Summary
Исправление путей переноса ионов является эффективным методом для создания потоков однонаправленный тащили Ион Электрогидродинамическое. Устанавливая ионообменные мембраны в канале потока, электрически поляризационные состояния создается и вызывает поток жидкости управляться внешне применяется электрическое поле.
Abstract
Диск Электрогидродинамическое (ЭГД) потоков в водных растворах, разделение катион и анион транспортных путей имеет важное значение потому, что режиссер электрические тело силы индуцированных ионных движений в жидкости. С другой стороны положительные и отрицательные заряды притягиваются друг к другу, и электронейтральности поддерживается повсюду в условиях равновесия. Кроме того увеличение приложенного напряжения должен быть подавлены избежать электролиза воды, что приводит решения становятся нестабильными. Обычно ЭГД потоков может быть наведено в неводных растворах, применяя чрезвычайно высоких напряжений, таких как десятки кв, придать электрических зарядов. В этом исследовании вводятся два методы генерировать потоки ЭГД, вызванного электрического заряда цветоделения в водных растворах, где две жидкой фазы разделяются ионообменные мембраны. Из-за разницы в ионной подвижности в мембране ионная концентрация поляризации индуцируется между обеими сторонами мембраны. В этом исследовании мы демонстрируем два метода. (i релаксации градиенты концентрации ионов происходит через канал потока, который проникает ионообменные мембраны, где транспорта медленнее видов в мембране выборочно становится доминирующим в канале потока. Это является движущей силой для создания ЭГД потока жидкости. (ii) долгое время ожидания для диффузии ионов, проходя через мембраны ионообменные позволяет создавать поток ионов тащили применяя внешнего электрического поля. Ионов, сосредоточены в канале потока 1 x 1 мм2 сечения определяют направление потока жидкости, соответствующий электрофоретической транспортных путей. В обоих методах разница электрического напряжения, необходимые для потока поколения ЭГД резко уменьшается до вблизи 2 V путем исправления путей переноса ионов.
Introduction
Недавно методы контроля потока жидкости привлекли большое внимание из-за интереса в приложениях микро - и nanofluidic устройств,12,3,4,5, 6 , 7 , 8 , 9 , 10 , 11 , 12 , 13 , 14 , 15. в полярных решений, таких как водные растворы и ионных жидкостей, ионов и электрически заряженных частиц обычно приносят об электрических зарядов в жидких потоков. Перевозка таких поляризованных частиц обеспечивает расширение различных приложений, таких как сингл молекула манипуляции6,10,11,13,14 , 15 , 16 , 17, ионный диод устройства12,18и жидкий поток управления19,20,,2122. ЭГД поток был применимым явление для систем контроля расхода жидкости Stuetzer1,2 изобрел Ион перетащить насоса. Melcher и Тейлор3 опубликовал важную статью в котором теоретические основы ЭГД потока хорошо рассмотрел и некоторые выдающиеся эксперименты были также продемонстрированы. Савиль4 и его коллеги23,24 способствовали следующие расширения ЭГД технологий в жидкости. Однако существуют некоторые ограничения, чтобы заставить жидких потоков, обусловлен электрических сил, потому что десятки кв должны применяться в жидкости придать электрических зарядов в неполярных решений, таких как масла, чтобы поляризовать их1,2 , 3. это недостаток для водных растворов, потому что электролиз воды, которая индуцируется электрический потенциал, выше, чем 1.23 V меняет характеристики решений и делает решения нестабильной.
В микро - и nanofluidic каналы поверхности обвинения стенок канала вызывают концентрации counterions, которые эффективно стимулировать потоки Электроосмотическое (ВФ) под внешне прикладной электрического поля25,26,27 ,,2829. С помощью ВФ, некоторые жидкие насосных методы применялись в водных растворах, уменьшение электрического напряжения30,,3132. С другой стороны ВФ ограничены создаются в микро - и nanospaces, в котором площади поверхности становятся более доминирующей чем жидкий томов. Кроме того в зависимости от транспорта высокой концентрации ионов очень вблизи поверхности стен, таких как в электрических двойных слоев, границы скольжения только вызывает потока жидкости, которая не может быть достаточно, чтобы сделать давление градиенты7, 8 , 22 , 26 , 27. Тонкая настройка, таким образом, чтобы размеры канала и концентрация соли, не требуется для приложений EOF. В отличие от ЭГД потоков определяется органом, которую силы, как представляется, быть доступны для транспортировки массы и энергии, если приложения напряжения может быть сокращены, чтобы избежать унижающего достоинство растворителей. Недавно некоторые исследователи предложили приложений ЭГД потоков с низким напряжением33,34,35,36. Хотя эти технологии еще не были выполнены, границы предполагается расширить.
