Summary
Berigtigelse af ion transport veje er en effektiv metode til at generere en-directional ion-trukket electrohydrodynamic strømme. Ved at angive en ion-udveksling membran i en flow-kanal, en elektrisk polariseret betingelse er genereret og forårsager en flydende flow til at blive drevet når et elektrisk felt anvendes eksternt.
Abstract
At drive electrohydrodynamic (EHD) flyder i vandige opløsninger, adskillelse af kation og anion transport veje er vigtigt fordi en styret elektriske kroppen kraft skal være fremkaldt af Ioniske bevægelser i væske. På den anden side, positive og negative afgifter tiltrækker hinanden, og electroneutrality vedligeholdes overalt i ligevægtsforhold. En forøgelse af en anvendt spænding har desuden at være undertrykt for at undgå vand elektrolyse, som forårsager løsninger bliver ustabil. Normalt, kan EHD strømme være fremkaldt i ikke-vandige opløsninger ved at anvende ekstremt høje spændinger, som titusinder af kV, at injicere elektriske afgifter. I denne undersøgelse introduceres to metoder til at generere EHD strømme induceret af elektrisk ladning separationer i vandige opløsninger, hvor to flydende faser er adskilt af en ion-udveksling membran. På grund af en forskel i de Ioniske mobilitet i membranen induceret ion koncentration polarisering mellem begge sider af membranen. I denne undersøgelse vise vi to metoder. (i) en lempelse af ion koncentration forløb opstår via en flow-kanal, der trænger en ion-udveksling membran, hvor transport af den langsommere arter i membranen selektivt bliver dominerende i flow-kanal. Dette er en drivkraft for at generere en EHD flow i væsken. (ii) en lang ventetid til udbredelse af ioner passerer gennem ion-udveksling membran gør det muligt for generation af en ion-trukket strøm af eksternt anvender et elektrisk felt. Ioner koncentreret i en flow-kanal med en 1 x 1 mm2 tværsnit bestemme retningen af væskestrømmen, svarende til elektroforese transport veje. I begge metoder er den elektriske spændingsforskel kræves for en EHD flow generation drastisk reduceret til nær 2 V af rektifikation ion transport veje.
Introduction
For nylig, flydende flow kontrolteknikker har tiltrukket stor opmærksomhed på grund af interessen for anvendelser af mikro- og nanofluidic enheder1,2,3,4,5, 6 , 7 , 8 , 9 , 10 , 11 , 12 , 13 , 14 , 15. i polar løsninger, såsom vandige opløsninger og ioniske væsker, ioner og elektrisk ladede partikler som regel bringe om elektriske afgifter i flydende strømme. Transport af sådanne polariseret partikler giver en udvidelse af forskellige applikationer, som enkelt-molekyle manipulation6,10,11,13,14 , 15 , 16 , 17, ion diode enheder12,18, og flydende flow kontrol19,20,21,22. EHD strømmen har været et gældende fænomen for flydende flow kontrolsystemer siden Stuetzer1,2 opfundet ion træk pumpe. Melcher og Taylor3 udgivet en vigtig artikel, hvor den teoretiske ramme for EHD flow var godt gennemgået og nogle udestående eksperimenter blev også demonstreret. Saville4 og hans kolleger23,24 bidraget til den følgende vækst for EHD teknologier i væsker. Der var dog nogle begrænsninger at inducere flydende strømme drevet af elektriske kræfter, fordi snese kV skal anvendes i væsker til at injicere elektriske afgifter i ikke-polære løsninger, såsom olier, at polarisere dem1,2 , 3. Dette er en ulempe for vandige opløsninger, fordi vand elektrolyse, som er foranlediget af et elektrisk potentiale højere end 1,23 V ændrer Karakteristik af løsninger og gør løsningerne ustabil.
I mikro- og nanofluidic kanaler forårsage overfladeladninger af kanalen væggene koncentrationen af counterions, der effektivt inducerer elektroosmotisk strømme (EOFs) under eksternt anvendt elektriske felter25,26,27 ,28,29. Ved hjælp af EOFs, har nogle flydende pumpning teknikker været anvendt i vandige opløsninger, reducere elektriske spændinger30,31,32. På den anden side er EOFs begrænset til at blive genereret i mikro- og nanospaces, hvor overfladen områder bliver mere dominerende end flydende diskenheder. Desuden, afhængig af transport af stærkt koncentreret ioner meget nær vægflader, såsom i elektrisk dobbelt lag, slip grænsen kun forårsager den flydende flow, hvilket ikke måske er tilstrækkelig til at gøre presset gradienter7, 8 , 22 , 26 , 27. finjustering, såsom at kanal dimensioner og salt koncentrationer, der kræves for anvendelser af EOF. Derimod flyder EHD drevet af kroppen kræfter synes at være til rådighed til at transportere masserne og energier, hvis ansøgning spændinger kan reduceres for at undgå nedværdigende opløsningsmidler. For nylig, har nogle forskere foreslået programmer for EHD strømme med lave spændinger33,34,35,36. Selv om disse teknologier ikke er endnu blevet gennemført, forventes grænserne at udvide.
I tidligere undersøgelser, har vi også gennemført eksperimentelle og teoretiske arbejde på EHD strømme i vandige opløsninger37,38,39,40. Det var meningen, at berigtigelse af ion transport veje var effektiv til at generere elektrisk ladede løsninger, der forårsager elektriske organ styrker under elektriske felter. Ved hjælp af en ion-udveksling membran og en flow-kanal krydser membranen, kunne vi afhjælpe ionisk strømninger. Når du anvender en anion-udveksling membran, kationer koncentreret i strømmen kanal trukket opløsningsmidler og udviklet en EHD flow37,38,39. En forskel i mobilitet af ion arter var en vigtig faktor, når adskiller de kationiske- og anionbyttere strømninger. Ion-udveksling membraner arbejdede effektivt til at modulere mobilitet på grund af ion selektivitet. Ion transport fænomener blev også undersøgt fra synspunkt af Ioniske strømtæthed påvirket af anvendt elektriske felter41. Disse undersøgelser har været frugtbar for udviklingslandene manipulation teknikker til enkelt molekyler, nemlig mikro- og nanopartikler, hvis beslutningsforslag er stærkt påvirket af termisk udsving11,16,17 . EOFs og EHD strømme forventes at udvide række præcise flow kontrolmetoder samt presset gradienter.
