Fenômenos AC eletrocinéticas Gerado por Estruturas microeletrodos

Nos últimos anos, a comunidade de laboratório em um chip adotou uma tecnologia empolgante conhecida como AC Electrokinetics. Este grupo de fenômenos pode ser usado para manipular partículas e fluidos em escala de mícron a nanômetro em ondas rápidas e versáteis, e está rapidamente se tornando essencial para muitas aplicações de biochips. Neste vídeo, abordaremos os fundamentos da eletrocinética CA com detalhes suficientes para ajudar outros cientistas e engenheiros que podem se beneficiar do uso desses fenômenos em suas pesquisas.

Olá, meu nome é Robert Hart e sou estudante de doutorado aqui na Drexel no departamento de Ciências da Engenharia Biomédica e Sistemas de Saúde. Começaremos este vídeo com uma breve descrição da física por trás da cinética elétrica CA. Em seguida, passaremos para a fabricação de dispositivos e, finalmente, mostraremos alguns vídeos da eletrocinética CA e explicaremos o que está acontecendo.

A primeira das três forças que descreveremos é conhecida como eletroforese di. Aqui vemos um campo elétrico gerado entre dois eletrodos submersos. Se tivéssemos uma partícula dielétrica nesse campo elétrico, ela se tornaria polarizada.

Como você pode ver, as cargas na partícula são equilibradas pelas cargas dentro do líquido. Se a partícula é mais polarizável que o líquido ou menos, a polarizabilidade pode ser determinada pelo fator MoSo mais elegante em um campo elétrico uniforme. As partículas experimentam a força conhecida da noz.

No entanto, em um campo elétrico não uniforme, como o mostrado aqui, as partículas que são mais polarizáveis se movem em direção a áreas de alto campo elétrico, pois experimentam eletroforese di positiva, alterando a frequência para mudar a polarizabilidade, resulta no efeito oposto conhecido como eletroforese di negativa e as partículas se afastam de áreas de alta intensidade do campo elétrico. A segunda força é a eletroosmose AC na base da eletroosmose AC como a formação da dupla camada elétrica devido ao potencial elétrico. Na superfície, essa região é dividida em camada de popa, que consiste em íons imóveis rigidamente ligados à superfície e a camada difusa, que contém íons que, embora ligados, ainda estão livres para se mover lateralmente.

Se inspecionarmos um dos íons perto da borda do eletrodo, observamos que ele experimenta uma força de refrigeração do campo elétrico. O componente Y da força é equilibrado pela existência de cargas na superfície. Portanto, o íon experimenta uma força lateral líquida direcionada para o centro dos íons do eletrodo em ambos os lados do movimento e massa do eletrodo em direção ao centro do eletrodo e números suficientes para arrastar o fluido.

A convergência desses dois fluxos faz com que o fluido no centro se mova para cima e um padrão de fluido rotacional surja. Mudar o potencial não afeta a direção do padrão de fluido porque os íons contrários também mudaram. O terceiro e último fenômeno é o efeito hidrotérmico AC.

Quando um campo elétrico é passado através de um líquido, o aquecimento JUUL causa gradientes de temperatura. Conforme mostrado na simulação, as propriedades elétricas da água mudam. Como resultado, essas perturbações nas propriedades elétricas interagem com o campo elétrico para causar uma força corporal.

O movimento resultante, como a eletroosmose AC, é de natureza rotacional, apesar da natureza diferente de suas origens. Mencionamos o efeito hidrotérmico AC brevemente para completar, mas os efeitos do efeito hidrotérmico são sutis. Sob as condições operacionais de nossos experimentos A partir dos princípios matemáticos por trás de cada uma das três forças, foi criada uma simulação numérica de elementos finitos, que mostra a força total combinada atuando em uma partícula de poliestireno de dois mícrons Em cada posição no canal, a simulação de elementos finitos que executamos pega uma seção transversal bidimensional dos eletrodos e se concentra em apenas um.