В предыдущих исследованиях мы также провели экспериментальные и теоретические работы по ЭГД потоков в водных растворах37,,3839,40. Предполагалось, что исправление путей переноса Иона был эффективным сформировать электрически заряженных решения, которые вызывают электрические тело силы под электрических полей. С помощью ионообменных мембран и канал потока через мембрану, мы смогли исправить ионных токов. При применении Анионообменная мембраны, катионы сосредоточены в потоке канал тащили растворителей и разработал ЭГД потока37,,3839. Разница в подвижности ионов видов является важным фактором при разделении катионные и анионными течений. Ионообменные мембраны эффективно работал для модуляции мобильность благодаря избирательности Ион. Явления переноса иона также были исследованы с точки зрения ионных плотности тока, под влиянием прикладной электрического поля41. Эти исследования были плодотворными для развивающихся методов манипуляции для одной молекулы, а именно, микро - и наночастиц, чьи ходатайства сильно пострадавших от тепловых колебаний11,16,17 . ЭГД потоков и ВФ предполагается расширить разнообразие методов точного потока управления, а также давление градиентов.
В этом исследовании мы демонстрируем два метода для привода ЭГД потоков в водных растворах. Во-первых раствор NaOH используется для рабочей жидкости для привода ЭГД потока37,,3839. Анионообменная мембрана отделяет жидкости на две части. Полидиметилсилоксан (PDMS) канал потока с сечением 1 x 1 мм и длиной 3 мм проникает мембраны. Применяя электрический потенциал 2.2 V, электрофоретической перевозки Na+, H+и ионы OH− индуцируется вдоль электрического поля. Анионообменная мембраны и канал потока эффективно работать для разделения пути переноса ионов, где анионов преимущественно проходят через мембрану и катионов сосредоточиться в канале потока, хотя оба вида обычно двигаться в противоположных направлениях, поддержание электронейтральности. Таким образом такое условие не вызывает движущей силой для жидких потоков. Эта структура имеет решающее значение для генерации ЭГД поток, скорость потока которых достигает порядка 1 мм/s в канале потому что высококонцентрированный катионов ускорился от внешних электрических полей перетащите молекул растворителя. ЭГД потоки наблюдается и записанная с помощью микроскопа и высокоскоростной камеры, как показано на рисунке 1. Во-вторых, концентрация разница между двух жидких фаз, разделенных ионообменные мембраны вызывает электрически поляризационные состояния создаваемого пересечения ионообменные мембраны40. В этом исследовании мы находим значение значительное время ожидания чтобы сбалансировать Ион дистрибутивов и соответствующий электрический потенциал, которые вызывают предпочтительным условий для применения силы тела в жидкости. Пересекая ионообменные мембраны, слабо поляризационные состояния достигается. В таком состоянии внешне прикладной электрическое поле вызывает направленного ионного транспорта, который генерирует силу тела в жидкости, и в результате передачи импульса от ионов растворителя развивается ЭГД потока.
Как упоминалось выше, настоящий устройства успешно резко уменьшается разница несколько вольт приложенное напряжение, и таким образом этот метод может использоваться для водных растворов, хотя инъекций методы обычного электрического заряда требуется десятки кв и ограничены к приложению для не водные растворы.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. ЭГД потока, вызванные ректификованного ионного транспорта
- Разработка устройства канал потока для исправления путей переноса ионов
- Сделайте PTFE плесень водохранилища:
- Вырезать 13 x 30 x 10 мм3 формы из политетрафторэтилена (ПТФЭ) блока с помощью фрезерный станок (см. Рисунок 2). Кроме того приобрести на заказ продукт.
- Придерживайтесь Акриловые плиты 15 x 18 x 1 мм3 на обоих концах формы PTFE с пластиковой клей, который сделает щелей в водохранилище урегулировать смещения электродов. Эти части можно вырезать из большой тарелке или приобрели.
- Придерживаемся Акриловые плиты 13 x 30 x 1 на3 мм в верхней и нижней поверхности ПТФЭ прессформы с пластиковой клей для плоских поверхностей для четкого наблюдения.