I denne undersøgelse vise vi to metoder til at drive EHD strømme i vandige opløsninger. Først, en NaOH opløsningen anvendes til en arbejdsfluidet til at drive en EHD flow37,38,39. En anion-exchange membran adskiller væsken i to dele. En Polydimethylsiloxan (PDMS) flow kanaler med et tværsnit på 1 x 1 mm og en længde på 3 mm trænger membranen. Ved at anvende en elektrisk potentiale af 2.2 V, er elektroforese transport Na+, H+og OH− ioner induceret langs elektriske felter. En anion-exchange membran og en flow-kanal arbejde effektivt for at adskille den ion transport veje, hvor anioner overvejende passere gennem membranen og kationer koncentrere sig i flow-kanal, selv om begge arter normalt flyttes i modsatte retninger, vedligeholdelse af electroneutrality. Sådan en tilstand forårsager således ikke en drivkraft for flydende strømme. Denne struktur er afgørende for at generere en EHD flow hvis flow hastighed når størrelsesordenen 1 mm/s i kanalen fordi stærkt koncentreret kationer fremskyndet af ydre elektriske felter træk solvent molekyler. EHD strømme er observeret og registreret ved hjælp af et mikroskop og en højhastighedskamera, som vist i figur 1. For det andet en koncentration forskel mellem to flydende faser adskilt af en ion-udveksling membran forårsager en elektrisk polariseret betingelse skal genereres krydser en ion-udveksling membran40. I denne undersøgelse finder vi betydningen af en betydelig ventetid til Reagensglasset ion distributioner og en tilsvarende elektrisk potentiale, som forårsager at foretrække betingelser gælde for en krop styrke i en væske. Krydse ionbytning membran, er et svagt polariseret tilstand opnået. I en sådan tilstand, et eksternt anvendt elektrisk felt inducerer retningsbestemt ion transport, der genererer en krop styrke i en væske, og som følge heraf momentum overførsel fra ioner til opløsningsmidlet udvikler en EHD flow.
Som nævnt ovenfor, de nuværende enheder lykkes i drastisk faldende anvendt spændingsforskel til et par volt, og denne metode er derfor kan anvendes for vandige opløsninger, selv om de konventionelle elektriske ladning injektion metoder krævede snesevis af kV og er begrænset til en ansøgning om ikke-vandige opløsninger.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. EHD Flow induceret af rektificeret Ion Transport
- Udvikling af en flow-kanal, enhed til at rette op på ion transport veje
- Gøre en PTFE skimmel af reservoiret:
- Skære en 13 x 30 x 10 mm3 mug fra en polytetrafluorethylen (PTFE) blok ved hjælp af en fræser (Se figur 2). Alternativt kan du købe et specialfremstillet produkt.
- Overholde akryl plader af 15 x 18 x 1 mm3 i begge ender af PTFE formen med en plastik klæbestof, som vil gøre slidser i reservoir til at udligne de bias elektroder. Disse dele kan være skåret ud fra en stor tallerken eller købt.
- Overholde acrylplader 13 x 30 x 1 mm3 øverst og nederst overflader af PTFE skimmel med en plastik klæbestof til at plane overflader for klare observation.
- Bland en silikoneelastomer base og hærdning agent i forholdet 10:1 i en 50 mL tube og ryste røret ved håndkraft.
- Udligne den flydende PDMS i et vakuum fartøj og degas det ved hjælp af en roterende pumpe.
- Fjerne røret fra fartøjet. Hæld PDMS i en 40 x 50 x 24 mm3 plastik fartøj til at forme den ydre form af reservoiret og placere reservoir mold (Se trin 1.1.1) i det.
- Bage hele kroppen af flydende PDMS på en kogeplade på 80 ° C i ca 4 timer.
- Efter bages, isolere PDMS reservoir fra PTFE formen og det ydre fartøj i hånden. Foretage en slids hen over midten af reservoiret ved hjælp af en kirurgiske kniv. Dette vil blive brugt til at sætte kanterne af en anion-exchange membran (udarbejdet i trin 1.1.16) i det med pincet.
Bemærk: PDMS reservoir er fyldt med elektrolyt løsninger senere, som vist i figur 2. - Få glasplader (lavet af særlige orden) med en cirkulær figur 18 mm i diameter eller i et kvadrat med 18 mm kanter.
- Vaske glasplader af iblødsætning dem i acetone, ethanol og rent vand (i nævnte rækkefølge) i en ultralydbehandling bad i 15 min.
- Blæse enhver resterende væsker væk med en luftpistol eller varme glasplader med en kogeplade i 5 min på omkring 473 K.
- Ved hjælp af radio frekvens sputtering, pels glasoverflade med Cr eller Ti udsat for Ar plasma for 1 min på 75 W og successivt, deponere en Au tynd film i 5 min på 75 W, indstille tykkelsen på cirka 100 nm.
Bemærk: Før belægning glasoverflade med target metaller, prøverne blev sat i en vakuumkammer, der blev evakueret med en roterende pumpe og en molekylær diffusionspumpe indtil trykket faldt til 1 x 10−2 Pa. - Lodde en bly på Au elektrode overfladen med en loddekolbe.
NOTE: Figuren af Au elektrode kan eventuelt erstattes af firkanter og cylindriske ledninger, bevare overfladen områder store nok til at generere ionisk strømninger. - Med pincet, indstille glasplader overtrukket med en tynd film, Au i begge ender af reservoiret. Disse er bias elektroderne.