A primeira simulação mostra meios de baixa condutividade e progride de 100 hertz para um megahertz em baixas frequências. A eletroosmose C é dominante, como pode ser visto pelo padrão de força rotacional. À medida que avançamos, a eletroforese di positiva assume o controle, conforme ilustrado pelas forças atrativas que levam a cada canto do eletrodo.

À medida que a frequência aumenta além de um limite, a DEP positiva dá peso à DEP negativa e as partículas serão repelidas a uma certa altura onde são equilibradas pela força da gravidade. Agora, vamos percorrer as mesmas frequências em alta condutividade. Em alta condutividade, a força do eletros mo CA é geralmente menos forte do que em baixa condutividade e a velocidade de pico ocorre em uma frequência mais alta.

Além disso, observe que não há DEP positivo porque a condutividade é muito alta. A eletroosmose CA dá lugar diretamente à DEP negativa com maior condutividade e maior tensão. O efeito eletrodérmico será mostrado com muito mais clareza.

Nesta seção, falaremos sobre fabricação e montagem de dispositivos. Os próprios dispositivos consistem em eletrodos de ouro padronizados em um substrato. Neste caso, vidro.

Mostraremos um método de gravação úmida para conseguir isso, mas o conhecido procedimento de decolagem também é usado rotineiramente e será mostrado mais tarde. Os quatro experimentos que estamos usando são interdigitados paralelos, acastelados paralelos, poço potencial e quádruplo. Uma breve descrição do processo é a seguinte.

Primeiro, uma camada de cromo e ouro é depositada no substrato de vidro. Em seguida, o substrato é revestido com fotorresistente e o padrão do eletrodo é transferido da máscara para o substrato. Com exposição por contato UV.

Após o desenvolvimento, o cromo e o ouro são gravados e o fotorresistente é removido. Para uma boa aderência, as lâminas de vidro devem estar bem limpas. Isso geralmente é feito com solução de piranha aquecida, que consiste em ácido sulfúrico e peróxido de hidrogênio.

Deve-se ter muito cuidado ao trabalhar com esta combinação perigosa. Após a limpeza, os substratos são secos e prontos para deposição de metal. Esta etapa é realizada em um evaporador de feixe de elétrons.

As lâminas de vidro são carregadas no porta-amostras com tampa em fita, que é especialmente adequada para suportar as condições de deposição. Em seguida, as amostras são carregadas na máquina e aspiradas. O processo consiste em uma deposição curta de cromo de dois minutos e uma deposição de ouro de 30 minutos, resultando em aproximadamente 20 e 200 nanômetros, respectivamente.

Quando as amostras são removidas, a superfície dourada é claramente vista. Fotolitografia Começa com um revestimento de fotorresistência usando uma máquina de revestimento giratório. O fotorresistente é pipetado no substrato que fica em um mandril dentro da máquina.

Uma camada consistente de fotorresistência é criada girando o vidro a uma velocidade específica, o que remove a maior parte do excesso de fotorresistência. Este processo é seguido por um cozimento macio por dois minutos a 100 graus C. Isso endurece a fotorresistência e a prepara para a exposição aos raios UV. Em seguida, a fotomáscara é colocada em contato com nosso substrato e exposta à luz ultravioleta por aproximadamente oito segundos.

Isso transfere o padrão para a fotorresistência. A etapa de desenvolvimento remove todas as áreas de fotorresistência que foram expostas à luz. Este processo completa a etapa de fotolitografia e estamos prontos para gravação em ouro e cromo.

As áreas em nosso substrato que foram expostas no processo de desenvolvimento agora estão livres para serem gravadas. A fotorresistência protege efetivamente o resto da superfície, mas como em todas as etapas, o tempo de gravação deve ser cuidadosamente controlado. Aqui vemos os substratos sendo colocados na gravura a ouro escura à base de iodo.

Após o enxágue e a água, o cromo é removido com a gravação cromada. Observe a transformação que ocorre quando o vidro se torna transparente novamente. Uma vez que o cromo é removido, uma comparação dos substratos gravados com os não gravados mostra os resultados.

Uma rápida inspeção ao microscópio mostra o sucesso do processo. Aqui vemos um dispositivo fabricado com sucesso com conexões elétricas feitas. Ao lado dele fica um canal PD DS com conexões de tubulação.

