Summary
La rettifica delle vie di trasporto di ioni è un metodo efficace per generare flussi unidirezionale dello ione-trascinato idrodinamiche. Impostando una membrana di scambio ionico in un canale di flusso, una condizione polarizzata elettricamente viene generata e provoca un flusso liquido essere guidato quando un campo elettrico viene applicato esternamente.
Abstract
A guidare idrodinamiche (EHD) scorre in soluzioni acquose, la separazione delle vie di trasporto di cationi e anioni è essenziale perché una forza di corpo elettrico diretto deve essere indotto da movimenti ionici in liquido. D'altra parte, cariche positive e negative si attraggono, ed elettroneutralità è mantenuto ovunque in condizioni di equilibrio. Inoltre, un aumento in una tensione applicata deve essere soppressa per evitare l'elettrolisi dell'acqua, che provoca le soluzioni per diventare instabile. Di solito, EHD flussi possono essere indotta in soluzioni non-acquose applicando tensioni estremamente elevate, come decine di kV, per iniettare cariche elettriche. In questo studio, vengono presentati due metodi per generare flussi EHD indotti da separazioni di carica elettrica in soluzioni acquose, dove due fasi liquide sono separati da una membrana di scambio ionico. A causa di una differenza nella mobilità ionica nella membrana, polarizzazione di concentrazione di ioni è indotto tra entrambi i lati della membrana. In questo studio, dimostriamo due metodi. (i) il rilassamento di gradienti di concentrazione di ioni si verifica tramite un canale di flusso che penetra una membrana di scambio ionico, dove il trasporto della specie più lento nella membrana selettivamente diventa dominante nel canale di flusso. Questa è una forza trainante per generare un flusso EHD nel liquido. (ii) un lungo tempo di attesa per la diffusione di ioni passando attraverso la membrana di scambio ionico consente la generazione di un flusso di ioni-trascinato da esternamente applicando un campo elettrico. Gli ioni concentrati in un canale di flusso di una sezione trasversale di 1 x 1 mm2 determinano la direzione del flusso del liquido, corrispondente per le vie di trasporto elettroforetica. In entrambi i metodi, la differenza di tensione elettrica necessaria per una generazione di flusso EHD viene drasticamente ridotta per vicino a 2 V di rettificare le vie di trasporto dello ione.
Introduction
Recentemente, tecniche di controllo di flusso del liquido hanno attirato molta attenzione a causa di interesse per le applicazioni di micro - e nanofluidiche dispositivi1,2,3,4,5, 6 , 7 , 8 , 9 , 10 , 11 , 12 , 13 , 14 , 15. nelle soluzioni polari, quali soluzioni acquose e liquidi ionici, particelle cariche elettricamente e ioni di solito portare cariche elettriche nei flussi di liquidi. Il trasporto di tali particelle polarizzate fornisce un'espansione di varie applicazioni, come singola molecola manipolazione6,10,11,13,14 , 15 , 16 , 17, ion diodo dispositivi12,18e flusso di liquido di controllo19,20,21,22. Flusso EHD è stato un fenomeno applicabile per sistemi di controllo di flusso del liquido, poiché Stuetzer1,2 ha inventato la pompa di trascinamento dello ione. Melcher e Taylor3 ha pubblicato un articolo importante in cui il quadro teorico del flusso EHD era ben recensito e alcuni esperimenti eccezionali inoltre sono stati dimostrati. Saville4 e sue colleghe23,24 contribuito all'espansione seguente delle tecnologie EHD in liquidi. Tuttavia, c'erano alcune limitazioni per indurre il liquido scorre guidati da forze elettriche, perché decine di kV devono essere applicate in liquidi per iniettare cariche elettriche nelle soluzioni non-polari, quali oli, polarizzare li1,2 , 3. questo è uno svantaggio per soluzioni acquose, poiché l'elettrolisi di acqua che è indotta da un potenziale elettrico superiore a 1.23 V cambia le caratteristiche delle soluzioni e rende le soluzioni instabili.
Nei canali micro - e nanofluidiche, cariche di superficie delle pareti del canale causano la concentrazione di controioni che inducono in modo efficace il flusso elettroosmotico (EOFs) sotto campi elettrici applicati esternamente25,26,27 ,28,29. Utilizzando EOFs, alcune tecniche di pompaggio liquidi sono stati applicati in soluzioni acquose, riducendo la tensione elettrica30,31,32. D'altra parte, EOFs sono limitati a essere generata in micro - e nanospaces in cui le superfici diventano più dominante di volumi liquidi. Inoltre, a seconda del trasporto degli ioni altamente concentrati molto vicino le superfici della parete, come ad esempio in doppio strato elettrico, il limite di slittamento causa soltanto il flusso di liquido, che potrebbe non essere sufficiente per fare pressione pendenze7, 8 , 22 , 26 , 27. fine tuning, tali da canale dimensioni e concentrazioni saline, è richiesto per le applicazioni di EOF. Al contrario, EHD scorre guidato dal corpo forze sembrano essere disponibili per il trasporto di masse ed energie se le tensioni di applicazione possono essere ridotto per evitare degradanti solventi. Recentemente, alcuni ricercatori hanno suggerito le applicazioni dei flussi EHD con tensioni basse33,34,35,36. Anche se queste tecnologie non sono ancora state attuate, le frontiere sono dovrebbe espandere.