- Skær en anion-exchange membran i en rektangulær form af 20 x 18 mm2 ved hjælp af saks. Et areal på 13 mm i bredden og 10 mm i højden er udsat for en væske. Her, kan en kasse fræser eller kirurgiske kniv også blive brugt til at skære membranen.
- Skåret ud af et rektangulært stykke 3 x 5,5 mm2 fra kanten af membranen med en saks.
Bemærk: Tykkelsen af anion-exchange membran er 220 µm. Membranen er nemt skæres med en saks eller en kasse kutter. Kanterne af membranen er delvist fast med slidser i salen. - Størkne en PDMS blok med en rustfri stang med en 1 x 1 mm2 tværsnit i på samme måde som i trin 1.1.4 - 1.1.5, at skabe en flow-kanal, der trænger membranen. Forlade konstruktion natten over og derefter trække rustfrit stangen ud af PDMS blok.
- Skære PDMS blok med en firkantet flow kanal i en 3 x 6 x 4.5 mm brik (Se figur 2) ved hjælp af en kirurgiske kniv. Gør slidser langs de ydre kanter, så tillægger membran inden for firkantet udskæring.
Bemærk: Den øverste ansigt af kanalen har skal indstilles vandret for en klar konstatering af partikler i flow-kanal via en gennemsigtig væg.
- Gøre en PTFE skimmel af reservoiret:
- Forberedelse af løsninger og pretreatments for eksperimenter
- Forberede NaOH vandige opløsninger i koncentrationer på 1 x 101, 1 x 10−2og 1 x 10−3 mol/L ved fortynding af stamopløsningen.
- Gøre en dispersion af polystyren partikler af 2,93 µm i gennemsnit i diameter i hver af NaOH løsninger udarbejdet i trin 1.2.1 ved at koncentrationen til 4,2 x 10−3 vol %.
Bemærk: Størrelsen af tracer partikler kan ændres behørigt for at forbedre Observerbarhed. - Ultrasonicate den formaterede anion-exchange membran af 20 x 18 mm2 med en spalte 3 x 5,5 mm2 2 x til 10 min i rent vand ved en effekt på 100 W.
- Med pincet, indstille anion-exchange membran med PDMS flow kanal i PDMS reservoiret. Fyld beholderen med 4 mL NaOH opløsning ved hjælp af en mikropipette.
Bemærk: Membranen overflade og flow kanal er nedsænket i den løsning, hvor membranen overflade udsat til løsningen er mindst 100 x større end tværsnit af flow-kanal. - Anvende et elektrisk potentiale af 2.2 V ved hjælp af en DC strømforsyning i fremad- og bagudrettet retninger for 2 h i serien, til at forbedre ledningsevne af membran før observation.
- Træk Au elektroder ud med pincet. Fjerne løsningen fra reservoirerne ved hjælp af en mikropipette.
- Sæt nye Au elektroder i reservoirerne med pincet. Fylde reservoirerne med 4 mL NaOH opløsning ved hjælp af en mikropipette. Start observationer, når løsningen er ekvilibreres.
Bemærk: Det kan tage et par minutter af ventetiden indtil den naturlige konvektion afregner ned, som kan vurderes ved at observere opførslen af tracer partikler.
- Eksperimentel opsætning og måling systemer
- Angiv billedhastigheden og eksponeringstiden kamera, high-speed komplementær metal-oxid-semiconductor (CMOS) til 500 fps og 1 ms, henholdsvis.
Bemærk: Som vist i figur 1, eksperimentelle enheden er indstillet på scenen i et mikroskop, der er forbundet med et højhastigheds CMOS kamera til at optage partikel bevægelser. Visningen er forstørret i en 15 skærm med en 100 X linse. - Fjerne eventuelle bobler fra kanalen ved at indsætte spidsen af en mikropipette i kanal-enden til at skubbe eller trække ud af dem, før du anvender et elektrisk potentiale.
- Eksternt Anvend et elektrisk potentiale af 2.2 V Au bias elektroderne. Samtidig Overvåg de elektriske svar ved hjælp af en potentiostat eller en DC strømforsyning med en digital multimeter.
Bemærk: Spænding værdien bestemmes til at være den øvre grænse, undgå vand elektrolyse, der genererer O2 og H2 bobler i løsningen. - Optage opførsel af tracer partikler på computeren.
- Måle en elektrisk spændingsforskel mellem begge ender af flow-kanal ved hjælp af Au sonde elektroder og en digital multimeter til at bekræfte, at koncentration graduering af ioner udløser en EHD flow38,39.
- Fastslå oprindelsen af kartesisk koordinatsystem på midten af den engelske kanal.
Bemærk: x- akse er langs langsgående retning af flow-kanal, og y- og z-akser er i de vandrette og lodrette retninger i tværsnit af den engelske kanal, henholdsvis, som vist i figur 2. Gennemsigtig PDMS kanalen giver mulighed for flydende strømme til visualiseres langs x-aksen. Visningen er fokuseret på xy -plan på z = 0 ved at styre dybden af fokus. Flow-data er uafhængig af x i afsnittet test undtagen lige i nærheden af ind- og udløb af kanalen, og observationspunkt ligger på ca. 0,75 mm nedstrøms fra oprindelse, således at x = 0,75, y = 0 og z = 0 mm. - Efter en enkelt måling (15 s), kortslutte elektroderne ved at forbinde dem til hinanden med en bly i 20 min., indtil løsningen er ekvilibreres.
- Næste, flytte helhed af løsningen til et andet fartøj (f.eks, en 10 mL prøve flaske) og rør det med en mikropipette.
- Hæld opløsningen omrøres i salen igen med en mikropipette når iterativt udfører eksperimentet.