- Смеси силиконовые эластомера базы и отверждения агента в соотношении 10:1 в 50 мл трубки и встряхнуть трубки вручную.
- Урегулировать жидкого PDMS в вакуумный сосуд и Дега его с помощью центробежного насоса.
- Снять трубку с судна. Налейте PDMS 40 x 50 x 24 мм3 пластиковых судно плесень внешняя форма водохранилища и место плесень водохранилище (см. шаг 1.1.1) в нем.
- Выпекать все тело жидкости PDMS на конфорку при 80 ° C около 4 ч.
- После выпечки изолируйте PDMS водохранилище из ПТФЭ плесени и внешнего сосуда вручную. Сделайте разрез через центр водохранилища с помощью хирургического ножа. Это будет использоваться положить края Анионообменная мембраны (подготовленных на шаге 1.1.16) в его с помощью пинцета.
Примечание: PDMS водохранилище заполняется с растворов электролитов позже, как показано на рисунке 2. - Получите стеклянные пластины (по специальному заказу) с круглой формы 18 мм в диаметре или в квадрат с краями 18 мм.
- Помыть стеклянные пластины путем замачивания их в ацетоне, этанола и чистая вода в ванне ultrasonication 15 мин (в этом порядке).
- Взорвать любой остаточной жидкости с пневматический пистолет или обогрева стекла с плитой для 5 минут около 473 K.
- С помощью распыления радио частоты, пальто поверхности стекла с Cr или Ti, подвергается Ar плазмы за 1 мин в 75 Вт и последовательно, депозит Au тонкой пленки для 5 мин в 75 Вт, Установка толщины приблизительно 100 Нм.
Примечание: Перед покрытием поверхности стекла с целевой металлов, образцы были установлены в вакуумной камере, который был эвакуирован с центробежного насоса и насос молекулярной диффузии до тех пор, пока давление уменьшилось до 1 x 10−2 Pa. - Припой привести на поверхности электрода АС с помощью паяльника.
Примечание: Форма Au электрода может возможно быть заменены квадраты и винтовой провода, поддержание поверхностей достаточно большой, чтобы генерировать ионных токов. - С помощью пинцета установите стеклянные пластины, покрытая тонкой пленкой Au на обоих концах водохранилища. Это смещения электродов.
- Вырежьте Анионообменная мембраны в прямоугольную форму 20 x 18 мм2 с помощью ножниц. Площадь поверхности 13 мм в ширину и 10 мм в высоту подвергается воздействию жидкости. Здесь коробка резак или хирургического ножа может также использоваться для сокращения мембраны.
- Вырежьте прямоугольный кусок2 3 х 5,5 мм от одного края мембраны с ножницами.
Примечание: Толщина мембраны Анионообменная-220 мкм. Мембраны легко резать с ножницами или ножом коробки. Частично края мембраны крепятся с прорезями в камере. - Закрепить PDMS блок с нержавеющей стержень 1 x 1 мм2 сечения таким же образом как и шаги 1.1.4 - 1.1.5, чтобы создать канал потока, который проникает мембраны. Оставьте на ночь строительство и затем свести нержавеющей стержень из блока PDMS.
- Вырезать PDMS блок с каналом квадратных потока в 3 x 6 x 4.5 мм кусок (см. рис. 2) с помощью хирургического ножа. Сделать разрезами вдоль внешнего края, а затем приложите его к мембране в прямоугольный вырез.
Примечание: Верхней грани канала должен быть установлен горизонтально для четкого наблюдения частиц в потоке канал через прозрачные стены.
- Сделайте PTFE плесень водохранилища:
- Подготовка решений и взрывоопасностью для экспериментов
- Подготовьте водных растворах NaOH в концентрациях от 1 x 10−1, 1 x 10−2и 1 x 10−3 моль/Л путем разбавления Стоковый раствор.
- В среднем сделайте дисперсии частиц из полистирола 2,93 мкм в диаметре в каждом растворов NaOH, подготовленный в шаг 1.2.1, установив концентрацию до 4.2 x 10−3 vol %.
Примечание: Размер трассировочного частиц могут быть изменены соответствующим образом улучшить наблюдаемости. - Ultrasonicate мембрана отформатированный Анионообменная 20 x 18 мм2 с разрезом 3 х 5,5 мм2 2 x 10 мин в чистой воде на мощность 100 Вт.
