AC Электрокинетические явления Создано с помощью Микроэлектродные Структуры

В последние несколько лет сообщество «лаборатория на чипе» освоило захватывающую технологию, известную как электрокинетика переменного тока. Эта группа явлений может быть использована для манипулирования частицами и жидкостями в микронном и нанометровом масштабе быстрыми и универсальными волнами, и быстро становится необходимой для многих приложений биочипов. В этом видео мы рассмотрим основы электрокинетики переменного тока достаточно подробно, чтобы помочь другим ученым и инженерам, которым может быть полезно использовать эти явления в своих исследованиях.

Здравствуйте, меня зовут Роберт Харт, и я аспирант здесь, в Дрекселе, на кафедре биомедицинской инженерии, науки и систем здравоохранения. Мы начнем это видео с краткого описания физики, лежащей в основе электрической кинетики переменного тока. Далее мы перейдем к изготовлению устройств, и, наконец, покажем несколько видео по электрокинетике переменного тока и объясним, что происходит.

Первая из трех сил, которые мы опишем, известна как диэлектрофорез. Здесь мы видим электрическое поле, генерируемое между двумя погруженными электродами. Если бы у нас была диэлектрическая частица в этом электрическом поле, она стала бы поляризованной.

Как вы можете видеть, заряды частицы уравновешиваются зарядами внутри жидкости. Независимо от того, является ли частица более поляризуемой, чем жидкость, или меньшей, поляризуемость может быть определена самым классным коэффициентом MoSo в однородном электрическом поле. Частицы испытывают известную силу гайки.

Однако в неоднородном электрическом поле, подобном показанному здесь, частицы, которые более поляризуемы, движутся к областям с высоким электрическим полем, поскольку они испытывают положительный диэлектрофорез, изменяя частоту для переключения поляризуемости, приводит к обратному эффекту, известному как отрицательный диэлектрофорез, и частицы удаляются от областей с высокой напряженностью электрического поля. Вторая сила – это электроосмос переменного тока, лежащий в основе электроосмоса переменного тока как образование двойного электрического слоя за счет электрического потенциала. На поверхности эта область разделена на стержневой слой, который состоит из неподвижных ионов, жестко связанных с поверхностью, и диффузный слой, который содержит ионы, которые, будучи связанными, все еще свободно перемещаются в горизонтальном направлении.

Если мы исследуем один из ионов вблизи края электрода, мы увидим, что он испытывает силу охлаждающей жидкости от электрического поля. Y-компонента силы уравновешивается существованием зарядов на поверхности. Таким образом, ион испытывает суммарную боковую силу, направленную к центру электрода, ионы с обеих сторон электрода движутся, а масса — к центру электрода и в количестве, достаточном для того, чтобы потянуть жидкость за собой.

Сходимость этих двух потоков приводит к тому, что жидкость в центре движется вверх, и возникает вращательная картина жидкости. Переключение потенциала не влияет на направление жидкости, потому что встречные ионы также переключаются. Третье и последнее явление – это гидротермальный эффект переменного тока.

Когда электрическое поле проходит через жидкость, нагрев JUUL вызывает температурные градиенты. Как показано в моделировании, электрические свойства воды меняются. В результате, эти возмущения электрических свойств взаимодействуют с электрическим полем, вызывая силу тела.

Возникающее в результате движение, подобное переменному электроосмосу, является вращательным по своей природе, несмотря на различную природу его происхождения. Мы кратко упомянули гидротермальный эффект переменного тока для полноты картины, но эффекты гидротермального эффекта незначительны. Исходя из математических принципов, лежащих в основе каждой из трех сил, было создано численное моделирование методом конечных элементов, которое показывает общую совокупную силу, действующую на двухмикронную частицу полистирола В каждой позиции канала запущенное нами моделирование методом конечных элементов принимает двумерное поперечное сечение электродов и центрируется только на одном.