Bemærk: Efter observation, for EHD strømningshastighed er evalueret ved hjælp af den partikel billede Velocimetri (PIV) metode39, hvilket kan gøres ved hjælp af passende software til at spore fordrivelse af partikler og numerisk vurdere hastigheden. En detaljeret forklaring af PIV metoder og hvordan man bruger dem er udeladt her, fordi PIV analyser har været udbredt og procedurerne i beregninger afhænger software og operativsystem, der bruges.
- Angiv billedhastigheden og eksponeringstiden kamera, high-speed komplementær metal-oxid-semiconductor (CMOS) til 500 fps og 1 ms, henholdsvis.
2. observation af kation-induceret EHD strømme
-
Udvikling af eksperimentel enhed
- Danne Au bias elektroder med 26 x 10 mm2 overflade på den nederste glasplade efter procedurer svarende til dem, der tidligere er beskrevet i trin 1.1.5 - 1.1.7.
- Ved hjælp af radio frekvens sputtering, pels en glasoverflade med Cr eller Ti udsat for Ar plasma for 2 min på 75 W og deponere en Au tynd film i 5 min på 75 W.
Bemærk: Denne form af elektrode er fastlagt for at stærkt koncentrere elektriske felter i regionen smalleste kanal. Forholdet mellem elektrode overflade, hvis område af 10 x 10 mm2 er udsat for en væske, at tværsnit af kanalen er ideelt 100: 1; Dette forhold er forudsagt til at være tilstrækkelig til at droppe den elektriske potentiale på kanalen af en stor mængde16. - Lodde en bly linje på en kant af elektroderne ved hjælp af en loddekolbe.
- Fra en stor silikone gummi ark, skåret ud 2 kamre, hver lavet af en 1 x 1 x 1 mm3 flow kanal placeret mellem to 10 x 10 x 1 mm3 reservoirer, ved hjælp af en kirurgiske kniv (Se figur 3). Disse dele kan erstattes af PDMS.
- Skåret ud en kationbytter membran med en gennemsnitlig tykkelse på 127 µm til 20 x 30 mm bruger en kasse kutter eller kirurgiske kniv, som vist i figur 3.
- Ultrasonicate hver del i rent vand i 15 min. ved at anvende 100 W.
- Indsæt en kationbytter membran mellem afdelingerne med pincet, som vist i figur 3. Dette vil adskille 2 elektrolyt opløsninger med forskellige koncentrationer.
- Tryk på og forsegle kamre og kationbytter membran med glasplader, hvis dimensioner er 26 mm i bredden og 38 mm lang stak.
-
Forberedelse af løsninger
- Forberede en dispersion af polystyren partikler af en gennemsnitlig diameter på 1,01 µm i en 1 x 10−2 mol/L tris (hydroxymethyl) aminomethane ethylendiamintetra syre (Tris-EDTA) stødpudeopløsning, hvor volumen-forholdet er justeret til 1 x 10−2 vol %.
- Forbered en blanding af 1 mol/L KCl og 1 x 10−2 mol/L af Tris-EDTA.
- Injicere Tris-EDTA/polystyren partikel og Tris-EDTA/KCl løsninger i de nedre og øvre kamre, henholdsvis, via sprøjte nåle indsættes fra sidevæggene af afdelingerne.
Bemærk: Mængden af de løsninger, der indsprøjtes i hver afdeling er omkring 210 µL. - Afvente omkring 18 h, indtil løsningen er ekvilibreres som følge af en diffusion af ioner slappe af ion koncentration forskellen mellem de øvre og nedre lag.
Bemærk: I forbindelse med diffusion, K+ i den øverste løsning og H+ i membranen forventes at trænge igennem membranen først, og Cl− forventes at følge dem.
-
Eksperimentel opsætning og måling systemer
- Indstil eksperimentelle enheden udviklet i trin 2.1 på scenen i den omvendte mikroskop i hånden, som vist i figur 3. Tilslut mikroskop til et high-speed CMOS kamera til at overvåge baner af partikel bevægelser og optage observation data på en computer.
- Anvende en elektrisk spændingsforskel på 2 V for 6 s mellem de to elektroder ved hjælp af en funktionsgenerator som en strømkilde.
- For at bekræfte, at EHD strømme er induceret af ion transport, måle de ioniske strøm samtidig ved hjælp af et amperemeter40.
- Analysere de optagede baner af partikler af partiklen tracking Velocimetri (PTV) metode39.
Bemærk: Efter bemærkningerne, for EHD strømningshastighed er evalueret af PTV metode, som er muligt ved hjælp af passende software, til at spore fordrivelse af partikler og numerisk vurdere hastigheden. En detaljeret forklaring af PTV metoder og hvordan man bruger dem er udeladt her, fordi PTV analyser har været udbredt og procedurerne i beregningerne afhænger software og operativsystem, der bruges.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Figur 4 (video figur) præsenterer et repræsentativt resultat af en EHD flow generation, som følge af berigtigelse af ion transport veje og stærkt koncentreret kationer, som inducerede en flydende flow i den engelske kanal, efter trin 1 i protokollen. Figur 5 viser et resultat af PIV analyse, hvor 20 datapunkter nær midten af den engelske kanal (y = z = 0 mm) var i gennemsnit. I forbindelse med 1 x 101 mol/L NaOH løsning, når et elektrisk potentiale af 2.2 V blev anvendt i t = 5 s, hastigheden af tracer partikler hurtigt steg til en topværdi. Efter at hastigheden faldt og konvergeret til 0. Den højeste hastighed opnået en i nærheden af 2 mm/s. Dette er et typisk resultat af en EHD flow genereret ved hjælp af en anion-exchange membran og en 1 x 101 mol/L NaOH løsning.
