Summary
Retting av ion transport er en effektiv metode for å generere en retningsbestemt ion-dratt electrohydrodynamic renn. Angir en ion-exchange membran i flyt kanal, en elektrisk polarisert tilstand genereres og forårsaker en flytende flyt å bli kjørt når et elektrisk felt brukes eksternt.
Abstract
Kjøre electrohydrodynamic (EHD) flyter i vandige løsninger, separasjon av kasjon og anion transport er viktig fordi en kontrollert elektrisk kroppen styrke skal bli indusert av ionisk bevegelser i væske. På den annen side, positive og negative kostnader tiltrekker hverandre, og electroneutrality opprettholdes overalt i forhold. Videre har en økning i en anvendt spenning skal skjules for å unngå vannelektrolyse, som forårsaker løsningene ustabil. Vanligvis kan EHD strømmer bli indusert i ikke-vandige løsninger ved å bruke svært høye spenninger, som titalls kV, å injisere elektrisk kostnader. I denne studien introduseres to metoder for å generere EHD strømmer av elektrisk ladning separasjonene i vandige løsninger, der to flytende faser er atskilt med en ion-exchange membran. På grunn av en forskjell i ioniske mobilitet i membranen, er ion konsentrasjon polarisering indusert mellom begge sider av membranen. I denne studien viser vi to metoder. (i) avslapning av ion konsentrasjon graderinger skjer via en flyt kanal som trenger en ion-exchange membran, der transport av tregere arter i membranen selektivt blir dominerende i flyt kanalen. Dette er en drivkraft til å generere en EHD flyt i væsken. (ii) en lang ventetid for spredningen av ioner passerer gjennom ion-exchange membranen kan genereringen av en ion-dratt flyt eksternt bruke et elektrisk felt. Ioner konsentrert i en flyt kanal for en 1 x 1 mm2 tverrsnitt bestemme retning på den flytende flyten, tilsvarer electrophoretic transport veier. I begge metoder, er strømstyrken forskjellen kreves for en EHD flyt generasjon drastisk redusert til nær 2 V av rette opp ion transport veier.
Introduction
Nylig, flytende flyt kontroll teknikker har tiltrukket seg mye oppmerksomhet på grunn av interessen i programmer av mikro- og nanofluidic enheter1,2,3,4,5, 6 , 7 , 8 , 9 , 10 , 11 , 12 , 13 , 14 , 15. i polar løsninger, som vandige løsninger og ioniske væsker, ioner og elektrisk ladede partikler vanligvis få elektrisk kostnader i væsken flyter. Transport av slik polariserte partikler gir en utvidelse av programmer, som enkelt-molekylet manipulasjon6,10,11,13,14 , 15 , 16 , 17, ion diode enheter12,18og flytende flyt kontroll19,20,21,22. EHD flyt er en gjeldende fenomen for flytende flyt kontrollsystemer siden Stuetzer1,2 oppfunnet ion dra pumpen. Melcher og Taylor3 publisert en viktig artikkel som teoretisk referanseramme EHD flyt var godt gjennomgått og noen fremragende eksperimenter ble også demonstrert. Saville4 og hans kolleger23,24 bidratt til følgende utvidelse EHD teknologier i væsker. Det var imidlertid noen begrensninger på inducing væske renner drevet av elektrisk styrker, fordi titalls kV må brukes i væsker å injisere elektrisk kostnader i ikke-polar løsninger, som oljer, Polarize dem1,2 , 3. Dette er en ulempe for vandige løsninger fordi vannelektrolyse som er indusert av en elektrisk potensial høyere enn 1,23 V endrer egenskapene til løsninger og gjør løsninger ustabil.
Mikro- og nanofluidic kanaler føre overflate kostnader kanal vegger konsentrasjonen av counterions som effektivt induserer electroosmotic renn (EOFs) under eksternt anvendt elektrisk felt25,26,27 ,28,29. Bruker EOFs, er noen flytende pumping teknikker brukt i vandige løsninger, redusere de elektriske spenninger30,31,32. På den annen side, er EOFs begrenset til genereres i mikro- og nanospaces der flater bli mer dominerende enn flytende volumer. Videre, avhengig av transport av svært konsentrert ioner svært nær overflatene, som i elektrisk doble lag, slip grensen bare forårsaker den flytende flyten, som ikke kanskje er tilstrekkelig til å gjøre press graderinger7, 8 , 22 , 26 , 27. Fininnstilling, som kanal dimensjoner og salt konsentrasjoner er nødvendig for programmer EOF. Derimot renner EHD drevet av kroppen styrker synes å være tilgjengelig for å transportere massene og energi hvis programmet spenninger kan reduseres for å unngå nedverdigende løsemidler. Nylig, noen forskere har antydet programmer EHD renner med lave spenninger33,34,35,36. Selv om disse teknologiene ikke har ennå blitt gjennomført, er grensene forventet å utvide.
