotnej. Zaczniemy ten film od krótkiego opisu fizyki stojącej za kinetyką elektryczną prądu przemiennego. Następnie przejdziemy do produkcji urządzeń, a na koniec pokażemy kilka filmów z elektrokinetyki prądu przemiennego i wyjaśnimy, co się dzieje.

Pierwsza z trzech sił, które będziemy opisywać, jest znana jako elektroforeza di. Tutaj widzimy pole elektryczne generowane między dwiema zanurzonymi elektrodami. Gdybyśmy mieli cząstkę dielektryczną w tym polu elektrycznym, stałaby się ona spolaryzowana.

Jak widać, ładunki na cząstce są równoważone przez ładunki w cieczy. To, czy cząstka jest bardziej polaryzująca niż ciecz, czy mniej, polaryzowalność można określić za pomocą najbardziej klasycznego czynnika MoSo w jednorodnym polu elektrycznym. Cząstki doświadczają znanej siły nakrętki.

Jednak w niejednorodnym polu elektrycznym, takim jak pokazane tutaj, cząstki, które są bardziej polaryzowalne, poruszają się w kierunku obszarów o wysokim polu elektrycznym, gdy doświadczają dodatniej elektroforezy di, zmiana częstotliwości w celu zmiany polaryzowalności powoduje odwrotny efekt znany jako ujemna elektroforeza di, a cząstki oddalają się od obszarów o wysokim natężeniu pola elektrycznego. Drugą siłą jest elektroosmoza prądu przemiennego leżąca u podstaw elektroosmozy prądu przemiennego jako tworzenie podwójnej warstwy elektrycznej w wyniku potencjału elektrycznego. Na powierzchni obszar ten jest podzielony na warstwę rufową, która składa się z nieruchomych jonów sztywno związanych z powierzchnią i warstwę rozproszoną, która zawiera jony, które będąc związane, nadal mogą swobodnie poruszać się na boki.

Jeśli przyjrzymy się jednemu z jonów w pobliżu krawędzi elektrody, zaobserwujemy, że doświadcza on siły chłodziwa pochodzącej z pola elektrycznego. Składowa Y siły jest równoważona przez istnienie ładunków na powierzchni. W związku z tym jon doświadcza wypadkowej siły bocznej skierowanej w kierunku środka elektrody, jony po obu stronach elektrody poruszają się, a masa zbliża się do środka elektrody i ma wystarczającą liczbę, aby przeciągnąć płyn.

Zbieżność tych dwóch przepływów powoduje, że płyn w centrum porusza się w górę i pojawia się rotacyjny wzór płynu. Przełączanie potencjału nie wpływa na kierunek wzorca płynu, ponieważ przeciwjony również się zmieniły. Trzecim i ostatnim zjawiskiem jest efekt hydrotermalny prądu przemiennego.

Kiedy pole elektryczne przechodzi przez ciecz, ogrzewanie JUUL powoduje gradienty temperatury. Jak pokazano w symulacji, właściwości elektryczne wody ulegają zmianie. W rezultacie, te zaburzenia właściwości elektrycznych oddziałują z polem elektrycznym, powodując siłę ciała.

Powstały ruch, taki jak elektroosmoza prądu przemiennego, ma charakter rotacyjny, pomimo odmiennej natury swojego pochodzenia. Wspomnieliśmy pokrótce o efekcie hydrotermalnym prądu przemiennego dla kompletności, ale efekty efektu hydrotermalnego są subtelne. W warunkach pracy naszych eksperymentów Na podstawie zasad matematycznych stojących za każdą z trzech sił stworzono symulację numeryczną elementów skończonych, która pokazuje całkowitą łączną siłę działającą na cząstkę polistyrenu o grubości dwóch mikronów W każdym położeniu kanału uruchomiona przez nas symulacja elementów skończonych przyjmuje dwuwymiarowy przekrój elektrod i centruje się tylko na jednej.

Pierwsza symulacja pokazuje media o niskiej przewodności i postępuje od 100 Hz do jednego megaherca przy niskich częstotliwościach. Elektroosmoza C jest dominująca, co widać po wzorcu siły obrotowej. W miarę postępów górę bierze dodatnia elektroforeza di, co ilustrują siły przyciągania prowadzące do każdego rogu elektrody.

Gdy częstotliwość wzrasta powyżej progu, dodatnia DEP nadaje wagę ujemnemu DEP, a cząstki zostaną odepchnięte do określonej wysokości, gdzie zostaną zrównoważone przez siłę grawitacji. Teraz przejdziemy przez te same częstotliwości przy wysokiej przewodności. Przy wysokiej przewodności siła mo elektrozy prądu przemiennego jest na ogół mniejsza niż przy niskiej przewodności, a prędkość szczytowa występuje przy wyższej częstotliwości.