Det blev også bekræftet, at elektroforese transport hastigheden af tracer partikler var meget lavere end peak hastighed af den flydende strøm i 1 x 101 mol/L NaOH opløsning38,39. Som omtalt i litteratur39, anses denne form for EHD flow for at bestå af tilbageførte flyder trukket af OH− passerer gennem membranen og Na+ og H+ koncentreret i flow-kanal for at kompensere for anion transport i membranen. Da koncentrationen faldt, tendens transport adfærd til at blive langsommere. Det betyder, at varigheden-indtil hastigheden nåede et højdepunkt- og henfald tid syntes at være længere, faldende spidsværdien af hastigheden. Dette resultat er angivet, at antallet af ioner hvis bevægelse var drevet af elektriske kræfter faldet, og derfor den elektriske kroppen kraft i væsken blev også reduceret.
En vigtig bemærkning er, at kontinuerlig ionisk strømninger udbedret af ion selektiv grænseflader forårsaget solvent molekyler bliver trukket i én retning og dette forårsaget en flydende flow til at udvikle. I dette tilfælde er der mulighed for at den flydende flow blev forstærket af ion koncentration polarisering krydser den anion-udveksling membran, der udløste den reverse flow i kanalen. Dette punkt blev allerede nævnt i en tidligere undersøgelse39. Det var meningen, at AC felter var også effektivt at styre flydende strømme med jævne mellemrum skiftende retninger. Den nuværende EHD flow var begrænset til forbigående reaktioner på grund af det begrænsede antal Na+ ioner; denne situation var ikke bidrager til at opretholde en stabil kationiske aktuel, selvom den anvendte spænding på 2,2 V var nok til at fremkalde elektrolyse af vand. For at generere konstant EHD strømme, foreslår vi, at trække solvent molekyler med ion arter, der er det dominerende luftfartsselskab af de ioniske strøm. Yderligere detaljer vil blive kontrolleret i vores fremtidige arbejde. Her, indførte vi et repræsentativt resultat af en EHD flow, der kunne være fremkaldt i NaOH løsninger af rektifikation ion transport veje. Detaljer om koncentration afhængighed og elektrisk potentiale forskelle er også drøftet af Rune, Doi og Kawano37,38 og Rune, Shirai, Imoto, Doi og Kawano39.
Figur 6 (video figur) viser et repræsentativt resultat for EHD strømmen genereres i en elektrisk polariseret løsning på Ioniske nuværende betingelser. Velocity svar for EHD flow blev også analyseret af sporing tracer partikler, som vist i figur 7, som var et typisk resultat opnået ved at spore en enkelt partikel nær centrum af flow-kanal. Når et elektrisk potentiale af 2 V blev anvendt fra t = 2 til 8 s, polystyren partikler reagerede på feltet Udlignet elektrisk. På t = 2 s, partikel hurtigt omplantes i de tilbagestående retning, svarende til elektroforese transport af negative afgifter. Efter en kort tid reaktion blev strømmen skiftede til den fremadgående retning og hastighed støt på 30 µm/s indtil den elektriske potentiale var slukket.
I denne periode flyttet de negativt ladede polystyren partikler i retning af transport af de positive afgifter. Generelt, kunne retningen ikke vendes spontant under ét-directional elektrisk felt, selvom den overflade afgift af partiklerne var fuldt afskærmet af counter kationer. Denne følge angivet således, at kationer spredt i løsningen også electrophoretically blev transporteret langs elektriske felter, du trækker solvent molekyler, der gradvist udviklet et flydende flow. Negative afgifter koncentreret stærkt på partikel overfladen forårsaget en elektrisk kraft stærkere end af kationer fordelt i opløsningen og således for det første kørte transport i negativ retning. Efter at steg en flydende flow trukket af de kationiske nuværende en kraft på partiklen. I denne ordning, blev velocity gradienter konstaterede langs y-akse vinkelret på flowretning, og dermed en flydende flow generation var faktisk bekræftet.
Opførsel af polystyren partikler påvirket af EHD strømme blev også vurderet i en tidligere undersøgelse, og det konstateredes, at hastigheden for EHD strømmen proportionalt steg med en stigende ioniske strøm. En ventetid på over 18 h før du anvender en ekstern elektrisk felt er den vigtigste faktor for at fremkalde en konstant EHD flow, fordi det tager så lang tid for ion-distributioner at være ekvilibreres da de er næsten ensartet i kanalen. Poiseuille-lignende flow mønstre overholdes som et resultat, støt. På den anden side kunne vi ikke bekræfte en lind strøm, når ventetiden ikke var tilstrækkelig til at opnå ensartede ion distributioner.
Efter at have observeret en konstant hastighed, den elektriske potentiale var slukket på t = 8 s. Her, for hurtigt at ændre den elektriske spændingsforskel fra 2 til 0 V, kan afskærmet elektroderne kræve en overdreven anvendelse af elektriske potentiale til at gøre både elektrode overflader tilsvarende. I denne proces modtage ioner stærkt koncentreret nær elektrode overflader frastødende elektriske kræfter, der resulterer i vendt ioniske strøm. Især, blev den kationiske aktuelle, der var dominerende i det nederste lag forårsaget en flydende flow skal genereres, og en forbigående reaktion i retningen bagud faktisk observeret i det eksperimentelle resultat, som umiddelbart syntes når den elektriske potentiale var slukket og konvergeret til 0 µm/s. Sådanne processer i EHD flow generation var typisk i dette eksperiment. Ved siden af den stadige EHD strøm, de omvendte strømme observeret, når tænde det elektriske potentiale og off er også interessant. I de forbigående reaktioner forårsage elektrokemiske reaktioner på elektrode overflader muligvis drastiske ion koncentration gradienter, der inducerer diffusion potentielle samt eksternt anvendt elektriske potentialer. Sådan kompliceret ion transport fænomener endnu ikke er afklaret nok, og derfor er emner, der skal løses i fremtidige arbejde.