Negli studi precedenti, abbiamo anche condotto un lavoro sperimentale e teorico sui flussi di EHD in soluzioni acquose37,38,39,40. È stato supposto che la rettifica delle vie di trasporto di ioni era efficace per generare soluzioni elettricamente cariche che causano le forze del corpo elettrico sotto campi elettrici. Utilizzando una membrana di scambio ionico e un canale di flusso attraversa la membrana, siamo stati in grado di rettificare le correnti ioniche. Quando si applica una membrana di scambio anionico, cationi concentrano nel flusso di canale trascinato i solventi e sviluppato un EHD flusso37,38,39. Una differenza nella mobilità di specie ioniche era un fattore importante quando si separano le correnti cationiche e anioniche. Membrane a scambio ionico ha funzionato efficacemente per modulare la mobilità a causa della selettività ionica. Fenomeni di trasporto di ioni inoltre sono stati studiati dal punto di vista della densità di corrente ionica influenzato da campi elettrici applicati41. Questi studi sono stati proficui per sviluppare tecniche di manipolazione per singole molecole, vale a dire, micro - e nanoparticelle, cui movimenti sono fortemente influenzati da fluttuazioni termiche11,16,17 . EOFs ed EHD flussi si prevede di ampliare la varietà di metodi di controllo di flusso preciso, nonché di gradienti di pressione.
In questo studio, dimostriamo due metodi per unità EHD flussi in soluzioni acquose. In primo luogo, una soluzione di NaOH è usata per un fluido di lavoro per guidare un EHD flusso37,38,39. Una membrana di scambio anionico separa il liquido in due parti. Un canale di flusso di polidimetilsilossano (PDMS) con una sezione di 1 x 1 mm e una lunghezza di 3 mm penetra la membrana. Applicando un potenziale elettrico di 2.2 V, il trasporto elettroforetico di Na+, H+e ioni OH− è indotta lungo i campi elettrici. Una membrana di scambio anionico e un canale di flusso lavorare efficacemente per separare le vie di trasporto ionico, dove anioni dominante passano attraverso la membrana e cationi concentrano nel canale di flusso, anche se entrambe le specie di solito si muovono in direzioni opposte, mantenere l'elettroneutralità. Pertanto, tale condizione non causa una forza trainante per i flussi di liquidi. Questa struttura è fondamentale per generare un flusso EHD raggiunge la cui velocità di flusso dell'ordine di 1 mm/s nel canale perché altamente concentrato cationi accelerati da campi elettrici esterni trascinare delle molecole del solvente. EHD flussi sono osservati e registrati utilizzando un microscopio e una telecamera ad alta velocità, come mostrato nella Figura 1. In secondo luogo, una differenza di concentrazione tra due fasi liquide separate da una membrana di scambio ionico provoca una condizione polarizzata elettricamente da generare attraversando una membrana di scambio ionico40. In questo studio, troviamo l'importanza di un tempo di attesa considerevole a equilibrare le distribuzioni di ioni e un potenziale elettrico corrispondente, che causano condizioni preferibile applicare ad una forza di corpo in un liquido. Attraversando la membrana di scambio ionico, si ottiene una condizione debolmente polarizzata. In tale condizione, induce un campo elettrico applicato esternamente trasporto ionico direzionale che genera una forza di corpo in un liquido, e di conseguenza, il trasferimento di quantità di moto dagli ioni al solvente si sviluppa un flusso EHD.
Come accennato in precedenza, i dispositivi presenti riescono a diminuire drasticamente la differenza di tensione applicata a pochi volt, e quindi questo metodo è utilizzabile per soluzioni acquose, sebbene i metodi di iniezione di carica elettrica convenzionale richiedono decine di kV e sono limitati a un'applicazione per soluzioni non-acquose.
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Protocol
1. EHD flusso indotto da trasporto ionico rettificato
- Sviluppo di un dispositivo di canale di flusso per rettificare i percorsi di trasporto dello ione
- Fare uno stampo PTFE del serbatoio:
- Tagliare un 13 x 30 x 10 stampo di3 mm da un blocco di politetrafluoroetilene (PTFE) utilizzando una fresatrice (Vedi Figura 2). In alternativa, acquistare un prodotto su misura.
- Lastre acriliche di 15 x 18 x 1 mm3 ad entrambe le estremità dello stampo PTFE con un adesivo di plastica, che renderà fessure nel serbatoio per saldare gli elettrodi bias di aderire. Queste parti possono essere tagliate da un grande piatto o acquistate.
- Aderire le lastre acriliche di 13 x 30 x 1 mm3 presso le superfici superiore e inferiore dello stampo PTFE con un adesivo di plastica per rendere le superfici planari per osservazione libera.