I tidligere studier gjennomført vi også eksperimentelle og teoretiske arbeidet på EHD flyter i vandige løsninger37,38,39,40. Det ble antatt at retting av ion transport var effektivt til å generere elektrisk ladet løsninger som forårsaker elektrisk kroppen styrker under elektrisk felt. Bruker en ion-exchange membran og en flyt kanal krysse membranen, kunne vi korrigere ioniske strømninger. Når du bruker en anion exchange membran, kasjoner konsentrert i flyten dratt løsemidlene og utviklet en EHD flyt37,38,39. En forskjell i mobilitet ion arter var en viktig faktor da skiller kationisk og anionic strøm. Ion-exchange membraner jobbet effektivt for å modulere mobilitet på grunn av ion selektivitet. Ion transport fenomener ble også undersøkt ser over ionisk nåværende tetthet påvirket av anvendt elektrisk felt41. Disse studiene har vært fruktbart for utvikle manipulasjon teknikker for enkelt molekyler, nemlig mikro- og nanopartikler, som bevegelser er sterkt påvirket av termiske fluktuasjoner11,16,17 . EOFs og EHD renn er forventet å rekke presise flyt metoder i tillegg trykket graderinger.
I denne studien viser vi to metoder for å kjøre EHD flyter i vandige løsninger. Først brukes en NaOH løsning til en fungerende væske til å kjøre en EHD flyt37,38,39. En anion exchange membran skiller væsken i to deler. En polydimethylsiloxane (PDMS) flyt kanal med et tverrsnitt av 1 x 1 mm og en lengde på 3 mm trenger membranen. Ved å bruke en elektrisk potensialet i 2.2 V, er electrophoretic transport av Na+, H+og OH− ioner indusert langs elektrisk felt. En anion exchange membran og en flyt kanal arbeide effektivt for å skille ion transport veier, der anioner nesten kun passerer gjennom membranen og kasjoner konsentrere seg i flyt kanalen, selv om begge arter vanligvis bevege seg, opprettholde electroneutrality. Dermed medfører slik tilstand ikke en pådriver for flytende strømmer. Denne strukturen er avgjørende for å generere en EHD flyt som trafikkflyten fart når på 1 mm/s i kanalen fordi Høykonsentrert kasjoner akselerert av eksterne elektrisk felt dra løsemiddel molekyler. EHD renn er observert og spilt inn med et mikroskop og et høyhastighets kamera som vist i figur 1. Andre konsentrasjon forskjell to flytende faser med en ion-exchange membran forårsaker en elektrisk polarisert tilstand skal genereres krysset en ion-exchange membran40. I denne studien finner vi viktigheten av en betydelig ventetid til equilibrate ion distribusjoner og en tilsvarende elektriske potensial, som foretrekke betingelser gjelder for en kropp kraft i en væske. Krysset ion-exchange membranen, er en svakt polarisert tilstand oppnådd. I en slik tilstand, et eksternt anvendt elektrisk felt induserer retningsbestemt ion transport som genererer en kroppen styrke i en væske og resultatet momentum overføring fra ionene til løsemiddelet utvikler en EHD flyt.
Som nevnt ovenfor, de nåværende enhetene lykkes i å drastisk redusere anvendt spenning forskjellen til noen volt, og dermed er denne metoden kan brukes for vandige løsninger, selv om konvensjonell elektrisk ladning injection metoder kreves av kV og er begrenset til et program ikke-vandige løsninger.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. EHD flyt av rektifiserte Ion Transport
- Utvikling av en flyt kanal enhet å rette ion transport veier
- Lage en PTFE mold av reservoaret:
- Skjær et 13 x 30 x 10 mm3 mold av en polytetrafluoroethylene (PTFE) bruker en fres (se figur 2). Du kan også kjøpe et skreddersydd produkt.
- Overholde akryl plater 15 x 18 x 1 mm3 i begge ender av mugg PTFE med en plast selvklebende, som vil gjøre åpninger i reservoaret for å avgjøre bias elektrodene. Disse delene kan kutte ut fra en stor plate eller kjøpt.