- С помощью пинцета установите Анионообменная мембраны с каналом PDMS потока в водохранилище PDMS. Заполните резервуар с 4 мл раствора NaOH, используя микропипеткой.
Примечание: Мембраны поверхности и потока канала погружаются в того решения, где поверхности мембраны подвергаются в решение по крайней мере 100 x больше, чем сечение канала потока. - Примените электрический потенциал 2.2 V с помощью источника питания постоянного тока в направлениях вперед и назад для 2 h в серии, чтобы улучшить проводимость мембраны до наблюдения.
- Вытяните Au электроды с помощью пинцета. Удаление решения из резервуаров с помощью микропипеткой.
- Набор новых Au электродов в водохранилищах с помощью пинцета. С 4 мл раствора NaOH, используя микропипеткой, заполните водохранилища. Начало наблюдений, когда достижение равновесного уровня решения.
Примечание: Это может занять несколько минут время ожидания до тех пор, пока естественной конвекции оседает вниз, который можно судить путем наблюдения за поведением трассирующими частиц.
- Экспериментальные установки и измерения системы
- Задать частоту и время экспозиции камеры высокоскоростной дополнительные металл оксид полупроводник (CMOS) 500 fps и 1 мс, соответственно.
Примечание: Как показано на рисунке 1, экспериментальное устройство устанавливается на сцене подключены к высокоскоростной КМОП камеры микроскопа для записи движения частиц. По мнению увеличивается в 15 монитора с объективом 100 X. - Удалите все пузырьки из канала, вставив наконечник микропипеткой в конце канала нажать или вытянуть вне их, прежде чем применять электрический потенциал.
- Внешне применяется электрический потенциал 2.2 V к АС смещения электродов. Одновременно контролировать электрические ответы с помощью потенцио или источник питания постоянного тока с цифровой мультиметр.
Примечание: Значение напряжения определяется верхний предел, избегая электролиза воды, который генерирует O2 и H2 пузырьков в решении. - Запись поведение частиц трассировки на компьютере.
- Измерение разности электрических потенциалов между обоих концах канала потока с помощью Au зонд электродов и цифровой мультиметр для подтверждения, что градиент концентрации ионов триггеры ЭГД потока38,39.
- Определите происхождение в декартовой системе координат в центре канала.
Примечание: x- ось расположена вдоль продольной направление потока канала и y- и z-оси находятся в горизонтальном и вертикальном направлениях в сечение канала, соответственно, как показано на рисунке 2. Прозрачный PDMS канал позволяет жидких потоков для отображения вдоль x-оси. По мнению ориентирован на плоскости xy в z = 0, управляя глубины фокуса. Поток данных не зависят от x в разделе тест за исключением просто рядом на входе и выходе из канала, и точка наблюдения устанавливается на приблизительно 0,75 мм ниже по течению от начала координат, что x = 0,75, y = 0 и z = 0 мм. - После одного измерения (15 s), короткого замыкания электроды, подключив их к друг другу с свинца за 20 мин до тех пор, пока решение является достижение равновесного уровня.
- Далее переместите полностью решения другого судна (например, 10 мл бутылка образца) и размешать с микропипеткой.
- Залейте раствор перемешивают в камеру снова, используя микропипеткой, при последовательном выполнении эксперимента.
Примечание: После наблюдения, скорость потока ЭГД оценивается с помощью частицы изображения Велосиметрия (PIV) метод39, который может быть сделано с помощью соответствующего программного обеспечения для отслеживания перемещения частиц и численно оценить скорость. Подробное изложение методов PIV и как их использовать опущен здесь, потому что PIV анализы широко использовались и процедуры вычисления зависят от программного обеспечения и операционной системы, которая используется.
- Задать частоту и время экспозиции камеры высокоскоростной дополнительные металл оксид полупроводник (CMOS) 500 fps и 1 мс, соответственно.
2. наблюдение катион индуцированной ЭГД потоков
-
Разработка экспериментальных устройства
- Формируют Au смещения электродов с поверхностью2 26 x 10 мм на нижней стеклянной пластине согласно процедуры, аналогичные тем, которые ранее описанных шагов 1.1.5 - 1.1.7.
- С помощью распыления радио частоты, пальто поверхности стекла с Cr или Ti, подвергается Ar плазмы на 2 мин в 75 Вт и депозит Au тонкой пленки для 5 мин на 75 Вт.