- Mescolare un agente base e polimerizzazione di elastomero siliconico nel rapporto di 10:1 in una provetta da 50 mL e agitare il tubo a mano.
- Degas e utilizzando una pompa rotativa e trasferirsi il PDMS liquido in un recipiente vuoto.
- Rimuovere il tubo dal recipiente. Versare il PDMS in una 40 x 50 x 24 mm3 plastica la nave di plasmare la forma esterna del serbatoio e posizionare lo stampo del serbatoio (Vedi punto 1.1.1) in esso.
- Cuocere tutto il corpo del liquido PDMS su una piastra riscaldante a 80 ° C per circa 4 h.
- Dopo la cottura, isolare il serbatoio PDMS dallo stampo PTFE e il vaso esterno a mano. Fare una fessura attraverso il centro del serbatoio utilizzando un coltello chirurgico. Questo serviranno a mettere i bordi di una membrana di scambio anionico (preparato nel passaggio 1.1.16) in esso con una pinzetta.
Nota: Il serbatoio PDMS è riempito più tardi, con soluzioni di elettroliti come mostrato nella Figura 2. - Ottenere lastre di vetro (fatta da ordine speciale) con una forma circolare di 18 mm di diametro o in un quadrato con i bordi di 18 mm.
- Lavare le piastre di vetro li ammollo in acetone, etanolo e acqua pura (in questo ordine) in un bagno di ultrasuoni per 15 minuti ciascuno.
- Far saltare qualsiasi residui liquidi via con un fucile ad aria compressa o riscaldare le piastre di vetro con una piastra per 5 min a circa 473 K.
- Utilizzando frequenze radio sputtering, rivestire la superficie di vetro con Cr o Ti esposti al plasma Ar per 1 min a 75 W e successivamente, depositare un film sottile di Au per 5 min a 75 W, impostare lo spessore a circa 100 nm.
Nota: Prima di ricoprire la superficie di vetro con i metalli di destinazione, i campioni sono stati impostati in una camera a vuoto che è stata evacuata con una pompa rotativa e una pompa di diffusione molecolare fino a quando la pressione ridotta a 1 x 10− 2 PA. - Saldare un piombo sulla superficie dell'elettrodo Au utilizzando un saldatore.
Nota: La forma dell'elettrodo Au possibilmente può essere sostituita da piazze e fili elicoidali, mantenere le aree di superficie sufficientemente grande per generare correnti ioniche. - Con le pinzette, impostare le lastre di vetro rivestite da una pellicola sottile di Au ad entrambe le estremità del serbatoio. Questi sono gli elettrodi di sbieco.
- Tagliare una membrana di scambio anionico in una forma rettangolare di 20 x 18 mm2 utilizzando forbici. Una superficie di 13 mm di larghezza e 10 mm di altezza è esposto ad un liquido. Qui, un taglierino o un coltello chirurgico può essere utilizzato anche per tagliare la membrana.
- Tagliare un pezzo rettangolare di 3 x 5.5 mm2 da un bordo della membrana con le forbici.
Nota: Lo spessore della membrana di scambio anionico è 220 µm. La membrana è facilmente tagliare con forbici o un taglierino. I bordi della membrana sono parzialmente risolto con le fessure nella camera. - Solidificare un blocco PDMS con una bacchetta di acciaio inox di una sezione trasversale di 1 x 1 mm2 nello stesso modo come nei passaggi 1.1.4 - 1.1.5, per creare un canale di flusso che penetra la membrana. Lasciare la costruzione di una notte e poi tirare l'asta inox fuori dal blocco PDMS.
- Tagliare il PDMS blocco con un canale di flusso quadrati in un 3 x 6 x 4.5 mm pezzo (vedere Figura 2) utilizzando un coltello chirurgico. Fare fessure lungo i bordi esterni, quindi allegarlo alla membrana entro l'apertura rettangolare.
Nota: La faccia superiore del canale deve essere impostato in orizzontale per una chiara osservazione delle particelle nel flusso canale tramite la parete trasparente.
- Fare uno stampo PTFE del serbatoio:
- Preparazione di soluzioni e pretrattamenti per esperimenti
- Preparare soluzioni acquose di NaOH alle concentrazioni di 1 x 10− 1, 1 x 10− 2e 1 x 10− 3 mol/L diluendo la soluzione di riserva.
- Fare in media una dispersione di particelle di polistirene di 2,93 µm di diametro in ciascuna delle soluzioni di NaOH preparate al punto 1.2.1 impostando la concentrazione a 4,2 x 10− 3 vol %.
Nota: La dimensione delle particelle dell'elemento tracciante può essere modificata in modo appropriato per migliorare osservabilità. - Ultrasonicate la membrana di scambio anionico formattato di 20 x 18 mm2 con una fessura di 3 x 5.5 mm2 2 x per 10 min in acqua pura a una potenza di 100 w.
- Con le pinzette, impostare la membrana di scambio anionico con il canale di flusso PDMS nel serbatoio PDMS. Riempire il serbatoio con 4 mL di soluzione di NaOH con una micropipetta.