- Overholde akryl plater 13 x 30 x 1 mm3 på toppen og bunnen overflater av mugg PTFE med en plast limet å gjøre ut flater for klart observasjon.
- Bland en silikon elastomer base og herding agent i forholdet mellom 10:1 i en 50 mL tube og riste røret for hånd.
- Avgjøre den flytende PDMS i et vakuum fartøy og degas det ved hjelp av en roterende pumpe.
- Fjern røret fra fartøyet. Hell PDMS i en 40 x 50 x 24 mm3 plast fartøy å mold ytre form av reservoaret og plassere reservoaret mold (se trinn 1.1.1) i den.
- Bake hele kroppen av væsken PDMS på en kokeplate ved 80 ° C i ca 4 h.
- Etter bake, isolere PDMS reservoaret fra mugg PTFE og ytre fartøyet for hånd. Lage en rift i midten av reservoaret ved hjelp av en kirurgisk kniv. Dette vil bli brukt til å sette kantene på en anion exchange membran (forberedt i trinn 1.1.16) i den ved hjelp av pinsett.
Merk: PDMS reservoaret er fylt med elektrolytt-løsninger for senere, som vist i figur 2. - Få glassplater (laget av spesialbestilling) med en sirkulær form av 18 mm i diameter eller på et torg med 18 mm kanter.
- Vask glassplater av soaking dem i aceton, etanol og rent vann (i den rekkefølgen) i et ultrasonication bad i 15 min.
- Blåse eventuelle gjenværende væsker med en luftkanon eller varme glassplater med en kokeplate i 5 min på om 473 K.
- Bruker radiofrekvens sputtering, pels glassoverflaten med Cr eller Ti utsatt for Ar plasma for 1 min på 75 W og suksessivt innskudd en Au tynn film for 5 min på 75 W, angi tykkelse på ca 100 nm.
Merk: Før belegg glassoverflaten med målet metaller, prøvene ble satt i et vakuum kammer som ble evakuert med en roterende pumpe og en diffusjon pumpe til trykket reduseres til 1 x 102 Pa. - Lodde en leder på Au elektrode overflaten med en loddebolt.
Merk: Form av Au elektroden kan muligens bli erstattet av ruter og spiralformede ledninger, opprettholde flater som er stor nok til å generere ioniske strømninger. - Med pinsett, angi glass platene belagt med en Au tynnfilm i begge ender av reservoaret. Dette er bias elektrodene.
- Skjær en anion exchange membran i en rektangulær form av 20 x 18 mm2 med saks. Et areal på 13 mm i bredde og 10 mm inne høyde er utsatt for en væske. En boks kutter eller kirurgisk kniv kan her, også brukes til å kutte membranen.
- Klippe ut et rektangulært stykke 3 x 5,5 mm2 fra en kant av membranen med saks.
Merk: Tykkelsen av anion exchange membranen er 220 µm. Membranen er enkelt kan klippe med saks eller en boks cutter. Kantene av membranen er delvis løst med åpninger i kammeret. - Størkne en PDMS blokk med rustfritt stang med en 1 x 1 mm2 tverrsnitt på samme måte som i trinn 1.1.4 - 1.1.5, opprette en flyt kanal som trenger membranen. La bygging over natten og trekk rustfritt stangen av PDMS blokken.
- Klippe PDMS blokk med en firkantet flyt-kanal til en 3 x 6 x 4,5 mm stykke (se figur 2) bruker en kirurgisk kniv. Lage åpninger langs ytterkantene, og fest det til membranen i rektangulære utsparingen.
Merk: Oversiden av kanalen har å angi vannrett for en klar observasjon av partikler i den flyt kanal via gjennomsiktig veggen.
- Lage en PTFE mold av reservoaret:
- Utarbeidelse av løsninger og pretreatments for eksperimenter
- Forberede NaOH løsninger konsentrasjoner av 1 x 10−1, 1 x 102og 1 x 10−3 mol/L fortynne lager løsningen.
- Gjøre en spredning av polystyren partikler på 2,93 µm gjennomsnittlig diameter i hver av NaOH løsninger forberedt i trinn 1.2.1 ved å angi konsentrasjonen 4,2 x 10−3 vol %.
Merk: Størrelsen på tracer partikler kan endres riktig for å forbedre observerbarhet. - Ultrasonicate formatert anion exchange membranen av 20 x 18 mm2 med et slit av 3 x 5,5 mm2 2 x i 10 min i rent vann på en strøm av 100 W.
- Med pinsett, angi anion exchange membranen med PDMS flyt kanalen i PDMS reservoaret. Fyll tanken med 4 mL NaOH ved hjelp av brønnene.