Quando o canal PDMS é colocado em um dispositivo, uma vedação muito eficaz é feita com um vidro e o líquido pode fluir através do canal. Isso é feito cuidadosamente com uma pinça. Como impressões digitais e poeira podem impedir uma boa aderência, os lados opostos da pinça podem ser usados para garantir uma boa fixação. Recheio.

O canal é feito anexando uma seringa a um lado, colocando o outro em uma suspensão de microesferas de poliestireno e aplicando uma sucção suave. Uma vez colocado no microscópio e focado, as conexões elétricas são feitas ao gerador de funções. Com as amostras carregadas e as conexões feitas, os dispositivos agora estão prontos para um experimento.

Todos os vídeos experimentais que mostraremos consistem em injetar uma suspensão aquosa de duas microesferas de poliestireno de mícron no canal e aplicar um sinal aos eletrodos. Inicialmente, as partículas são distribuídas aleatoriamente e exibem movimento de escurecimento. Quando o assassino, seu sinal é aplicado, as partículas se alinham rapidamente no centro do eletrodo.

Lembre-se de que, como estamos usando um campo CA, não estamos testemunhando a força KIC. Esse comportamento fascinante se deve aos padrões de fluidos gerados, bem como às forças atrativas da eletroforese di. À medida que a frequência aumenta, as partículas começam a se espalhar ao longo da largura do eletrodo.

À medida que a velocidade eletro-osmótica CA diminui e a eletroforese di começa a assumir o controle em 56 kilohertz, as partículas migram para a borda do eletrodo. Como as forças de eletroosmose CA morrem e a eletroforese di positiva predomina. Como mostrado neste diagrama, esse comportamento continua em 100 kilohertz e as partículas agora estão firmemente enraizadas na borda do eleitorado.

Quando a frequência é aumentada ainda mais para 250 kilohertz, as partículas começam a se alinhar através da lacuna e o chamado comportamento da cadeia de pérolas, que é causado por interações de partículas em partículas de 500 kilohertz, as partículas são repelidas da borda do eletrodo à medida que predomina a DEP negativa. Isso pode ser explicado pelo fator K clausius MoSo, que muda de positivo para negativo com um aumento de frequência, causando uma transição de eletroforese di positiva para eletroforese di negativa em um megahertz. A DEP negativa está próxima de seu valor máximo e as partículas são levitadas acima do eletrodo.

Um aumento na condutividade causa uma mudança importante no fator CM. Como você pode ver, não há mais DEP positivo, o que muda drasticamente o comportamento da partícula. Tenha isso em mente ao varrer a mesma faixa de frequência quando aplicamos partículas de sinal de um quilohertz orbitando fora do plano ao longo da borda do eletrodo.

A vista superior fornecida pelo microscópio mostra apenas o movimento lateral das partículas, conforme demonstrado nesta animação. Essa visão, que mostra as partículas se movendo para frente e para trás, oculta o verdadeiro movimento das partículas quando vistas de lado. A verdadeira natureza de seu movimento pode ser vista mais facilmente.

Eles estão de fato orbitando a razão pela qual orbitam e não estão presos no centro de cada eletrodo, acredita-se que seja porque o componente DEP está invertido. À medida que a frequência continua a aumentar, as partículas começam a se aglutinar em aglomerados, mantendo a mesma noção orbital. Essa aglomeração é devido à interação partícula-partícula.

Acredita-se que as origens dessa interação sejam devidas às pequenas distorções do campo elétrico causadas pelas próprias partículas. As distorções ao redor das partículas criam forças DEP, que atraem partículas próximas. À medida que continuamos aumentando a frequência, uma mudança dramática ocorre em aproximadamente 250 kilohertz.

As partículas param em grande parte o movimento orbital e formam outra manifestação da interação partícula-partícula. Eventualmente, à medida que a frequência fica ainda maior. Neste ponto, uma repulsão de megahertz devido à DEP negativa impulsiona as partículas para cima e para fora do plano focal do microscópio.