Примечание: Эта форма электрода определяется для высокой концентрации электрических полей в регионе узкого канала. Отношение поверхности электрода, чья площадь 10 x 10 мм2 подвергается воздействию жидкости, сечение канала идеально плечом; Это соотношение прогнозам будет достаточно, чтобы упасть электрический потенциал на канале большой объем16. - С помощью паяльника припой ведущие линии на края электродов.
- От большой силиконовый резиновый лист, вырезать 2 камеры, каждая из 1 x 1 x 1 мм3 потока канал помещается между двух 10 x 10 x 1 мм3 водохранилищ, с помощью хирургического ножа (см. рис. 3). Эти части могут быть заменены PDMS.
- Вырежьте-катионообмен мембраны средняя толщина 127 мкм до 20 x 30 мм с помощью коробка резак или хирургического ножа, как показано на рисунке 3.
- Ultrasonicate каждой части в чистой воде на 15 минут, применяя 100 Вт.
- Вставка-катионообмен мембрану между камерами с помощью пинцета, как показано на рисунке 3. Это будет отдельный 2 растворов электролитов различной концентрации.
- Нажмите и уплотнения стека камер и катионного обмена мембраны с стеклянные пластины, размеры которых являются 26 мм в ширину и 38 мм в длину.
-
Подготовка решений
- Подготовить дисперсия полистирола частиц средний диаметр 1.01 мкм в 1 x 10−2 моль/Л трис (гидроксиметил) aminomethane Этилендиаминтетрауксусная кислота (Tris-ЭДТА) буферного раствора, где соотношение объема корректируется до 1 x 10−2 vol %.
- Приготовить смесь из 1 моль/Л хлористого калия и 1 x 10−2 моль/Л трис-ЭДТА.
- Привнести трис-ЭДТА/полистирол частиц и решения трис-ЭДТА/KCl в нижней и верхней палат, соответственно, через иглы для шприцов, вставленных из боковых стен камер.
Примечание: Количество решений, вводят в каждой камере составляет около 210 мкл. - Подождите около 18 часов, до тех пор, пока решение является достижение равновесного уровня в результате диффузии ионов расслабиться ионной концентрации разница между верхний и нижний слои.
Примечание: В процессе диффузии, K+ в решении верхней Ч+ в мембране ожидается и проникать мембраны первой и Cl− , как ожидается, следовать за ними.
-
Экспериментальные установки и измерения системы
- Установите экспериментальное устройство развитых шаг 2.1 на сцене инвертированным микроскопом вручную, как показано на рисунке 3. Подключите Микроскоп к высокоскоростной КМОП камеры для мониторинга траектории движения частицы и записи данных наблюдения на компьютере.
- Применить разности электрических потенциалов 2 V 6 s между двумя электродами, используя функции генератора в качестве источника питания.
- Чтобы убедиться, что потоки ЭГД вызванных транспорт ионов, измеряют ионные токи одновременно с помощью амперметра40.
- Анализируйте записанные траекторий частиц частицы, отслеживания метод Велосиметрия (ПТВ)39.
Примечание: После замечания, скорость потока ЭГД оценивается методом PTV, который можно с помощью соответствующего программного обеспечения, чтобы отслеживать перемещение частиц и численно оценить скорость. Подробное объяснение PTV методов и их использование здесь опущено, потому что PTV анализы широко использовались и процедуры вычисления зависят от программного обеспечения и операционной системы, которая используется.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Рисунок 4 (видео рисунок) представляет представителя результат ЭГД потока поколения, в результате исправление путей переноса ионов и высококонцентрированных катионы, которые потока жидкости в канале, по словам шаг 1 протокола. Рисунок 5 показывает результат анализа PIV, где 20 данных точек в центре канала (y = z = 0 мм) были в среднем. В случае 1 x 10−1 моль/Л NaOH, решение, когда электрический потенциал 2.2 V был применен при t = 5 сек, скорость трассирующими частиц, быстро увеличилось до пикового значения. После этого скорость снизилась и сходились в 0. Пик скорости достигла около 2 мм/сек. Это типичный результат ЭГД потока, созданного с помощью Анионообменная мембраны и 1 x 10−1 моль/Л раствора NaOH.