Nota: Il canale di flusso e superficie di membrana sono immersi nella soluzione, dove la superficie di membrana esposta alla soluzione è almeno 100 volte più grandi di sezione trasversale del canale di flusso. - Applicare un potenziale elettrico di 2.2 V utilizzando una fonte di alimentazione DC in direzioni avanti e indietro per 2 h ogni serie, per migliorare la conducibilità della membrana prima dell'osservazione.
- Estrarre gli elettrodi Au con le pinzette. Rimuovere la soluzione dai serbatoi utilizzando una micropipetta.
- Impostare nuovi elettrodi Au nei serbatoi con le pinzette. Riempire i serbatoi con 4 mL di soluzione di NaOH con una micropipetta. Avviare le osservazioni quando la soluzione è equilibrata.
Nota: Potrebbe richiedere pochi minuti di tempo di attesa fino a quando la convezione naturale si deposita giù, che può essere giudicata osservando il comportamento delle particelle di tracciante.
- Sistemi di misura e installazione sperimentale
- Impostare il frame rate e il tempo di esposizione di una macchina fotografica ad alta velocità metallo-ossido-semiconduttore complementare (CMOS) a 500 fps e 1 ms, rispettivamente.
Nota: Come indicato nella Figura 1, il dispositivo sperimentale è impostato sul palco di un microscopio collegato a una telecamera CMOS ad alta velocità per registrare i movimenti delle particelle. La visualizzazione viene ingrandita in un 15 a monitor con una lente X 100. - Rimuovere tutte le bolle dal canale inserendo la punta di una micropipetta nella parte terminale del canale spingere o tirare fuori loro, prima di applicare un potenziale elettrico.
- Applicare esternamente un potenziale elettrico di 2.2 V sugli elettrodi bias Au. Contemporaneamente è possibile monitorare le risposte elettriche utilizzando un potenziostato o una fonte di alimentazione DC con un multimetro digitale.
Nota: Il valore della tensione è determinato a essere il limite superiore, evitando l'elettrolisi di acqua che genera O2 e H2 bolle nella soluzione. - Registrare il comportamento delle particelle tracciante sul computer.
- Misurare una differenza di potenziale elettrico tra entrambe le estremità del canale di flusso utilizzando elettrodi sonda Au e un multimetro digitale per confermare che il gradiente di concentrazione di ioni innesca un EHD flusso38,39.
- Determinare l'origine del sistema di coordinate cartesiano al centro del canale.
Nota: La x- asse è lungo la direzione longitudinale di flusso e y- e z-assi sono in direzione orizzontale e verticale nella sezione trasversale del canale, rispettivamente, come illustrato nella Figura 2. Il canale PDMS trasparente consente flussi liquidi possano essere visualizzati lungo la x-asse. La vista è focalizzata sul piano xy a z = 0 controllando la profondità di fuoco. I dati di flusso sono indipendenti di x nella sezione prova tranne proprio vicino l'ingresso e l'uscita del canale, e il punto di osservazione è impostato a circa 0,75 mm a valle dall'origine, tale che x = 0,75, y = 0 e z = 0 mm. - Dopo una singola misura (di 15 s), cortocircuitare gli elettrodi collegandoli a vicenda con un piombo per 20 min fino a quando la soluzione è equilibrata.
- Quindi, spostare la totalità della soluzione su un'altra nave (ad es., un flacone da 10 mL del campione) e mescolate con una micropipetta.
- Versate la soluzione agitata nella camera di nuovo utilizzando una micropipetta quando iterativamente effettua l'esperimento.
Nota: Dopo l'osservazione, la velocità di flusso EHD è valutata mediante la particella image velocimetry (PIV) metodo39, che può essere fatto utilizzando il software appropriato per tracciare lo spostamento delle particelle e valutare numericamente la velocità. Una spiegazione dettagliata dei metodi PIV e come usarli è omesso qui perché analisi PIV sono stati ampiamente utilizzati e le procedure dei calcoli dipendono dal software e sistema operativo utilizzato.
- Impostare il frame rate e il tempo di esposizione di una macchina fotografica ad alta velocità metallo-ossido-semiconduttore complementare (CMOS) a 500 fps e 1 ms, rispettivamente.
2. osservazione dei flussi EHD indotta da catione
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Sviluppo del dispositivo sperimentale
- Costituiscono Au bias elettrodi con una superficie di2 26 x 10 mm sulla lastra di vetro inferiore secondo procedure analoghe a quelle precedentemente descritte nei passaggi 1.1.5 - 1.1.7.
- Utilizzando frequenze radio sputtering, rivestire una superficie di vetro con Cr o Ti esposti al plasma Ar per 2 min a 75 W e depositare un film sottile di Au per 5 min a 75 w.