Merk: Membranen overflaten og flyt kanalen er midt i løsningen der membran overflaten utsatt løsningen er minst 100 x større enn tverrsnitt av kanalen strømmen. - Bruke en elektrisk potensialet i 2.2 V ved å bruke en DC-strømkilde i fremover og bakover retninger for 2 h hver i serien, for å forbedre ledningsevne membranen før observasjon.
- Trekk Au elektrodene ut med pinsett. Fjerne løsningen fra reservoarene ved hjelp av brønnene.
- Angi nye Au elektrodene i reservoarene med pinsett. Fyll reservoarene med 4 mL NaOH ved hjelp av brønnene. Starte observasjoner når løsningen er equilibrated.
Merk: Det kan ta noen minutter ventetid før den naturlige luftstrøm slår seg ned, som kan bedømmes ved å observere atferden til tracer partikler.
- Eksperimentelle oppsett og måling systemer
- Angir bildefrekvensen og eksponeringstiden for et høyhastighets complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) kamera 500 fps og 1 ms, henholdsvis.
Merk: Som vist i figur 1, eksperimentelle enheten er satt på scenen i et mikroskop koblet til en høyhastighets overvåkingskamera registrere partikkel bevegelser. Visningen er forstørret i en 15 i skjermen med en 100 X linse. - Fjern bobler fra kanalen ved å sette spissen av brønnene i kanalen slutten til å dytte eller trekke ut dem før du bruker en elektrisk potensial.
- Eksternt bruke en elektrisk potensialet i 2.2 V Au bias elektrodene. Samtidig overvåke elektrisk svar ved hjelp av en potentiostat eller en DC-strømkilde med en digital multimeter.
Merk: Spenning verdien bestemmes skal den øvre grensen, unngå vannelektrolyse som genererer O2 og H2 bobler i løsningen. - Registrere virkemåten til tracer partikler på datamaskinen.
- Måle en elektrisk potensielle forskjellen mellom begge ender av flyt kanalen ved hjelp av Au sonde elektroder og en digital multimeter for å bekrefte at konsentrasjon gradient av ioner utløser en EHD flyt38,39.
- Fastslå opprinnelsen til kartesisk koordinatsystem i midten av kanalen.
Merk: x- aksen er langsgående retning strømmen kanalen og y- og z-akser er i vannrett og loddrett retning i tverrsnitt av kanalen, henholdsvis, som vist i figur 2. Gjennomsiktig PDMS kanalen lar væsken flyter visualiseres langs x-aksen. Visningen er fokusert på xy flyet på z = 0 ved å kontrollere dybden av fokus. Datatypen flyt er uavhengige av x i delen test bortsett fra like ved innløp og utløp av kanalen og observasjon punktet ligger på omtrent 0,75 mm nedstrøms fra opprinnelse, slik at x = 0,75, y = 0 og z = 0 mm. - Etter en enkelt måling (15 s), kortslutning elektrodene ved å koble dem sammen med leder for 20 min til løsningen er equilibrated.
- Deretter flytte hele løsningen til et annet fartøy (f.eks, en 10 mL prøve flaske) og rør det med brønnene.
- Hell rørt løsningen i kammeret igjen med brønnene når iteratively eksperimentet.
Merk: Etter observasjon evalueres EHD flyten hastighet ved hjelp av partikkel bilde velocimetry (PIV) metoden39, som kan gjøres ved hjelp av riktig programvare å spore forskyvning av partikler og numerisk evaluere hastigheten. En detaljert forklaring av PIV metoder og innøvd utelatt her fordi PIV analyser mye brukt og prosedyrene for beregninger avhenger av programvare og operativsystem som brukes.
- Angir bildefrekvensen og eksponeringstiden for et høyhastighets complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) kamera 500 fps og 1 ms, henholdsvis.
2. observasjon av Cation-indusert EHD flyter
-
Utviklingen av eksperimentell enhet
- Danne Au bias elektroder med 26 x 10 mm2 overflate på glass bunnplaten i henhold til prosedyrer like de tidligere beskrevet i trinnene 1.1.5 - 1.1.7.
- Bruker radiofrekvens sputtering, coat en glassoverflate med Cr eller Ti utsatt for Ar plasma i 2 minutter på 75 W og sette en Au tynn film for 5 min på 75 W.