Было также подтверждено, что электрофоретической транспорта скорость трассирующими частиц был гораздо ниже, чем пик скорости потока жидкости в 1 x 10−1 моль/Л раствора NaOH38,39. Как отмечалось в литературе39, этот вид ЭГД потока считается состоит из обратный потоки, тащили OH− проходящей через мембраны и Na+ и H+ сосредоточены в канале потока, чтобы компенсировать анион Транспорт в мембрану. Как концентрация уменьшилась, поведение транспорта, как правило, становятся медленнее. Это означает, что продолжительность-до тех пор, пока скорость достигла пика- и время распада, по-видимому, более, уменьшается максимальное значение скорости. Этот результат указал, что сократилось число ионов, чьи движения был обусловлен электрических сил, и следовательно, силы электрического тела в жидкости был также сокращен.
Одно важное замечание, что непрерывное ионных токов, компенсировано Ион селективного интерфейсы вызвало молекул растворителя быть втянутой в одном направлении и это вызвало потока жидкости для разработки. В этом случае существует возможность, что жидкий поток был усилен поляризации концентрации ионов пересечения Анионообменная мембраны, вызвавший обратный поток в канале. Этот момент уже было упомянуто в предыдущем исследовании39. Предполагалось, что переменного поля также являются эффективными для контроля жидких потоков, периодически изменения направлений. Настоящий поток ЭГД был ограничен переходных реакций из-за конечное число ионов Na+ ; Эта ситуация не способствует поддерживать устойчивый Катионный ток, даже если приложенное напряжение 2.2 V было достаточно, чтобы побудить электролиза воды. Для создания постоянной ЭГД потоков, мы предлагаем перетаскивания растворителя молекул с Ион видов, которые являются доминирующим перевозчик ионного тока. Более подробная информация будет проверена в нашей будущей работе. Здесь мы ввели представитель результат ЭГД потока, которая может быть вызвана в растворах NaOH выпрямительный путей переноса ионов. Сведения о зависимости концентрации и электрические потенциальные различия обсуждаются также Яно, ДОИ и Kawano37,38 и39Яно, Shirai, Имото, ДОИ и Kawano.
Рисунок 6 (видео) рисунке представитель результат ЭГД потока, созданного в электрически поляризованные решения нынешних условиях ионных. Скорость реакции ЭГД потока также был проанализирован отслеживания трассировщик частицы, как показано на рисунке 7, который был типичный результат, полученный путем отслеживания одной частицы в центре канала потока. Когда электрический потенциал 2 V был применен от t = 2-8 s, полистирола частицы ответил на приложенного электрического поля. При t = 2 s, быстро перемещаются в обратном направлении, соответствующий электрофоретической перевозки отрицательных зарядов частиц. После короткого времени ответа изменено на прямом направлении и скорости потока стала стабильным на уровне 30 мкм/s до тех пор, пока электрический потенциал был выключен.
В этот период отрицательно заряженных частиц из полистирола двигались в направлении транспорта положительных зарядов. В общем направление может не быть отменено спонтанно под однонаправленный электрического поля, даже если поверхности заряда частиц была полностью защищена счетчика катионами. Таким образом этот результат указал, что катионы, диспергированных в решении также электрофорезно были перевезены вдоль электрического поля, перетаскивая растворителя молекулы, которые постепенно развивается потока жидкости. Отрицательными зарядами сконцентрированы на поверхности частиц, вызванные катионов, распределенных в решении электрической силы, сильнее, чем это и, таким образом, сначала поехали транспорт в отрицательном направлении. После этого потока жидкости, перетащить текущим Катионный увеличение силы сопротивления на частицы. В этом режиме, градиенты скорости на самом деле были замечены вдоль y-оси, перпендикулярной направление потока и, таким образом, создание потока жидкости на самом деле было подтверждено.
Поведение полистирола частиц, затронутых ЭГД потоки также оценивалась в предыдущем исследовании, и было установлено, что скорость потока ЭГД пропорционально увеличена с растущей ионного тока. Время ожидания более чем 18 h перед применением внешнего электрического поля является наиболее важным фактором для стимулирования постоянного потока ЭГД, потому что она занимает долгое время для иона распределений для достижение равновесного уровня, поскольку они почти одинаковы в канале. В результате неуклонно соблюдаются Пуазейля, которое как потоков. С другой стороны мы не смогли подтвердить постоянный поток, когда время ожидания не был достаточным для достижения единообразного Ион дистрибутивов.