Należy również pamiętać, że nie ma dodatniej DEP, ponieważ przewodność jest zbyt wysoka. Elektroosmoza prądu przemiennego ustępuje bezpośrednio ujemnemu DEP o wyższej przewodności i wyższym napięciu. Efekt elektrodermalny będzie znacznie wyraźniej widoczny.

W tej sekcji porozmawiamy o produkcji i montażu urządzeń. Same urządzenia składają się ze złotych elektrod nałożonych na podłoże. W tym przypadku szkło.

Pokażemy metodę wytrawiania na mokro, aby to osiągnąć, ale dobrze znana procedura startu jest również rutynowo stosowana i zostanie pokazana później. Cztery wzory, których używamy, to równoległe międzypalcowe, równoległe ażurowe, studnia potencjału i poczwórne. Krótki opis procesu jest następujący.

Najpierw na szklane podłoże osadza się warstwa chromu i złota. Następnie podłoże jest pokrywane fotorezystem, a wzór elektrody jest przenoszony z maski na podłoże. Z kontaktową ekspozycją na promieniowanie UV.

Po wywołaniu chrom i złoto są wytrawiane, a fotorezystor jest usuwany. Aby zapewnić dobrą przyczepność, szkiełka muszą być bardzo czyste. Zwykle odbywa się to za pomocą podgrzanego roztworu piranii, który składa się z kwasu siarkowego i nadtlenku wodoru.

Należy zachować dużą ostrożność podczas pracy z tą niebezpieczną kombinacją. Po oczyszczeniu podłoża są suszone i gotowe do osadzania metalu. Ten krok jest wykonywany w parowniku z wiązką elektronów.

Szkiełka podstawowe są ładowane na uchwyt próbki za pomocą nasadki na taśmie, która jest specjalnie przystosowana do wytrzymywania warunków osadzania. Następnie próbki są ładowane do maszyny i odkurzane. Proces składa się z krótkiego, dwuminutowego osadzania chromu i 30-minutowego osadzania złota, co daje odpowiednio około 20 i 200 nanometrów.

Po usunięciu próbek złota powierzchnia jest wyraźnie widoczna. Fotolitografia rozpoczyna się od nałożenia powłoki fotorezystu za pomocą maszyny do powlekania wirowego. Fotorezystor jest pipetowany na podłoże, które znajduje się na uchwycie w maszynie.

Spójna warstwa fotorezystu jest tworzona przez obracanie szkła z określoną prędkością, co usuwa większość nadmiaru fotorezystu. Po tym procesie następuje miękkie pieczenie przez dwie minuty w temperaturze 100 stopni C. To utwardza fotoodporność i przygotowuje ją do ekspozycji na promieniowanie UV. Następnie fotomaskę umieszcza się w kontakcie z naszym podłożem i wystawia na działanie światła UV przez około osiem sekund.

Spowoduje to przeniesienie wzoru na fotorezystor. Etap rozwoju usuwa wszystkie obszary fotorezystu, które zostały wystawione na działanie światła. Proces ten kończy etap fotolitografii i jesteśmy gotowi do trawienia złotem i chromem.

Te obszary na naszym podłożu, które zostały odsłonięte w procesie rozwoju, można teraz swobodnie trawić. Fotorezystor skutecznie chroni resztę powierzchni, ale jak we wszystkich krokach, czas trawienia powinien być dokładnie kontrolowany. Tutaj widzimy, jak podłoża są umieszczane w ciemnym, złotym trawieniu na bazie jodu.

Po spłukaniu i wodzie chrom jest usuwany za pomocą wytrawiania chromu. Zwróć uwagę na przemianę, która zachodzi, gdy szkło staje się ponownie przezroczyste. Po usunięciu chromu wyniki pokazuje porównanie podłoży trawionych z nietrawionymi.

Szybkie oględziny pod mikroskopem pokazują powodzenie procesu. Tutaj widzimy pomyślnie wyprodukowane urządzenie z wykonanymi połączeniami elektrycznymi. Obok znajduje się kanał PD DS z przyłączami rurowymi.

Po umieszczeniu kanału PDMS na urządzeniu, bardzo skuteczne uszczelnienie jest wykonane ze szkła i ciecz może przepływać przez kanał. Odbywa się to ostrożnie za pomocą kleszczy. Ponieważ odciski palców i kurz mogą uniemożliwiać dobrą przyczepność, można użyć przeciwnych stron kleszczy, aby zapewnić dobre mocowanie. Nadzienie.