Первое моделирование показывает среду с низкой проводимостью и прогрессирует от 100 Гц до одного мегагерца на низких частотах. Преобладает С-электроосмос, что видно по структуре вращательной силы. По мере того, как мы прогрессируем, положительный диэлектрофорез берет верх, о чем свидетельствуют силы притяжения, ведущие к каждому углу электрода.

По мере того, как частота превышает пороговое значение, положительный DEP придает вес отрицательному DEP, и частицы будут отталкиваться на определенную высоту, где они уравновешиваются силой гравитации. Теперь мы прогоним те же частоты при высокой проводимости. При высокой проводимости сила электросмо переменного тока обычно менее сильна, чем при низкой проводимости, и пиковая скорость возникает на более высокой частоте.

Кроме того, обратите внимание, что положительный ДЭП отсутствует, потому что проводимость слишком высока. Электроосмос переменного тока уступает место отрицательному ДЭП с более высокой проводимостью и более высоким напряжением. Электродермальный эффект будет показан гораздо нагляднее.

В этом разделе мы поговорим о изготовлении и сборке устройств. Сами устройства состоят из золотых электродов, нанесенных на подложку. В данном случае стекло.

Мы покажем метод мокрого травления для достижения этой цели, но хорошо известная процедура отрыва также используется рутинно и будет показана позже. Мы используем четыре проекта: параллельную межпальцевую, параллельную зубчатую, потенциальную яму и четверную. Краткое описание процесса выглядит следующим образом.

Сначала на стеклянную подложку наносится слой хрома и золота. Далее подложка покрывается фоторезистом и электродный рисунок переносится с маски на подложку. При контактном воздействии ультрафиолета.

После проявки хром и золото вытравливаются, а фоторезист удаляется. Для того чтобы обеспечить хорошую адгезию, стекла предметных стекол должны быть очень чистыми. Обычно это делается с помощью подогретого раствора пираньи, который состоит из серной кислоты и перекиси водорода.

При работе с этим опасным сочетанием необходимо соблюдать большую осторожность. После очистки основания просыхают и готовы к осаждению металла. Этот этап выполняется в электронно-лучевом испарителе.

Стеклянные предметные стекла загружаются на держатель образца с помощью колпачка на ленте, который специально приспособлен для работы в условиях осаждения. Далее образцы загружаются в машину и вакуумируются. Процесс состоит из короткого двухминутного осаждения хрома и 30-минутного осаждения золота, что дает примерно 20 и 200 нанометров соответственно.

Когда образцы извлекаются, поверхность золота становится хорошо видна. Фотолитография начинается с нанесения покрытия фоторезистом с помощью машины для нанесения полимерных покрытий. Фоторезист наносится пипеткой на подложку, которая находится на патроне внутри машины.

Постоянный слой фоторезиста создается путем вращения стекла с определенной скоростью, что удаляет большую часть избыточного фоторезиста. За этим процессом следует мягкий запекание в течение двух минут при 100 градусах С. Это затвердевает фоторезист и подготавливает его к воздействию ультрафиолета. Затем фотошаблон соприкасается с нашей подложкой и подвергается воздействию ультрафиолетового света в течение примерно восьми секунд.

При этом рисунок будет перенесен на фоторезист. На этапе проявки удаляются все области фоторезиста, которые подвергались воздействию света. Этот процесс завершает этап фотолитографии и мы готовы к травлению золота и хрома.

Те участки на нашей подложке, которые были обнажены в процессе разработки, теперь свободны для травления. Фоторезист эффективно защищает остальную поверхность, но, как и на всех этапах, время травления следует тщательно контролировать. Здесь мы видим, как подложки помещаются в темноту, травление золотом на основе йода.

После промывки водой хром удаляется с помощью хромового травления. Обратите внимание на трансформацию, которая происходит, когда стекло снова становится прозрачным. После удаления хрома сравнение травленых и нетравленых подложек показывает результаты.

Быстрый осмотр под микроскопом показывает успешность процесса. Здесь мы видим успешно изготовленное устройство с выполненными электрическими соединениями. Рядом с ним находится канал PD DS с трубочными соединениями.