Merk: Denne figuren av elektroden bestemmes for å konsentrere høyt elektrisk felt i regionen smaleste kanal. Elektroden overflaten, hvis området av 10 x 10 mm2 er utsatt for en væske, tverrsnitt av kanalen er ideelt 100: 1; Dette forholdet er spådd for å være tilstrekkelig til å slippe elektrisk potensial på kanalen av en stor mengde16. - Lodde en leder linje på en kant av elektrodene ved hjelp av en loddebolt.
- Fra en stor silikon gummiark, kutte ut 2 chambers, hver laget av en 1 x 1 x 1 mm3 flyt kanal plassert mellom to 10 x 10 x 1 mm3 reservoarer med en kirurgisk kniv (se fig. 3). Disse delene kan erstattes av PDMS.
- Klipp ut en cation exchange membran med en gjennomsnittlig tykkelse på 127 µm til 20 x 30 mm en boks kutter eller kirurgisk kniv, som vist i Figur 3.
- Ultrasonicate hver del i rent vann i 15 min ved å bruke 100 W.
- Sett inn en cation exchange membran mellom kammer ved hjelp av pinsett, som vist i Figur 3. Dette vil skille 2 elektrolytt-løsninger for ulike konsentrasjoner.
- Trykk og forsegle av kamre og cation exchange membran med glassplater som dimensjoner er 26 mm i bredde og 38 mm lang.
-
Utarbeidelse av løsninger
- Forberede en spredning av polystyren partikler av en gjennomsnittlig diameter på 1.01 µm i en 1 x 102 mol/L tris (hydroxymethyl) aminomethane ethylenediaminetetraacetic acid (Tris-EDTA) buffer løsning, hvor volumkontrollen justeres til 1 x 102 vol %.
- Forbered en blanding av 1 mol/L KCl og 1 x 102 mol/L av Tris-EDTA.
- Injisere Tris-EDTA/polystyren partikkel og Tris-EDTA/KCl løsningene i nedre og øvre chambers, henholdsvis, via sprøyte nåler settes inn fra vegger av kamre.
Merk: Antall løsninger injiseres i hvert kammer er ca 210 µL. - Vent ca 18 h til løsningen er equilibrated som følge av en spredning av ioner slappe av ion konsentrasjon forskjellen mellom øvre og nedre lagene.
Merk: I diffusjon prosessen, K+ i øvre løsningen og H+ i membranen forventes å trenge gjennom membranen først, og Cl− forventes å følge dem.
-
Eksperimentelle oppsett og måling systemer
- Angi eksperimentelle enheten utviklet i trinn 2.1 på scenen av invertert mikroskop for hånd, som vist i Figur 3. Koble mikroskopet til en høyhastighets CMOS kameraet overvåke baner av partikkel bevegelser og registrere observasjon data på en datamaskin.
- Bruke en elektrisk potensial differanse på 2 V 6 s mellom de to elektrodene med en funksjonsgenerator som en strømkilde.
- For å bekrefte at EHD renn er indusert av ion transport, måle ioniske strøm samtidig ved hjelp av en ammeter40.
- Analysere innspilte baner av partikler av partikkel sporing velocimetry (PTV) metoden39.
Merk: Etter observasjoner evalueres EHD flyten hastighet av PTV metoden, hvilke er mulig ved hjelp av riktig programvare, spore forskyvning av partikler og numerisk vurdere hastigheten. En detaljert forklaring av PTV metoder og innøvd utelatt her fordi PTV analyser mye brukt og prosedyrene for beregninger som avhenger av programvare og operativsystem som brukes.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Figur 4 (video figur) presenterer en representant resultatet av en EHD flyt generasjon, skyldes retting av ion transport stier og svært konsentrert kasjoner som forårsaket en flytende flyt i kanalen, etter trinn 1 i protokollen. Figur 5 viser et resultat av PIV analysen, der 20 datapunkter nær midten av kanalen (y = z = 0 mm) var i gjennomsnitt. I tilfelle 1 x 10−1 mol/L NaOH løsning, når en elektrisk potensialet i 2.2 V ble brukt på t = 5 s, hastigheten av tracer partikler raskt økt til en topp-verdi. Etter at hastigheten reduseres og konvergerte til 0. Høyeste hastigheten nådde en nær 2 mm/s. Dette er et vanlig resultat av en EHD generert ved hjelp av en anion exchange membran og en 1 x 10−1 mol/L NaOH løsning.