Kanał odbywa się poprzez przymocowanie strzykawki z jednej strony, umieszczenie drugiej w polistyrenowej zawiesinie mikrosfery i delikatne odsysanie. Po umieszczeniu go w mikroskopie i ustawieniu ostrości wykonywane są połączenia elektryczne z generatorem funkcyjnym. Po załadowaniu próbek i wykonaniu połączeń urządzenia są teraz gotowe do eksperymentu.

Wszystkie eksperymentalne filmy, które pokażemy, polegają na wstrzyknięciu do kanału wodnej zawiesiny dwóch mikronowych mikrosfer polistyrenowych i podaniu sygnału do elektrod. Początkowo cząstki są rozmieszczone losowo i wykazują ruch brązowienia. Kiedy jeden zabija, jej sygnał jest stosowany, cząstki szybko ustawiają się w linii na środku elektrody.

Należy pamiętać, że ponieważ używamy pola prądu przemiennego, nie jesteśmy świadkami siły KIC. To fascynujące zachowanie wynika z generowanych wzorców płynów, a także sił przyciągania elektroforezy di. Wraz ze wzrostem częstotliwości cząstki zaczynają rozprzestrzeniać się wzdłuż szerokości elektrody.

Gdy prędkość elektroosmotyczna prądu przemiennego maleje, a elektroforeza di zaczyna przejmować kontrolę przy 56 kilohercach, cząstki migrują do krawędzi elektrody. Gdy siły elektroosmozy prądu przemiennego zanikają i dominuje dodatnia elektroforeza di. Jak pokazano na tym diagramie, to zachowanie trwa przy 100 kilohercach, a cząstki są teraz mocno zakorzenione w krawędzi elektoratu.

Gdy częstotliwość zostanie zwiększona do 250 kiloherców, cząstki zaczynają ustawiać się w poprzek szczeliny, a tak zwane zachowanie łańcucha perłowego, które jest spowodowane oddziaływaniami cząstek na cząstkach o częstotliwości 500 kiloherców, jest odpychane od krawędzi elektrody, ponieważ dominuje ujemny DEP. Można to wytłumaczyć czynnikiem K clausius MoSo, który zmienia się z dodatniego na ujemny wraz ze wzrostem częstotliwości, powodując przejście od dodatniej elektroforezy di do ujemnej elektroforezy di przy jednym megahercu. Ujemna wartość DEP jest bliska wartości maksymalnej, a cząstki unoszą się nad elektrodą.

Wzrost przewodności powoduje istotną zmianę współczynnika CM. Jak widać, nie ma już dodatniego DEP, który drastycznie zmienia zachowanie cząstek. Należy o tym pamiętać, gdy przechodzimy przez ten sam zakres częstotliwości, gdy przykładamy cząstki sygnału o długości jednego kiloherca do orbity poza płaszczyzną wzdłuż krawędzi elektrody.

Widok z góry dostarczony przez mikroskop pokazuje tylko boczny ruch cząstek, jak pokazano na tej animacji. Ten widok, który pokazuje cząstki poruszające się tam i z powrotem, ukrywa prawdziwy ruch cząstek, gdy patrzy się na nie z boku. Prawdziwą naturę ich ruchu można łatwiej dostrzec.

W rzeczywistości krążą po orbicie, a powód, dla którego krążą po orbicie i nie są uwięzione w środku każdej elektrody, uważa się, że jest to spowodowane odwróceniem składowej DEP. Wraz ze wzrostem częstotliwości, cząstki zaczynają łączyć się w grudki, zachowując przy tym tym samym pojęciu orbity. To zbrylanie jest spowodowane oddziaływaniem cząstek elementarnych.

Uważa się, że początki tego oddziaływania wynikają z niewielkich zniekształceń pola elektrycznego spowodowanych przez same cząstki. Zniekształcenia wokół cząstek wytwarzają siły DEP, które przyciągają pobliskie cząstki. Kontynuując zwiększanie częstotliwości, następuje dramatyczna zmiana przy około 250 kilohercach.

Cząstki w dużej mierze zatrzymują ruch orbitalny i tworzą się pro change, co jest kolejnym przejawem interakcji cząstek z cząstkami. W końcu, gdy częstotliwość staje się jeszcze wyższa. W tym momencie odpychanie o jedną megaherc spowodowane ujemnym DEP wypycha cząstki w górę i poza płaszczyznę ogniskowej mikroskopu.

Następnie pokażemy elektrodę odlewaną z gorączem działającą przy niskiej przewodności. Ta konstrukcja elektrody jest podobna do ostatniego typu, ponieważ jest międzypalcowa, ale proste palce zostały zastąpione bardziej skomplikowanym kształtem. Przy jednym kilohercu zbieranie cząstek odbywa się w środku skrzyżowań i szybko tworzy kształt rombu.