A seguir, mostraremos um tipo de eletrodo elérico fundido operando em baixa condutividade. Este design de eletrodo é semelhante ao do último tipo, pois é interdigitado, mas os dedos retos foram substituídos por uma forma mais complicada. A um quilohertz, a coleta de partículas ocorre no centro das interseções e rapidamente forma uma forma de diamante.

À medida que a frequência aumenta, vemos o mesmo espalhamento das partículas coletadas. À medida que a eletroosmose CA começa a desaparecer e a DEP assume o controle, como antes, 56 kilohertz fazem com que as partículas migrem lentamente para a borda do eletrodo. Curiosamente, quase todas as partículas se movem para um lado, o que pode ser devido a alguma pressão hidrostática.

Eles se movem muito mais rápido. Aos 100 kilohertz como CEO desapareceu quase completamente. A 250 kilohertz, as partículas começam a formar cadeias profissionais.

A DEP negativa causada pela mudança para 500 kilohertz força as partículas para longe da borda do eletrodo. Aumentar a frequência ainda mais para um megahertz faz com que as partículas se movam para cima fora do plano focal, pois são repelidas ainda mais pela eletroforese di negativa. A seguir, mostraremos um tipo de eletrodo acastelado operando em alta condutividade.

O padrão rotacional gerado com esse tipo de eletrodo ocorre de forma mais dramática nos cantos internos do eletrodo, e é para onde as partículas eventualmente migram. O comportamento de corte em forma de diamante que vimos anteriormente não existe aqui porque não há eletroforese di positiva nessa condutividade. À medida que a frequência aumenta, a velocidade do fluido diminui lentamente.

Como as forças de eletroosmose CA morrem a 56 kilohertz, o movimento é muito lento e, em alguns lugares, as partículas começam a se aglomerar e formar cadeias de pérolas a 100 kilohertz. As correntes de pérolas são bastante claras. Lentamente, à medida que a frequência aumenta, aglomerados de partículas se aglutinam e formam formas de X em cada um dos cantos.

Finalmente, em um megahertz, as cadeias pró são superadas por DEP negativo e as partículas são repelidas da superfície. O design quádruplo mostrado aqui causa uma área de baixa intensidade de campo elétrico no centro do padrão do eletrodo e é projetado para usar dieletroforese negativa para focalizar as partículas. Quando aplicamos 10 volts aos eletrodos, vemos um foco dramático de partículas.

Vamos acelerar um pouco o tempo para que possamos ver como as partículas se parecem em equilíbrio. Se reduzirmos a tensão para um volt, veremos a área focada começar a se expandir. À medida que a dieletroforese perde terreno contra o brownie e o movimento, aumentar a voltagem novamente faz com que as partículas voltem para o centro.

Como o padrão quádruplo, o poço potencial cria áreas de baixo campo elétrico para capturar partículas. Os eletrodos são interdigitados, então outros efeitos que já vimos também podem ser observados aqui. Quando os sinais são aplicados, vemos um rápido aprisionamento de partículas devido a um CEO e DEP.

O efeito mais interessante, porém, é o que está acontecendo nos quadrados ocos. As partículas aqui estão sendo coletadas devido à eletroforese di negativa após algum tempo. Também vemos alguma coleção em ambos os lados do poço potencial na forma de triângulos.

Acabamos de mostrar algumas das muitas físicas interessantes por trás da eletrocinética CA, como fabricar esses dispositivos e como interpretar os resultados experimentais com base em simulações numéricas e na física subjacente. Esses fenômenos, que lidam com partículas em movimento, são bastante difíceis de entender sem recursos visuais. Os fenômenos eletrocinéticos CA podem ser usados em muitas áreas de pesquisa.

Por exemplo, coleta de partículas para aplicações de biossensores, separação de partículas com diferentes propriedades, como tamanho e forma para processamento de amostras e mistura ativa para melhoria do ensaio. Esperamos que este vídeo ajude cientistas e engenheiros a usar e fabricar dispositivos cinéticos elétricos CA, uma das áreas mais importantes e crescentes do laboratório em uma comunidade de chips. Bem, é isso.

Obrigado por assistir e boa sorte com seus experimentos.