Mekanismer for EHD flow generation præsenteres skematisk i figur 8. En EHD flow induceret i NaOH løsninger er vist i figur 8en, svarende til tilfælde af figur 4. For EHD strømmen trukket af Na+ i kanalen er udløst af transport af OH− i en anion-exchange membran. Usikker strømmen er forårsaget af spredning på grund af masse flux dæmpning, momentum flux dæmpning, flade mobilitet og electrowetting af elektrode overflader. En anden mekanisme for EHD flow induceret under kationiske nuværende betingelser, som er mere dominerende end anioniske, er repræsenteret i figur 8b. K+ ioner trænge først en kationbytter membran, forårsager kation-dominerende betingelser, og som følge heraf EHD flow er induceret langs den kationiske aktuelle.
Som beskrevet ovenfor, er opretholde elektrisk polariseret betingelser under Ioniske nuværende betingelser ved at reducere anvendelsen af de elektriske potentialer nøglen til at generere stabile EHD strømme. Ved hjælp af de nuværende metoder, et par volt kan være tilstrækkelig til at fremkalde EHD flyder i vandige opløsninger, selvom vand elektrolyse er nødvendige for at opretholde konstant ionisk strømninger for at øge momentum overførsel fra elektrolyt ioner til solvent molekyler.
Figur 1 : Fotografi af eksperimentel opsætning for EHD flow observation. Beslutningsforslag af tracer partikler er spores ved et mikroskop, der er tilsluttet et højhastighedskamera, optagelse af baner i controlleren. Elektriske potentialer anvendes ved hjælp af en potentiostat eller en DC elektrisk kraft kilde. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 2 : Skematisk illustration af en eksperimentel enhed. En flow-kanal lavet af PDMS er fastsat i en anion-exchange membran og fyldt med en vandig NaOH-opløsning. AU elektroder er placeret i begge ender af løsningen. Oprindelsen af koordinaten ligger på midten af firkantet flow-kanal og en bemærkning område i et xy -plan nær x = 0,75 og z = 0 mm. venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 3 : Fotografi af eksperimentel opsætning og skematisk diagram af en enhed til at fremkalde en kation-trukket EHD flow i en elektrisk polariseret løsning. En 1 mol/L KCl og 1 x 10−2 mol/L Tris-EDTA stødpudeopløsning og en 1 x 10−2 vol % polystyren (PSt) partikel spredning i en 1 x 10−2 mol/L Tris-EDTA stødpudeopløsning er adskilt med en kationbytter membran, hvor den gennemsnitlige diameter af PSt partikler er 1,01 µm. venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 4 (video figur): en film for EHD flow drevet af transport af Na+ ioner koncentreret i flow kanal. Tracer partikler transporteres langs retning af det elektriske felt, når et elektrisk potentiale af 2.2 V anvendes ved t = 5 s. negativt ladede polystyren partikler er bragt til katoden side i en EHD flow drevet af kationiske strømmen i kanal. I tilfælde af en 1 x 101 mol/L NaOH opløsning nås en top hastighed nær 2 mm/s hurtigt efter anvender et elektrisk potentiale, og hastigheden successivt henfalder til nul. Venligst klik her for at se denne video. (Højreklik for at hente.)
Figur 5 : Svar for EHD flow observeret i flow-kanal, der følger af PIV analyse for de optagede film af Figur 4. Velocity svar (blå streg) blev opnået ved gennemsnittet af 20 point nær midten af den engelske kanal (y = z = 0 mm). Hastigheden øges hurtigt efter anvender en elektrisk spænding på 2,2 V på 5 s og gradvist konvergerer mod 0 mm/s. Sekvens af den anvendte spænding er også vist med en rød stiplet linje. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 6 (video figur): en film for EHD flow observeret i en elektrisk polariseret løsning, adskille en 1 mol/L KCl løsning og polystyren spredning ved hjælp af en kationbytter membran. Anvende et elektrisk potentiale af 2 V fra t = 2 til 8 s, transport af tracer partikler afspejler en EHD flow drevet af en kationiske strøm. En konstant strømningshastighed når 30 µm/s under anvendelsen af potentialet. Desuden reagere partiklerne også kort i den negative retning når den elektriske potentiale er tændt og slukket fordi den elektriske ladning af en partikel for det første påvirker bevægelse. Venligst klik her for at se denne video. (Højreklik for at hente.)
Figur 7 : Svar for EHD flow observeret i kanalen, der følger af PTV analyse for den optagede film i figur 6. Velocity svar (blå streg) blev opnået ved at spore en enkelt partikel nær midten af den engelske kanal. Sekvens af den anvendte spænding er også vist med en rød stiplet linje. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 8 : Skema for EHD flow generation mekanismer svarende til tallene 4 og 5 (panel en) og 6 og 7 (panel b). (en) flydende strømme er induceret i en NaOH vandig oploesning, der er adskilt med en anion-udveksling membran, hvor EOF induceret af en OH− transport i membranen udløser en strøm, trukket af en Na+ transport i kanalen og er delvis spredes med masse flux dæmpning, momentum flux dæmpning, flade mobilitet og electrowetting af elektrode overflader. (b) de kationiske nuværende er mere dominerende end den anioniske aktuelle fordi K+ først og fremmest trænger en kationbytter membran, som bidrager til en flydende flow trukket af kationer under konstant nuværende vilkår, der indebærer vand elektrolyse. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Formålet med denne undersøgelse var at adskille kationer og anioner i vandige opløsninger med hensyn til rumlige distributioner og transporttal. Ved hjælp af en anion-udveksling membran, kunne transport af anioner og kationer blive udbedret i membranen og en flow-kanal, der trænger membran, henholdsvis. Alternativt, en kationbytter membran, der skilte høj og lav koncentration løsninger arbejdede hen til frembringe elektrisk polariseret løsninger efter en betydelig ventetid. Som følge heraf rektificeret ionisk strømninger lykkedes at reducere de anvendte spænding for at fremkalde ion-trukket EHD strømme.