Det ble også bekreftet at electrophoretic transport hastigheten tracer partikler var mye lavere enn peak hastighet av væske i 1 x 10−1 mol/L NaOH løsning38,39. Som omtalt i litteratur39, regnes denne typen EHD flyt som består av motsatt flyter dratt av OH− passerer gjennom membranen og Na+ og H+ konsentrert i flyt kanalen å kompensere for anion transport i membranen. Som konsentrasjonen redusert, tendens transport virkemåten til å bli tregere. Dette betyr at varigheten-hastigheten nådde en topp- og nedbrytning tiden syntes å bli lenger, synkende toppverdien av hastigheten. Dette resultatet angitt at antall ioner som bevegelse ble drevet av elektrisk styrker redusert, og følgelig elektrisk kroppen kraften i væsken også redusert.
En viktig observasjon er at kontinuerlig ioniske strøm korrigere av ion selektiv grensesnittene forårsaket løsemiddel molekyler dras i én retning, og dette forårsaket en flytende flyt å utvikle. I dette tilfellet er det en mulighet at flytende flyten ble forsterket av ion konsentrasjon polarisering krysset anion exchange membranen som utløste omvendt flyten i kanalen. Dette punktet var allerede nevnt i en tidligere studie39. Det ble antatt at AC felt var også effektivt å kontrollere væske renner periodisk skiftende retninger. Nåværende EHD flyten var begrenset til forbigående svar på grunn av begrenset antall Na+ ioner; Denne situasjonen var ikke bidrar til å opprettholde en jevn kationisk strøm, selv om anvendt spenning av 2.2 V var nok til å indusere elektrolyse av vann. For å generere konstant EHD flyter, foreslår vi å dra løsemiddel molekyler med ion arter som er dominerende bærer over ionisk gjeldende. Ytterligere detaljer vil bli bekreftet i vårt fremtidige arbeid. Her introdusert vi et representativt resultat av en EHD flyt som kan bli indusert i NaOH løsninger ved å rette opp ion transport trasé. Detaljer om konsentrasjon avhengighet og elektrisk potensial forskjeller er også diskutert av Yano, Doi og Kawano37,38 og Yano, Shirai, Imoto, Doi og Kawano39.
Figur 6 (video figur) viser et representativt resultat av EHD generert i en elektrisk polarisert under ioniske gjeldende forhold. Hastighet svar EHD flyten var også analysert ved å spore tracer partikler, som vist i figur 7, som var en typisk resultatet ved å spore en enkelt partikkel nær sentrum av flyt kanalen. Når en elektrisk potensial 2 V ble brukt fra t = 2 til 8 s, polystyren partikler svarte på feltet Utlignet i elektrisk. Ved t = 2 s, partikkel raskt translocated i bakover retning, tilsvarer electrophoretic transport av negative kostnader. Etter en kort tid respons ble strømmen til retning forover og hastigheten jevnt på 30 µm/s til elektrisk potensialet var slått av.
I denne perioden, negativt ladde polystyren partikler flyttet i retning av transport av de positive ladningene. Generelt, kan retning ikke reverseres spontant under en retningsbestemt elektriske feltet, selv om overflaten ansvaret for partiklene var fullt beskyttet av counter kasjoner. Dermed indikerte resultatet at kasjoner spredt i løsningen ble også electrophoretically fraktet langs elektrisk felt, dra løsemiddel molekyler som gradvis utviklet en flytende flyt. Negativ kostnader Høykonsentrert på partikkel overflaten skyldes en elektrisk kraft sterkere enn kasjoner distribuert i løsningen, og dermed kjørte for det første transporten i negativ retning. Etter at økt en flytende flyt dratt av kationisk gjeldende en dra styrke på partikkel. I dette regimet, hastighet graderinger ble faktisk observert langs y-aksen vinkelrett flytretningen, og dermed en flytende flyt generasjon ble faktisk bekreftet.
Virkemåten av polystyren partikler av EHD strømmer ble også vurdert i en tidligere studie, og det ble funnet at hastigheten av EHD proporsjonalt økt med en økende ioniske strøm. En ventetid over 18 h før du bruker en ekstern elektrisk felt er den viktigste faktoren for å indusere en konstant EHD flyt, fordi det tar så lang tid for ion-distribusjoner å være equilibrated siden de er nesten enhetlig i kanalen. Som et resultat er Poiseuille som flyt mønstre stadig observert. På den annen side, kunne vi ikke bekrefte en jevn strøm når ventetiden ikke var tilstrekkelig til å oppnå jevn ion distribusjoner.