Nota: Questa forma dell'elettrodo è determinata al fine di concentrare altamente campi elettrici della regione canale più stretto. Il rapporto della superficie dell'elettrodo, la cui area di 10x10 mm2 è esposto ad un liquido, per la sezione trasversale del canale è idealmente 100: 1; Questo rapporto è previsto per essere sufficiente per eliminare il potenziale elettrico presso il canale di una grande quantità di16. - Una linea di piombo un bordo degli elettrodi di saldatura utilizzando un saldatore.
- Da un foglio di gomma silicone di grandi dimensioni, tagliato 2 alloggiamenti, ciascuno composto di un 1 x 1 x 1 canale di flusso3 mm posizionato tra serbatoi di3 due 10 x 10 x 1 mm, utilizzando un coltello chirurgico (Vedi Figura 3). Queste parti possono essere sostituite da PDMS.
- Tagliare una membrana a scambio cationico con uno spessore medio di 127 µm a 20 x 30 mm utilizzando un taglierino o un coltello chirurgico, come mostrato nella Figura 3.
- Ultrasonicate ogni parte in acqua pura per 15 min applicando 100 W.
- Inserire una membrana a scambio cationico tra le camere con le pinzette, come mostrato nella Figura 3. Questo separerà 2 soluzioni dell'elettrolito delle concentrazioni differenti.
- Premere e sigillare la pila degli alloggiamenti e le membrane a scambio cationico con lastre di vetro le cui dimensioni sono 26 mm di larghezza e lunghezza di 38 mm.
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Preparazione delle soluzioni
- Preparare una dispersione di particelle di polistirene del diametro medio di 1,01 µm in un 1 x 10− 2 mol/L tris (idrossimetil) amminometano Etilendiamminotetraacetico acido (Tris-EDTA) soluzione tampone, dove il rapporto di volume è regolato a 1 x 10− 2 % vol.
- Preparare una miscela di 1 mol/L di KCl e 1 x 10− 2 mol/L di Tris-EDTA.
- Iniettare la particella di Tris-EDTA/polistirolo e le soluzioni di Tris-EDTA/KCl in alloggiamenti superiore e inferiore, rispettivamente, tramite siringa aghi inseriti da pareti laterali degli alloggiamenti.
Nota: La quantità delle soluzioni iniettato in ogni alloggiamento è circa 210 µ l. - Attendere per circa 18 ore fino a quando la soluzione è equilibrata come risultato di una diffusione degli ioni per rilassarsi la differenza di concentrazione di ioni tra gli strati superiori e inferiori.
Nota: Nel processo di diffusione, K+ nella soluzione superiore e H+ nella membrana sono tenuti a penetrare la membrana prima e Cl− è previsto a seguirli.
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Sistemi di misura e installazione sperimentale
- Impostare il dispositivo sperimentale sviluppato nel passaggio 2.1 sul palco del microscopio invertito a mano, come mostrato nella Figura 3. Collegare il microscopio ad una fotocamera CMOS ad alta velocità per monitorare le traiettorie del moto delle particelle e registrare i dati di osservazione su un computer.
- Applicare una differenza di potenziale elettrico di 2 V per 6 s tra i due elettrodi utilizzando un generatore di funzioni come una fonte di alimentazione.
- Per confermare che EHD flussi sono indotti dal trasporto di ioni, misurare le correnti ioniche contemporaneamente utilizzando un amperometro40.
- Analizzare le traiettorie registrate delle particelle dalla particella velocimetry (PTV) metodo39di rilevamento.
Nota: Dopo le osservazioni, la velocità di flusso EHD viene valutata tramite il metodo di PTV, che è possibile utilizzando il software appropriato, di tracciare lo spostamento delle particelle e valutare numericamente la velocità. Una spiegazione dettagliata dei metodi di PTV e come usarli è omesso qui perché analisi PTV sono stati ampiamente utilizzati e le procedure dei calcoli dipendono dal software e sistema operativo che viene utilizzato.
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Representative Results
Figura 4 (video figura) presenta un risultato rappresentativo di una generazione di flusso EHD, conseguenti la rettifica delle vie di trasporto di ioni e cationi altamente concentrate che ha indotto un flusso di liquido nel canale, secondo la fase 1 del protocollo. La figura 5 Mostra un risultato dell'analisi PIV, dove 20 dati punti vicino al centro del canale (y = z = 0 mm) erano in media. Nel caso la 1 x 10− 1 mol/L di NaOH soluzione, quando un potenziale elettrico di 2.2 V è stato applicato a t = 5 s, la velocità delle particelle tracciante rapidamente aumentato ad un valore di picco. Dopo di che, la velocità è diminuito e convergente a 0. La velocità di picco raggiunto un vicino 2 mm/s. Si tratta di un tipico risultato di un flusso EHD generato utilizzando una membrana di scambio anionico e una 1 x 10− 1 mol/L della soluzione di NaOH.