После наблюдения с постоянной скоростью, Электрический потенциал был выключен при t = 8 s. Здесь чтобы быстро изменить разности электрических потенциалов от 2 до 0 V, экранированный электродов может потребовать чрезмерное применение электрического потенциала для того, чтобы сделать обе поверхности электрода эквивалент. В этом процессе ионов, сконцентрированы вблизи поверхности электрода получают отталкивающим электрические силы, какой результат в противоположный ионных токов. Особенно Катионный ток, который доминировал в нижнем слое вызвало потока жидкости, которые будут созданы и переходных ответ в обратном направлении фактически наблюдалось в экспериментальный результат, который сразу же появились когда электрический потенциал был выключен и конвергентных 0 мкм/сек. Такие процессы в создание потока ЭГД были типичны в этом эксперименте. Рядом с устойчивый поток ЭГД обратный потоки наблюдается при включении электрического потенциала и покинуть также интересны. В переходных мер электрохимических реакций на поверхности электрода возможно вызвать резкое Ион градиенты концентрации, которые побудить потенциального распространения, а также внешне применяется электрических потенциалов. Такие сложные Ион транспортные явления еще не были уточнены достаточно, и, таким образом, вопросы должны решаться в будущем работать.
Механизмы формирования потока ЭГД схематично представлена на рисунке 8. ЭГД поток, индуцированной в растворах NaOH показан на рисунке 8, соответствующее дело на рисунке 4. Na+ , потянулись в канале потока ЭГД инициируется транспорта OH− Анионообменная мембраны. Неустойчивостью потоков вызвано отвод демпфирования плотность потока массы, импульс потока затухания, поверхности мобильности и electrowetting поверхности электрода. Еще один механизм ЭГД потока, индуцированного катионных нынешних условиях, которые встречаются куда чаще, чем анионных, представлена на рисунке 8b. Ионов K+ сначала проникают катионообмен мембраны, вызывая катион доминантный условия, и, в результате поток ЭГД индуцируется вдоль Катионный ток.
Как описано выше, поддержание электрически поляризованные условий ионной нынешних условиях путем сокращения применения электрических потенциалов является ключом к генерации устойчивый ЭГД потоков. С помощью нынешних методов, несколько вольт может быть достаточно навести ЭГД протекает в водных растворах, хотя электролиза воды является необходимым для поддержания постоянной ионных токов для расширения передачи импульса от электролита ионов молекул растворителя.
Рисунок 1 : Фотография экспериментальной установки для наблюдения за потоком ЭГД. Движения частиц трассирующими прослеживаются с микроскопом, подключены к высокоскоростной камеры, записывать траекторий в контроллере. Электрические потенциалы применяются с помощью потенцио или источника электрической энергии постоянного тока. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
Рисунок 2 : Схематическая иллюстрация экспериментальное устройство. Канал потока из PDMS фиксированной Анионообменная мембраны и наполненный водный раствор NaOH. АС электроды расположены на обоих концах решения. Начало координат находится в центре площади потока канала и площадью наблюдения находится в плоскости xy вблизи x = 0,75 и z = 0 мм. пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
Рисунок 3 : Фотография схема устройства и экспериментальная установка побудить поток ЭГД катион тащили в электрически поляризованные решения. 1 моль/Л хлористого калия и 1 x 10−2 моль/Л трис-буферного раствора ЭДТА и 1 x 10−2 vol % из полистирола (PSt) частиц дисперсии в 1 x 10−2 моль/Л трис-буферного раствора ЭДТА отделены с мембраной катионного обмена, где средний диаметр частицы PSt-1.01 мкм. пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
Рисунок 4 (видео рисунок): фильм ЭГД потока, движимый транспорт ионов Na+ сосредоточены в канале потока. Трассирующими частицы перевозятся вдоль направления электрического поля, когда электрический потенциал 2.2 V применяется при t = 5 s. отрицательно заряженных полистирола частиц доводятся до стороне катода в потоке ЭГД, движимый Катионный ток в канал. В случае 1 x 10−1 моль/Л раствора NaOH пик скорости около 2 мм/s достигается быстро после того, как применение электрический потенциал и скорость последовательно уменьшается до нуля. Пожалуйста нажмите здесь, чтобы посмотреть это видео. (Правой кнопкой мыши для загрузки.)