Wraz ze wzrostem częstotliwości widzimy to samo rozchodzenie się zebranych cząstek. Gdy elektroosmoza prądu przemiennego zaczyna zanikać, a DEP przejmuje kontrolę, jak poprzednio, 56 kiloherców powoduje, że cząstki powoli migrują do krawędzi elektrody. Co ciekawe, prawie wszystkie cząstki przemieszczają się w jedną stronę, co może być spowodowane pewnym ciśnieniem hydrostatycznym.

Poruszają się znacznie szybciej. Przy 100 kilohercach jako dyrektor generalny zniknął prawie całkowicie. Przy 250 kilohercach cząsteczki zaczynają tworzyć łańcuchy pro.

Ujemny DEP spowodowany przesunięciem do 500 kiloherców wypycha cząstki z dala od krawędzi elektrody. Zwiększenie częstotliwości jeszcze bardziej do jednego megaherca powoduje, że cząstki przemieszczają się w górę poza płaszczyznę ogniskową, ponieważ są jeszcze bardziej odpychane przez ujemną elektroforezę di. Następnie pokażemy elektrodę ażurową działającą z wysoką przewodnością.

Wzorzec rotacyjny, który jest generowany przez ten typ elektrody, występuje najbardziej dramatycznie w wewnętrznych rogach elektrody i to właśnie tam cząstki ostatecznie migrują. Zachowanie cięcia w kształcie rombu, które widzieliśmy wcześniej, nie istnieje tutaj, ponieważ przy tej przewodności nie ma dodatniej elektroforezy di. Wraz ze wzrostem częstotliwości prędkość płynu powoli maleje.

Gdy siły elektroosmozy prądu przemiennego zanikają przy 56 kilohercach, ruch jest bardzo powolny, a w niektórych miejscach cząstki zaczynają się zbrylać i tworzyć łańcuchy perłowe przy 100 kilohercach. Łańcuszki z pereł są dość wyraźne. Powoli, wraz ze wzrostem częstotliwości, grudki cząstek łączą się i tworzą kształty X w każdym z rogów.

Wreszcie, przy jednym megahercu, łańcuchy pro są pokonywane przez ujemny DEP, a cząstki są odpychane od powierzchni. Pokazana tutaj poczwórna konstrukcja powoduje obszar o niskim natężeniu pola elektrycznego w środku wzoru elektrody i jest zaprojektowana do wykorzystania ujemnej dielektroforezy do skupiania cząstek. Kiedy przyłożymy 10 woltów do elektrod, zobaczymy dramatyczne ogniskowanie cząstek.

Przyspieszymy nieco czas, abyśmy mogli zobaczyć, jak cząstki wyglądają w równowadze. Jeśli zmniejszymy napięcie do jednego wolta, zobaczymy, że obszar skupienia zaczyna się rozszerzać. Ponieważ dielektroforeza traci grunt pod względem brownie i ruchu, ponowne zwiększenie napięcia powoduje, że cząstki przemieszczają się z powrotem w kierunku środka.

Podobnie jak wzór poczwórny, studnia potencjału tworzy obszary o niskim polu elektrycznym w celu uwięzienia cząstek. Elektrody są interaktywne, więc inne efekty, które już zaobserwowaliśmy, można zaobserwować również tutaj. Po zastosowaniu sygnałów obserwujemy szybkie uwięzienie cząstek dzięki dyrektorowi generalnemu i programowi DEP.

Ciekawszym efektem jest jednak to, co dzieje się w pustych kwadratach. Cząstki są tutaj zbierane w wyniku ujemnej elektroforezy di po pewnym czasie. Widzimy również pewne nagromadzenie po obu stronach studni potencjału w kształcie trójkątów.

Właśnie pokazaliśmy niektóre z wielu interesujących zagadnień fizycznych stojących za elektrokinetyką prądu przemiennego, sposób wytwarzania tych urządzeń i interpretowania wyników eksperymentów w oparciu o symulacje numeryczne i fizykę leżącą u ich podstaw. Te zjawiska, które dotyczą poruszających się cząstek, są dość trudne do zrozumienia bez pomocy wizualnych. Zjawiska elektrokinetyczne prądu przemiennego mogą być wykorzystywane w wielu dziedzinach badań.

Na przykład zbieranie cząstek do zastosowań w bioczujnikach, separacja cząstek o różnych właściwościach, takich jak rozmiar i kształt, w celu przetwarzania próbek oraz aktywne mieszanie w celu ulepszenia testów. Mamy nadzieję, że ten film pomoże naukowcom i inżynierom w używaniu i wytwarzaniu elektrycznych urządzeń kinetycznych prądu przemiennego, jednego z najważniejszych i rozwijających się obszarów laboratorium w społeczności chipów. Cóż, to wszystko.

Dziękujemy za oglądanie i życzymy powodzenia w eksperymentach.