È stato inoltre confermato che la velocità di trasporto elettroforetica delle particelle tracer era molto inferiore rispetto alla velocità di picco del flusso liquido a 1 x 10− 1 mol/L di NaOH soluzione38,39. Come discusso nella letteratura39, questo tipo di flusso EHD è considerato costituito da flussi invertiti trascinati da OH− passando attraverso la membrana e Na+ H+ concentrato nel canale di flusso per compensare l'anione trasporto nella membrana. Come la concentrazione in diminuzione, il comportamento di trasporto tendeva a diventare più lento. Ciò significa che la durata-fino a quando la velocità ha raggiunto un picco- e il tempo di decadimento sembrava di essere più a lungo, diminuendo il valore di picco della velocità. Questo risultato ha indicato che il numero di ioni cui moto è stato guidato da forze elettriche diminuito, e di conseguenza, la forza del corpo elettrico nel liquido inoltre è stata ridotta.
Un'osservazione importante è che continue correnti ioniche rettificate dalle interfacce selettiva dello ione causato delle molecole del solvente essere trascinato in una direzione e ciò ha causato un flusso liquido sviluppare. In questo caso, c'è una possibilità che il flusso di liquido è stato migliorato da polarizzazione di concentrazione di ioni attraversano la membrana di scambio anionico che ha attivato il flusso inverso nel canale. Questo punto è stato già citato in un precedente studio39. È stato supposto che anche campi AC erano efficaci nel controllare il liquido scorre periodicamente cambiando direzione. Il flusso EHD presente è stato limitato per le risposte transitorie a causa del numero limitato di ioni Na+ ; Questa situazione non era favorevole a mantenere una costante corrente cationica, anche se la tensione applicata di 2.2 V era sufficiente ad indurre l'elettrolisi dell'acqua. Per generare flussi costanti di EHD, vi proponiamo di trascinamento delle molecole del solvente con specie ioniche che dal vettore dominante della corrente ionica. Ulteriori dettagli saranno verificati nel nostro futuro lavoro. Qui, abbiamo introdotto un risultato rappresentativo di un flusso EHD che potrebbe essere indotta nelle soluzioni di NaOH da raddrizzatore percorsi di trasporto dello ione. Dettagli circa la dipendenza di concentrazione e le differenze di potenziale elettriche vengono discussi anche dai Yano, Doi e Kawano37,38 e Yano, Shirai, Imoto, Doi e Kawano39.
Figura 6 (video figura) Mostra un risultato rappresentativo del flusso EHD generato in una soluzione elettricamente polarizzata in condizioni di corrente ionica. La risposta della velocità del flusso EHD inoltre è stata analizzata tenendo traccia le particelle di tracciante, come illustrato nella Figura 7, che era un tipico risultato ottenuto tracciando una singola particella vicino al centro del canale di flusso. Quando è stato applicato un potenziale elettrico di 2 V da t = 2 per 8 s, particelle di polistirene ha risposto al campo elettrico applicato. A t = 2 s, la particella rapidamente traslocata nella direzione indietro, corrispondente al trasporto elettroforetico di cariche negative. Dopo una risposta in breve tempo, il flusso ha cambiato direzione di marcia e la velocità è diventato costante a 30 µm/s fino a quando il potenziale elettrico è stato spento.
In questo periodo, le particelle di polistirene caricate negativamente spostato nella direzione del trasporto di cariche positive. In generale, la direzione potrebbe non essere invertita spontaneamente sotto il campo elettrico unidirezionale, anche se la carica superficiale delle particelle era completamente schermata dai cationi contatore. Così, questo risultato ha indicato che cationi dislocati nella soluzione anche elettroforeticamente sono stati trasportati lungo i campi elettrici, trascinamento delle molecole del solvente che gradualmente sviluppato un flusso di liquido. Cariche negative altamente concentrano sulla superficie della particella ha causata una forza elettrica più forte di quella di cationi distribuiti nella soluzione e, così, in primo luogo ha guidato il trasporto in direzione negativa. Dopo di che, un flusso di liquido trascinato dalla corrente cationica aumentato una forza di trascinamento sulla particella. In questo regime, gradienti di velocità sono stati effettivamente osservati lungo il y-asse perpendicolare alla direzione del flusso e, così, una generazione di flusso liquido è stata effettivamente confermata.
Il comportamento delle particelle di polistirene interessati da flussi EHD inoltre è stato valutato in uno studio precedente, ed è stato trovato che la velocità del flusso EHD proporzionalmente aumentato con una crescente corrente ionica. Un tempo di attesa di oltre 18 h prima di applicare un campo elettrico esterno è il fattore più importante per indurre un flusso costante di EHD, perché ci vuole così tanto tempo per le distribuzioni di ioni essere equilibrati dal momento che sono quasi uniforme nel canale. Di conseguenza, si osservano costantemente modelli di Poiseuille-come flusso. D'altra parte, non abbiamo potuto confermare un flusso costante quando il tempo di attesa non era sufficiente per realizzare distribuzioni uniforme dello ione.