De metoder, der præsenteres her er tilgængelige for vandige opløsninger med lav ansøgning spændinger i forhold til konventionelle metoder, der kræver meget høje spændinger snesevis af kV at tilføre upolære løsninger elektriske afgifter. Det blev præciseret, at EHD strømme er effektive i vandige opløsninger samt ikke-polære løsninger.
De nuværende metoder afhænger dog vand elektrolyse at opretholde konstant ionisk strømninger som den ideelle muligheder for vand elektrolyse er kendt for at være 1,23 V. Således er der en begrænsning på den anvendte spænding til at undgå at generere O2 og H2 bobler, der ændre egenskaberne i en væske. For at overvinde denne begrænsning, har materialer af elektroderne og elektrolytten løsninger skal fastlægges passende at fastsætte elektrokemiske reaktioner på elektrode overflader til at generere ionisk strømninger i løsningerne. Ved enhver retssag, elektrode overflader poleret og blottede for at gøre en stærk elektrisk felt i opløsningen, øge de elektrokemiske reaktioner.
I denne undersøgelse, blev anvendelse af ionbyttende membraner foreslået at rette op på transport veje af ion arter. På den anden side syntes effektiviteten for EHD flow generation at afhænge af evnen til membraner. Som omtalt i protokollen, tager udbredelse af ioner lang ventetid indtil den bliver stabil. Forbehandl at øge ledningsevne af membraner er derfor afgørende for at forbedre effektiviteten for EHD flow generation. Når vedligeholdelse ionisk nuværende betingelser i eksternt anvendt elektriske felter, egenskaber for transport af ioner er forbedret, og elektrisk polariseret betingelser opfyldes effektivt.
I fremtiden forventes EHD strømme af vandige opløsninger skal gælde for flydende flow kontrolsystemer i mikro- og nanofluidic enheder kombineret med EOFs og lignende. Derudover er ansøgninger om medicinsk udstyr, i hvilke ion transport har en vigtig rolle at stimulere biologiske celler og signal transduktion, også udfordrende.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Forfatterne har ikke noget at oplyse.
Acknowledgments
Forfatterne har ingen anerkendelser.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Sylgard 184 | Dow Corning Corp. | 3097366-0516, 3097358-1004 | PDMS |
| Acetone | Wako Pure Chemical Industries, Ltd. | 012-00343 | |
| Ethanol | Wako Pure Chemical Industries, Ltd. | 054-00461 | |
| 0.1 mol/L Sodium Hydroxide Solution | Wako Pure Chemical Industries, Ltd. | 196-02195 | |
| Pottasium Chloride | Wako Pure Chemical Industries, Ltd. | 163-03545 | |
| Tris-EDTA buffer 100x concentrate | Sigma-Aldrich Co. LLC. | T9285-10014L | |
| 2.93 μm polystyrene particle | Merck KGaA | L300 Rouge | Tracer particle |
| 1.01 μm polystyrene particle | Merck KGaA | K100(23716) | Tracer particle |
| Anion exchange membrane | ASTOM Corp. | Neosepta AHA | |
| Gold (Au) | Furuuchi Chemical Corp. | AUT-13301X | Sputtering target metal |
| Titanium | Furuuchi Chemical Corp. | TIT-72301X | Sputtering target metal |
| Chromium | Furuuchi Chemical Corp. | CRT-24301X | Sputtering target metal |
| Hight-speed CMOS camera | Keyence Corp. | VW-600M | |
| Microscope | Keyence Corp. | VW-9000 | |
| Data logger | Keyence Corp. | NR-500, NR-HA08 | |
| Laser displacement meter | Keyence Corp. | LK-G5000, LK-H008W | |
| PIV and PTV software | DITECT Co. Ltd. | Flownizer 2D | |
| Potentiostat | AMTEK Inc. | VersaSTAT4 | |
| Inverted microscope | Olympus Corp. | IX73 | |
| High-speed CMOS camera | Andor Technology Ltd. | Zyla 5.5 sCMOS | |
| Function generator | NF Corp. | WF1945B | |
| Function generator | NF Corp. | WF1973 | |
| Ultrasonic cleaner | AS ONE Corp. | AS22GTU | |
| Rotary pump | ULVAC, Inc. | G-100S | Degas liquid PDMS |
| Rotary pump | ULVAC, Inc. | GLD-201A | Sputtering |
| Molecular diffusion pump | ULVAC, Inc. | VPC-400 | Sputtering |
References
- Stuetzer, O. M. Ion drag pressure generation. Journal of Applied Physics. 30, 984-994 (1959).
- Stuetzer, O. M. Ion drag pumps. Journal of Applied Physics. 31, 136-146 (1960).
- Melcher, J. R., Taylor, G. I. Electrohydrodynamics: A review of the role of interfacial shear stresses. Annual Review of Fluid Mechanics. 1, 111-146 (1969).
- Saville, D. A. Electrohydrodynamics: The Taylor-Melcher leaky dielectric model. Annual Review of Fluid Mechanics. 29, 27-64 (1997).
- Stein, D., Kruithof, M., Dekker, C. Surface-charge-governed ion transport in nanofluidic channels. Physical Review Letters. 93, 035901 (2004).
- Dekker, C. Solid-state nanopores. Nature Nanotechnology. 2, 209-215 (2007).
- Schoch, R. B., Han, J., Renaud, P. Transport phenomena in nanofluidics. Reviews of Modern Physics. 80, 839-883 (2008).
- Iverson, B. D., Garimella, S. V. Recent advances in microscale pumping technologies: A review and evaluation. Microfluidics and Nanofluidics. 5, 145-174 (2008).
- Sparreboom, W., van den Berg, A., Eijkel, J. C. T. Principles and applications of nanofluidic transport. Nature Nanotechnology. 4, 713-720 (2009).
- Venkatesan, B. M., Bashir, R. Nanopore sensors for nucleic acid analysis. Nature Nanotechnology. 6, 615-624 (2011).