Etter å observere en konstant hastighet, elektrisk potensialet ble slått av på t = 8 s. Her, bytte den elektriske potensielle forskjellen fra 2 å 0 V, kan skjermet elektrodene kreve overdreven bruk av elektrisk potensial til å gjøre begge elektrode flater tilsvarende. I denne prosessen får ioner Høykonsentrert nær elektrode overflater frastøtende elektriske krefter, noe som resulterer i reversert ioniske strømninger. Spesielt ble kationisk gjeldende som var dominerende i det nedre laget forårsaket en flytende flyt genereres, og en forbigående respons i bakover retning faktisk observert i eksperimentell resultatet, som umiddelbart dukket opp når elektrisk potensialet var slått av og konvergerte 0 µm/s. Slike prosesser i EHD flyt generasjon var vanlig i dette eksperimentet. Ved siden av jevn EHD strømmen, omvendt renn observert når du bytter elektrisk potensial og av er også interessant. I forbigående svarene skape elektrokjemiske reaksjoner på elektroden overflater drastisk ion konsentrasjon forløpninger som induserer spredningen potensielle samt eksternt brukt elektrisk potensialer. Slike kompliserte ion transport fenomenene ikke er ennå avklart nok, og derfor er fag løses i fremtidige arbeid.
Mekanismer av EHD flyt generasjon presenteres skjematisk i Figur 8. En EHD flyt indusert i NaOH løsninger er vist i Figur 8entilsvarende ved Figur 4. EHD flyten dratt av Na+ i kanalen utløses av transport av OH− i en anion exchange membran. Ustø flyten skyldes spredning masse flux demping, momentum flux demping, overflate mobilitet og electrowetting av elektroden overflater. En annen mekanisme av EHD indusert under kationisk gjeldende forhold, som er mer dominerende enn anionic, er representert i Figur 8b. K+ ioner første trenge en cation exchange membran, forårsaker kasjon dominerende forhold, og følgelig EHD flyt er indusert langs kationisk gjeldende.
Som beskrevet ovenfor, er opprettholde elektrisk polarisert forhold under ioniske gjeldende betingelser ved å redusere bruk av elektrisk potensialene nøkkelen til generere jevn EHD renn. Ved hjelp av dagens metoder, noen volt kan være tilstrekkelig å indusere EHD flyter i vandige løsninger, selv om vannelektrolyse er nødvendig for å opprettholde konstant ioniske strøm for å forbedre fart overføring fra elektrolytt ioner til løsemiddel molekyler.
Figur 1 : Bilde av eksperimentelle oppsett for EHD flyt observasjon. Bevegelser av tracer partikler spores av mikroskop koblet til en høyhastighets kamera, innspilling baner i kontrolleren. Elektrisk potensialer brukes ved hjelp av en potentiostat eller en DC strømkilde. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 2 : Skjematisk illustrasjon av en eksperimentell enhet. En flyt kanal laget av PDMS er løst i en anion exchange membran og fylt med en NaOH vandig løsning. Au elektroder blir plassert i begge ender av løsningen. Opprinnelsen til koordinaten ligger i sentrum av plassen flyt kanalen og en observasjon er en xy flyet nær x = 0,75 og z = 0 mm. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 3 : Bilde av eksperimentelle oppsett og skjematisk diagram av en enhet å indusere en kasjon-dratt EHD flyt i en elektrisk polarisert. En 1 mol/L KCl og 1 x 102 mol/L Tris-EDTA buffer løsning og en 1 x 102 vol % polystyren (PSt) partikkel spredning i en 1 x 102 mol/L Tris-EDTA buffer løsning er atskilt med en cation exchange membran, hvor gjennomsnittlig diameter PSt partiklene er 1.01 µm. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 4 (video figur): en film av EHD flyt som drives av transport av Na+ ioner konsentrert i flyt kanalen. Tracer partiklene er fraktet langs retningen til det elektriske feltet når en elektrisk potensialet i 2.2 V brukes på t = 5 s. negativt ladde polystyren partikler er brakt til katoden side i en EHD flyt som drives av kationisk gjeldende i kanalen. I en 1 x 10−1 mol/L NaOH løsning, er en topp hastighet nær 2 mm/s nådde raskt etter bruk en elektrisk potensial og hastigheten suksessivt forfaller til null. Vennligst klikk her å se denne videoen. (Høyreklikk for å laste ned.)