Dopo aver osservato una velocità costante, il potenziale elettrico è stato spento a t = 8 s. Qui, per cambiare rapidamente la differenza di potenziale elettrico da 2 a 0 V, gli elettrodi schermati possono richiedere un'applicazione eccessiva del potenziale elettrico per fare entrambe le superfici di elettrodo equivalente. In tale processo, gli ioni altamente concentrati vicino a superfici degli elettrodi ricevano forze elettriche repulsive, invertita che provocano correnti ioniche. Soprattutto, la corrente cationica che era dominante nello strato inferiore ha provocato un flusso di liquido deve essere generato e una risposta transitoria nella direzione indietro è stato effettivamente osservato nel risultato sperimentale, che immediatamente è apparso quando il potenziale elettrico era spento e convergente a 0 µm/s. Tali processi nella generazione di flusso EHD erano tipici in questo esperimento. Accanto il flusso costante di EHD, i flussi inversi osservato durante l'accensione il potenziale elettrico e fuori sono anche interessanti. Nelle risposte transitorie, reazioni elettrochimiche alle superfici degli elettrodi possibilmente causano gradienti di concentrazione di ioni drastiche che inducono la diffusione potenziale così come applicato esternamente potenziali elettrici. Tale trasporto di ioni complicati fenomeni non è ancora stato chiarito abbastanza e, pertanto, sono gli argomenti per essere risolto in un futuro lavoro.
I meccanismi di generazione del flusso EHD sono presentati schematicamente nella Figura 8. Un flusso EHD indotto nelle soluzioni di NaOH è illustrato nella Figura 8una, corrispondente al caso di Figura 4. Il flusso EHD trascinato da Na+ nel canale viene attivato tramite il trasporto di OH− in una membrana a scambio anionico. Il flusso instabile è causato dalla dissipazione a causa di smorzamento di flusso di massa, quantità di moto flusso smorzamento, superficie mobilità ed Elettrowetting delle superfici degli elettrodi. Un altro meccanismo di EHD flusso indotto condizioni correnti cationici che sono più dominante rispetto a quelli anionici, è rappresentato in Figura 8b. K+ ioni penetrano prima una membrana a scambio cationico, causando condizioni di catione-dominante, e, di conseguenza, flusso EHD è indotta lungo la corrente cationica.
Come descritto in precedenza, mantenendo condizioni polarizzate elettricamente in condizioni di correnti ioniche riducendo l'applicazione dei potenziali elettrici è chiave per generare flussi di EHD costanti. Utilizzando i metodi presenti, pochi volt può essere sufficiente per indurre EHD scorre in soluzioni acquose, sebbene l'elettrolisi dell'acqua è necessario mantenere costante correnti ioniche per migliorare il trasferimento di slancio dagli ioni dell'elettrolito di molecole di solvente.
Figura 1 : Fotografia della messa a punto sperimentale per l'osservazione di flusso EHD. Moto delle particelle di tracciante vengono tracciati da un microscopio collegato a una telecamera ad alta velocità, le traiettorie di registrazione nel controller. Potenziali elettrici vengono applicati utilizzando un potenziostato o una fonte di energia elettrica di CC. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 2 : Illustrazione schematica di un dispositivo sperimentale. Un canale di flusso fatto di PDMS è fissato in una membrana a scambio anionico e riempito con una soluzione acquosa di NaOH. Au elettrodi ad entrambe le estremità della soluzione. L'origine della coordinata è impostato al centro del canale di flusso quadrati e un'area di osservazione è in un piano xy vicino a x = 0,75 e z = 0 mm. per favore clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 3 : Fotografia della messa a punto sperimentale e diagramma schematico di un dispositivo per indurre un flusso EHD catione-trascinato in una soluzione elettricamente polarizzato. Un 1 mol/L KCl e 1 x 10− 2 mol/L Tris-soluzione tampone all'EDTA e una 1 x 10− 2 vol % polistirene (PSt) dispersione delle particelle in una 1 x 10− 2 mol/L Tris-soluzione tampone all'EDTA sono separati da una membrana a scambio cationico, dove il diametro medio della le particelle di PSt è 1.01 µm. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 4 (video figura): un film di flusso EHD guidato dal trasporto di ioni Na+ concentrato nel canale di flusso. Le particelle di tracciante vengono trasportate lungo la direzione del campo elettrico quando viene applicato un potenziale elettrico di 2.2 V a t = 5 s. polistirolo negativamente caricati particelle sono portate al lato catodo in un flusso EHD guidato dalla corrente cationica il canale. Nel caso di una 1 x 10− 1 mol/L della soluzione di NaOH, una velocità di picco vicino a 2 mm/s viene raggiunta rapidamente dopo l'applicazione di un potenziale elettrico e la velocità successivamente decade a zero. Per favore clicca qui per vedere questo video. (Tasto destro per scaricare.)