Когда канал PDMS помещается на устройство, с помощью стекла создается очень эффективная герметизация, и жидкость может протекать через канал. Делается это аккуратно с помощью щипцов. Поскольку отпечатки пальцев и пыль могут препятствовать хорошей адгезии, для обеспечения хорошего крепления можно использовать противоположные стороны щипцов. Наполнение.

Канал делается путем прикрепления шприца к одной стороне, помещения другой в полистирольную микросферную суспензию и применения щадящего отсасывания. После того, как он помещен в микроскоп и сфокусирован, осуществляются электрические соединения с генератором функций. После того, как образцы загружены, а соединения выполнены, устройства готовы к эксперименту.

Все экспериментальные видеоролики, которые мы покажем, состоят из введения в канал водной суспензии двухмикронных микронных микросфер полистирола и подачи сигнала на электроды. Первоначально частицы распределяются случайным образом и проявляют подрумянивающее движение. Когда один убийца, ее сигнал подается, частицы быстро выстраиваются по центру электрода.

Имейте в виду, поскольку мы используем поле переменного тока, мы не наблюдаем силу КИК. Это удивительное поведение связано с образующимися жидкостными узорами, а также с силами притяжения диэлектрофореза. По мере увеличения частоты частицы начинают распространяться по ширине электрода.

По мере того, как электроосмотическая скорость переменного тока уменьшается и диэлектрофорез начинает набирать силу на частоте 56 килогерц, частицы мигрируют к краю электрода. По мере того, как силы электроосмоса переменного тока ослабевают, и преобладает положительный диэлектрофорез. Как показано на этой диаграмме, это поведение продолжается при частоте 100 килогерц, и теперь частицы прочно укоренились на краю электората.

Когда частота увеличивается до 250 килогерц, частицы начинают выстраиваться поперек зазора, и так называемое поведение жемчужной цепи, вызванное взаимодействием частиц на частоте 500 килогерц, отталкивается от края электрода, поскольку преобладает отрицательный DEP. Это можно объяснить коэффициентом MoSo K clausius, который изменяется от положительного к отрицательному с увеличением частоты, вызывая переход от положительного диэлектрофореза к отрицательному диэлектрофорезу с частотой в один мегагерц. Отрицательный ДЭП близок к своему максимальному значению, и частицы левитируют над электродом.

Увеличение проводимости вызывает важное изменение фактора КМ. Как видите, положительного ДЭП больше нет, что кардинально меняет поведение частиц. Помните об этом, когда мы проходим через один и тот же частотный диапазон, когда применяем сигнальные частицы с частотой в один килогерц, вращающиеся вне плоскости вдоль края электрода.

Вид сверху, полученный микроскопом, показывает только боковое движение частиц, как показано на этой анимации. Этот вид, который показывает, как частицы движутся вперед и назад, скрывает истинное движение частиц при взгляде сбоку. Истинную природу их движения можно увидеть легче.

На самом деле они вращаются вокруг своей орбиты и не застревают в центре каждого электрода, как полагают, потому, что компонент DEP перевернут. По мере того, как частота продолжает увеличиваться, частицы начинают объединяться в сгустки, сохраняя при этом ту же орбитальную форму. Это слипание происходит из-за взаимодействия частиц

Считается, что происхождение этого взаимодействия связано с небольшими искажениями электрического поля, вызванными самими частицами. Искажения вокруг частиц создают силы DEP, которые притягивают соседние частицы. По мере того, как мы продолжаем увеличивать частоту, происходит резкое изменение примерно на частоте около 250 килогерц.

Частицы в значительной степени останавливают орбитальное движение и образуют еще одно проявление взаимодействия частиц с частицами. В конце концов, по мере того как частота становится еще выше. В этот момент отталкивание в один мегагерц из-за отрицательного ДЭП выталкивает частицы вверх и за пределы фокальной плоскости микроскопа.