Figur 5 : Svaret EHD flyt observert i flyt kanalen, skyldes PIV analysen for den innspilte filmen av Figur 4. Hastighet svaret (blå heltrukket linje) ble innhentet av gjennomsnittet av 20 poeng nær sentrum av kanalen (y = z = 0 mm). Hastigheten økes raskt etter bruk en elektrisk spenning av 2.2 V på 5 s og gradvis konvergerer 0 mm/s. Sekvensen av anvendt spenning er også vist med en rød, stiplet linje. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 6 (video figur): en film av EHD observert i en elektrisk polarisert, skiller en 1 mol/L KCl løsning og isopor dispersjon ved hjelp av en cation exchange membran. Bruke en elektrisk potensial 2 V fra t = 2 til 8 s, transport av tracer partikler gjenspeiler en EHD flyt som drives av en kationisk strøm. En konstant flyt hastighet når 30 µm/s under bruk av potensial. I tillegg svare partikler også kort i negativ retning når elektrisk potensialet er aktivert og deaktivert fordi elektrisk ladning av en partikkel først påvirker bevegelse. Vennligst klikk her å se denne videoen. (Høyreklikk for å laste ned.)
Figur 7 : Responsen av EHD observert i kanalen, som følge av PTV analysen for den innspilte filmen av figuren 6. Hastighet svaret (blå heltrukket linje) ble oppnådd ved å spore en enkelt partikkel nær midten av kanalen. Sekvensen av anvendt spenning er også vist med en rød, stiplet linje. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 8 : Skjematisk av EHD flyte generasjon mekanismer tilsvarer tallene 4 og 5 (panel a) og 6 og 7 (panelet b). (en) flytende renn er indusert i en NaOH vandig løsning som er atskilt med en anion exchange membran, der EOF indusert av en OH− transport i membranen utløser en flyt dratt av en Na+ transport i kanalen og er delvis borte med masse flux demping, momentum flux demping, overflate mobilitet og electrowetting av elektroden overflater. (b) er kationiske nåværende er mer dominerende enn anionic gjeldende fordi K+ først trenger en cation exchange membran, som bidrar til en flytende flyt dratt av kasjoner under konstant gjeldende forhold med vann elektrolyse. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Formålet med denne studien var å skille kasjoner og anioner i vandige løsninger romlige distribusjoner og transport tall. Bruker en anion exchange membran, kan transport av anioner og kasjoner rettes i membranen og i flyt kanal som trenger membranen, henholdsvis. Alternativt en cation exchange membran som skilte høy og lav konsentrasjon løsninger arbeidet for å generere elektrisk polarisert løsninger etter en betydelig ventetid. Resultatet rektifiserte ioniske strøm lyktes i å redusere anvendt spenning å indusere ion-dratt EHD flyter.
Metodene presenteres her er tilgjengelige for vandige løsninger med lav programmet spenninger i forhold til konvensjonelle metoder som krever ekstremt høye spenninger på titalls kV å injisere elektrisk kostnader i ikke-polar løsninger. Det var avklart at EHD renn er effektive i vandige løsninger samt ikke-polar løsninger.
Imidlertid finnes metodene, avhenger av vannelektrolyse å opprettholde konstant ioniske strømninger som ideelt potensial med vannelektrolyse er kjent for å være 1,23 V. Dermed er det en begrensning på anvendt spenning å unngå å generere O2 og H2 bobler som endrer egenskapene til en væske. For å overkomme denne begrensningen, har materialer elektroder og elektrolytt-løsninger bestemmes hensiktsmessig å angi elektrokjemiske reaksjoner på elektroden overflater å generere ioniske strømninger i løsninger. Ved hver rettssaken, bør elektroden overflater polert og blottet for å gjøre en sterk elektrisk felt i løsningen forbedrer de elektrokjemiske reaksjonene.
I denne studien, ble bruk av ion-exchange membraner foreslått å rette transport veier ion arter. På den annen side, syntes effektiviteten av EHD flyt generasjon å avhenge evnen til membraner. Som omtales i protokollen, tar spredningen av ioner en betydelig ventetid før det blir stabilt. Derfor er preprocess å øke ledningsevne membraner avgjørende for å forbedre EHD flyt generasjon. Ved vedlikehold av ionisk gjeldende forholdene i eksternt anvendt elektrisk felt, transport egenskaper ioner er forbedret, og elektrisk polarisert forhold er effektivt oppnådd.
I fremtiden, er EHD strømmer av vandige løsninger ventet å bli anvendelig for flytende Strømningsstyresystemer i mikro- og nanofluidic enheter kombinert med EOFs og lignende. Videre er søknader om utstyr i som ion transport har en viktig rolle å stimulere biologiske celler og signal transduction, også utfordrende.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Forfatterne ikke avsløre.
Acknowledgments
Forfatterne har ingen takk.
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).