Figura 5 : La risposta del flusso EHD osservata nel canale di flusso, risultanti dall'analisi PIV per il film registrato di Nella figura 4. La risposta della velocità (linea blu continua) è stata ottenuta dalla media dei 20 punti vicino al centro del canale (y = z = 0 mm). La velocità è aumentato rapidamente dopo l'applicazione di una tensione elettrica di 2.2 V a 5 s e gradualmente converge a 0 mm/s. La sequenza della tensione applicata è inoltre indicata con una linea tratteggiata rossa. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 6 (video figura): un film di flusso EHD osservato in una soluzione elettricamente polarizzata, che separa una 1 mol/L KCl soluzione polistirolo dispersione e utilizzando una membrana a scambio cationico. Relativo all'applicazione di un potenziale elettrico di 2 V t = 2 per 8 s, il trasporto delle particelle di tracciante riflette un flusso EHD guidato da una corrente cationica. Una velocità di flusso costante raggiunge 30 µm/s durante l'applicazione del potenziale. Inoltre, le particelle rispondono anche brevemente in direzione negativa quando il potenziale elettrico è attivato e disattivato perché la carica elettrica di una particella colpisce in primo luogo il movimento. Per favore clicca qui per vedere questo video. (Tasto destro per scaricare.)
Figura 7 : La risposta di flusso EHD osservata nel canale, risultanti dall'analisi PTV per il film registrato di Figura 6. La risposta della velocità (linea blu continua) è stata ottenuta da una singola particella vicino al centro del canale di rilevamento. La sequenza della tensione applicata è inoltre indicata con una linea tratteggiata rossa. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 8 : Schemi di EHD flusso meccanismi di generazione corrispondente nelle figure 4 e 5 (pannello a) e 6 e 7 (pannello b). (una) flussi di liquido sono indotti in una soluzione acquosa di NaOH che è separata con una membrana di scambio anionico, dove EOF indotta da un trasporto− OH nella membrana innesca un flusso trascinato da un trasporto Na+ nel canale ed è parzialmente dissipato con flusso di massa di smorzamento, flusso di quantità di moto di smorzamento, superficie mobilità ed Elettrowetting delle superfici degli elettrodi. (b) il cationici corrente è più dominante rispetto alla corrente anionica perché K+ penetra in primo luogo una membrana a scambio cationico, che contribuisce a un flusso di liquido trascinato dai cationi in condizioni di corrente costante che coinvolgono acqua elettrolisi. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
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Discussion
Lo scopo di questo studio era di separare cationi e anioni in soluzioni acquose in termini di distribuzioni spaziali e numeri di trasporto. Utilizzando una membrana di scambio anionico, il trasporto di anioni e cationi potrebbe essere corretti nella membrana e in un canale di flusso che penetra la membrana, rispettivamente. In alternativa, una membrana a scambio cationico che separati ad alta e bassa soluzioni di concentrazione ha lavorato per generare soluzioni polarizzate elettricamente dopo un tempo di attesa considerevole. Di conseguenza, rettificate correnti ioniche sono riusciti a ridurre le tensioni applicate per indurre ione-trascinato EHD flussi.
I metodi qui presentati sono disponibili per soluzioni acquose con tensioni di applicazione bassa in confronto ai metodi tradizionali che richiedono tensioni estremamente elevate di decine di kV per iniettare cariche elettriche in soluzioni non-polare. È stato chiarito che EHD flussi sono efficaci in soluzioni acquose, nonché soluzioni non-polare.
Tuttavia, gli attuali metodi dipendono l'elettrolisi dell'acqua per mantenere costante correnti ioniche in cui il potenziale ideale di elettrolisi dell'acqua è conosciuto per essere 1.23 V. Così, c'è una limitazione della tensione applicata per evitare di generare O2 e H2 bolle che modificare le proprietà di un liquido. Per ovviare a questa limitazione, materiali di elettrodi e soluzioni di elettroliti devono essere determinati in modo appropriato per impostare reazioni elettrochimiche alle superfici degli elettrodi per generare correnti ioniche nelle soluzioni. A ogni prova, superfici degli elettrodi devono essere lucidate e denudate per rendere un forte campo elettrico nella soluzione, migliorando le reazioni elettrochimiche.
In questo studio, è stato proposto l'uso di membrane a scambio ionico per rettificare le vie di trasporto di specie ioniche. D'altra parte, l'efficienza della generazione di flusso EHD sembrava dipendere la capacità delle membrane. Come descritto nel protocollo, la diffusione di ioni necessario un certo periodo di attesa fino a quando non diventa stabile. Di conseguenza, la pre-elaborazione per aumentare la conduttività delle membrane è cruciale per migliorare l'efficienza della generazione di flusso EHD. Quando mantenendo condizioni di corrente ioniche in campi elettrici applicati esternamente, sono migliorate proprietà di trasporto di ioni e condizioni polarizzate elettricamente sono efficacemente raggiunti.
In futuro, flussi EHD di soluzioni acquose si presume siano applicabili per sistemi di controllo di flusso del liquido in micro - e nanofluidiche dispositivi combinati con EOFs e simili. Inoltre, le applicazioni per i dispositivi medici, in cui ioni di trasporto ha un ruolo importante per stimolare le cellule biologiche e trasduzione del segnale, costituiscono anche una sfida.
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Disclosures
Gli autori non hanno nulla a rivelare.
Acknowledgments
Gli autori non hanno nessun ringraziamenti.
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).