Рисунок 5 : Ответ ЭГД потока наблюдается в канале потока, полученное с помощью PIV анализа для записанного фильма Рисунок 4. Скорость реакции (синий сплошная линия) был получен в среднем 20 очков в центре канала (y = z = 0 мм). Скорость быстро увеличивается после применения электрического напряжения 2,2 В 5 s и постепенно сходится к 0 мм/сек. Показано также последовательность приложенного напряжения с красной пунктирной линией. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
Рисунок 6 (видео рисунок): фильм ЭГД потока наблюдается в электрически поляризованные решения, отделение 1 моль/Л хлористого калия раствор и полистирола дисперсии с помощью мембраны катионообмен. Применение электрического потенциала 2 V от t = 2-8 s, переноса частиц трассирующими отражает ЭГД потока, движимый Катионный тока. Постоянный поток скорость достигает 30 мкм/с во время применения потенциал. Кроме того частицы также кратко ответить в отрицательном направлении, когда электрический потенциал будет включать и выключать, потому что электрический заряд частицы, во-первых, влияет на движение. Пожалуйста нажмите здесь, чтобы посмотреть это видео. (Правой кнопкой мыши для загрузки.)
Рисунок 7 : Ответ ЭГД потока наблюдается в канал, результате PTV анализа для записанного фильма рис 6. Скорость реакции (синий сплошная линия) был получен путем отслеживания одной частицы в центре канала. Показано также последовательность приложенного напряжения с красной пунктирной линией. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
Рисунок 8 : Схемы ЭГД потока поколения механизмы, соответствующие цифры 4 и 5 (группа а) и 6 и 7 (Группа b). () жидких потоков индуцированной в водном растворе NaOH, которая отделяется с Анионообменная мембраны, где EOF, вызванного транспортом− OH в мембране запускает поток тащили транспортом Na+ в канале и частично рассеивается с демпфированием плотность потока массы, импульс потока затухания, поверхности мобильности и electrowetting поверхности электрода. (b) Катионный ток более доминирующей чем анионных ток, потому что K+ , во-первых, проникает катионообмен мембрана, которая способствует к потоку жидкости, тащили катионов в постоянной нынешних условиях, связанных с водой Электролиз. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Целью данного исследования было отделить катионов и анионов в водных растворах с точки зрения пространственного распределения и транспорта чисел. С помощью Анионообменная мембраны, транспорта анионов и катионов могут быть устранены в мембране и в канале потока, который проникает мембраны, соответственно. Кроме того катионообмен мембраны, отделяющий высокой и низкой концентрации решения работал сформировать электрически поляризованные решения после значительного времени ожидания. В результате Ректифицированная ионных токов удалось снизить прикладной напряжений побудить Ион тащили ЭГД потоков.
Представленные здесь методы доступны для водные растворы с низкой приложения напряжений по сравнению с традиционными методами, которые требуют чрезвычайно высоких напряжений десятки кв впрыснуть электрических зарядов в неполярных решения. Было разъяснено, что ЭГД потоки являются эффективными в водных растворах, а также неполярных решения.
Однако существующие методы зависят от электролиза воды для поддержания постоянной ионных токов, в которых идеально потенциал электролиза воды, как известно, быть 1.23 V. Таким образом существует ограничение на приложенное напряжение, чтобы избежать возникновения O2 и H2 пузыри, которые изменяют свойства жидкости. Чтобы преодолеть это ограничение, материалы электроды и электролит решения должны определяться надлежащим образом установить электрохимических реакций на поверхности электрода для создания ионных токов в растворах. В каждом суде поверхности электрода должен полированные и обнажённая сделать сильное электрическое поле в растворе, повышение электрохимических реакций.
В этом исследовании было предложено использовать ионообменных мембран для устранения путей переноса ионов видов. С другой стороны эффективность ЭГД потока поколения, как представляется, зависит от потенциала мембран. Как указано в протоколе, диффузии ионов занимает значительное время ожидания до тех пор, пока она становится стабильным. Таким образом предварительной обработки для увеличения проводимость мембраны имеет решающее значение для повышения эффективности ЭГД потока поколения. При поддержании ионного текущие условия в внешне прикладной электрических полей, свойств транспорта ионов улучшаются, и электрически поляризованные условиях эффективно достигаются.
В будущем ЭГД потоков водных растворов, как ожидается, будет применимо для систем управления потока жидкости в микро - и nanofluidic устройства, в сочетании с ВФ и тому подобное. Кроме того приложения для медицинских приборов, в которых ион транспорт играет важную роль для стимулирования биологических клеток и сигнала трансдукции, также являются сложными.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Авторы не имеют ничего сообщать.
Acknowledgments
Авторы имеют без подтверждений.
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).