- Uehara, S., Shintaku, H., Kawano, S. Electrokinetic flow dynamics of weakly aggregated λDNA confined in nanochannels. Journal of Fluids Engineering. 133, 121203 (2011).
- Guan, W., Reed, M. A. Electric field modulation of the membrane potential in solid-state ion channels. Nano Letters. 12, 6441-6447 (2012).
- Yasui, T., et al. DNA manipulation and separation in sublithographic-scale nanowire array. ACS Nano. 7, 3029-3035 (2013).
- Ren, Y., et al. Particle rotational trapping on a floating electrode by rotating induced-charge electroosmosis. Biomicrofluidics. 10, 054103 (2016).
- Ren, Y., et al. Flexible particle flow-focusing in microchannel driven by droplet-directed induced-charge electroosmosis. ELECTROPHORESIS. 39, 597-607 (2018).
- Qian, W., Doi, K., Uehara, S., Morita, K., Kawano, S. Theoretical study of the transpore velocity control of single-stranded DNA. International Journal of Molecular Sciences. 15, 13817-13832 (2014).
- Qian, W., Doi, K., Kawano, S. Effect of polymer length and salt concentration on the transport of ssDNA in nanofluidic channels. Biophysical Journal. 112, 838-849 (2017).
- Liu, W., et al. A universal design of field-effect-tunable microfluidic ion diode based on a gating cation-exchange nanoporous membrane. Physics of Fluids. 29, 112001 (2017).
- Liu, W., et al. Control of two-phase flow in microfluidics using out-of-phase electroconvective streaming. Physics of Fluids. 29, 112002 (2017).
- Osman, O. O., Shintaku, H., Kawano, S. Development of micro-vibrating flow pumps using MEMS technologies. Microfluidics and Nanofluidics. 13, 703-713 (2012).
- Osman, O. O., Shirai, A., Kawano, S. A numerical study on the performance of micro-vibrating flow pumps using the immersed boundary method. Microfluidics and Nanofluidics. 19, 595-608 (2015).
- Daiguji, H. Ion transport in nanofluidic channels. Chemical Society Reviews Home. 39, 901-911 (2010).
- Ristenpart, W. D., Aksay, I. A., Saville, D. A. Assembly of colloidal aggregates by electrohydrodynamic flow: Kinetic experiments and scaling analysis. Physical Review E. 69, 021405 (2004).
- Ristenpart, W. D., Aksay, I. A., Saville, D. A. Electrohydrodynamic flow around a colloidal particle near an electrode with an oscillating potential. Journal of Fluid Mechanics. 575, 83-109 (2007).
- Schoch, R. B., Hann, J., Renaud, P. Effect of the surface charge on ion transport through nanoslits. Physics of Fluids. 17, 100604 (2005).
- Ross, D., Johnson, T. J., Locascio, L. E. Imaging of electroosmotic flow in plastic microchannels. Analytical Chemistry. 73, 2509-2515 (2001).
- Hsieh, S. -S., Lin, H. -C., Lin, C. -Y. Electroosmotic flow velocity measurements in a square microchannel. Colloid and Polymer Science. 284, 1275-1286 (2006).
- Rubinstein, I., Zaltzman, B. Electro-osmotically induced convection at a permselective membrane. Physical Review E. 62, 2238-2251 (2000).
- Bard, A. J., Faulkner, L. R. Electrochemical methods, 2nd ed. , John Wiley & Sons. Danvers, MA. 362-363 (2001).
- Brask, A., Goranović, G., Jensen, M. J., Bruus, H. A novel electro-osmotic pump design for nonconducting liquids: theoretical analysis of flow rate-pressure characteristics and stability. Journal of Micromechanics and Microengineering. 15, 883-891 (2005).
- Takamura, Y., et al. Low-voltage electroosmosis pump for stand-alone microfluidics devices. Electrophoresis. 24, 185-192 (2003).
- Zeng, S., Chen, C. -H., Mikkelsen, J. C., Santiago, J. G. Fabrication and characterization of electroosmotic micropumps. Sensors and Actuators B: Chemical. 79, 107-114 (2001).
- Bhaumik, S. K., Roy, R., Chakraborty, S., DasGupta, S. Low-voltage electrohydrodynamic micropumping of emulsions. Sensors and Actuators B: Chemical. 193, 288-293 (2014).
- El Moctar, A. O., Aubry, N., Batton, J. Electro-hydrodynamic micro-fluidic mixer. Lab on a Chip. 3, 273-280 (2003).
- Bart, S. F., Tavrow, L. S., Mehregany, M., Lang, J. H. Microfabricated electrohydrodynamic pumps. Sensors and Actuators A: Physical. 21, 193-197 (1990).
- Ashikhmin, I. A., Stishkov, Y. K. Effect of insulating walls on the structure of electrodynamic flows in a channel. Technical Physics. 57, 1181-1187 (2012).
- Yano, A., Doi, K., Kawano, S. Observation of electrohydrodynamic flow through a pore in ion-exchange membrane. International Journal of Chemical Engineering and Applications. 6, 254-257 (2015).
- Doi, K., Yano, A., Kawano, S. Electrohydrodynamic flow through a 1 mm2 cross-section pore placed in an ion-exchange membrane. The Journal of Physical Chemistry B. 119, 228-237 (2015).
- Yano, A., Shirai, H., Imoto, M., Doi, K., Kawano, S. Concentration dependence of cation-induced electrohydrodynamic flow passing through an anion exchange membrane. Japanese Journal of Applied Physics. 56, 097201 (2017).
- Nagura, R., Doi, K., Kawano, S. Characterisation of microparticle transport driven by ionic current conditions in electrically polarized aqueous solutions. Micro & Nano Letters. 12, 526-531 (2017).
- Doi, K., et al. Nonequilibrium ionic response of biased mechanically controllable break junction (MCBJ) electrodes. The Journal of Physical Chemistry C. 118, 3758-3765 (2014).