Далее мы покажем тип литого электрода, работающего с низкой проводимостью. Конструкция этого электрода похожа на конструкцию последнего типа в том, что он имеет межпальцевую форму, но прямые пальцы были заменены на более сложную форму. При частоте в один килогерц сбор частиц происходит в центре пересечений и быстро формирует ромбовидную форму.

По мере увеличения частоты мы видим такое же распространение собранных частиц. По мере того, как электроосмос переменного тока начинает затухать и на его место приходит DEP, 56 килогерц заставляет частицы медленно мигрировать к краю электрода. Интересно, что почти все частицы перемещаются в одну сторону, что может быть связано с некоторым гидростатическим давлением.

Они передвигаются гораздо быстрее. При 100 килогерцах как генеральный директор исчез практически полностью. При частоте 250 килогерц частицы начинают формировать процепочки.

Отрицательный DEP, вызванный сдвигом до 500 килогерц, оттесняет частицы от края электрода. Увеличение частоты еще больше до одного мегагерца заставляет частицы двигаться вверх из фокальной плоскости, поскольку они еще больше отталкиваются отрицательным диэлектрофорезом. Далее мы покажем тип зубчатого электрода, работающий с высокой проводимостью.

Вращательная схема, создаваемая этим типом электрода, наиболее ярко проявляется во внутренних углах электродов, и именно туда частицы в конечном итоге мигрируют. Алмазная форма рубки, которую мы наблюдали ранее, здесь не существует, потому что при этой проводимости нет положительного диэлектрофореза. По мере увеличения частоты скорость жидкости медленно уменьшается

Поскольку силы электроосмоса переменного тока затухают на частоте 56 килогерц, движение происходит очень медленно, и в некоторых местах частицы начинают слипаться и образовывать жемчужные цепочки на частоте 100 килогерц. Жемчужные цепочки достаточно четкие. Медленно, по мере увеличения частоты, комки частиц сливаются и образуют X-образные формы в каждом из углов.

Наконец, при частоте в один мегагерц про-цепи преодолеваются отрицательным DEP, и частицы отталкиваются от поверхности. Показанная здесь четырехкратная конструкция создает область с низкой напряженностью электрического поля в центре электродной диаграммы и предназначена для использования отрицательного диэлектрофореза для фокусировки частиц. Когда мы прикладываем напряжение 10 вольт к электродам, мы видим резкую фокусировку частиц.

Мы немного ускорим время, чтобы увидеть, как выглядят частицы в равновесии. Если мы уменьшим напряжение до одного вольта, мы увидим, как сфокусированная область начинает расширяться. По мере того, как диэлектрофорез теряет почву под воздействием брауни и движения, увеличение напряжения снова заставляет частицы двигаться обратно к центру.

Как и четверная структура, потенциальная яма создает области с низким электрическим полем, чтобы улавливать частицы. Электроды расположены между собой, поэтому здесь можно наблюдать и другие эффекты, которые мы уже видели. Когда подаются сигналы, мы видим быстрое улавливание частиц благодаря генеральному директору и DEP.

Однако более интересным эффектом является то, что происходит в полых квадратах. По прошествии некоторого времени частицы здесь собираются из-за отрицательного диэлектрофореза. Мы также видим некоторое скопление по обе стороны от потенциальной ямы в форме треугольников.

Мы только что показали некоторые из многих интересных физических аспектов, лежащих в основе электрокинетики переменного тока, как изготавливать эти устройства и как интерпретировать экспериментальные результаты на основе численного моделирования и лежащей в их основе физики. Эти явления, связанные с движущимися частицами, довольно сложно понять без визуальных средств. Электрокинетические явления переменного тока могут быть использованы во многих областях исследований.

Например, сбор частиц для применения в биосенсорах, разделение частиц с различными свойствами, такими как размер и форма, для обработки образцов и активное смешивание для улучшения анализа. Мы надеемся, что это видео поможет ученым и инженерам использовать и изготавливать электрические кинетические устройства переменного тока, одну из самых важных и растущих областей сообщества лабораторий на чипах. Ну вот и все.

Спасибо за просмотр и удачи в ваших экспериментах.