Summary
Rättelse av ion transport vägar är en effektiv metod att generera en-directional ion-släpade electrohydrodynamic flöden. Genom att ange ett jonbyte membran i en flöde kanal, ett elektriskt polariserade villkor genereras och orsakar en vätskeflödet köras när ett elektriskt fält appliceras externt.
Abstract
Att köra electrohydrodynamic (EHD) flödar i vattenlösningar, separation av katjon och anjon transport vägar är viktigt eftersom en riktad elektriska kroppen kraft har induceras av Joniska rörelser i vätska. Däremot, positiva och negativa avgifter attraherar varandra, och electroneutrality upprätthålls överallt i jämvikt villkor. Dessutom har en ökning av en tillämpad spänning som ska dämpas för att undvika vatten elektrolys, vilket orsakar lösningarna blir instabilt. Vanligtvis, kan EHD flöden framkallas i vattenbaserade lösningar genom extremt höga spänningar, såsom tiotals kV, att injicera elektriska laddningar. I denna studie införs två metoder för att generera EHD flöden framkallas genom elektrisk laddning separationer i vattenlösningar, där två flytande faser är åtskilda av ett membran som jonbyte. På grund av en skillnad i det Joniska mobilitet i membranet induceras ion koncentration polarisering mellan båda sidor av membranet. I denna studie visar vi två metoder. a avkoppling av Jon koncentration gradient uppstår via en flöde kanal som penetrerar ett jonbyte membran, där transport av de långsamma arterna i membranet selektivt blir dominerande i kanalen flöde. Detta är en drivande kraft att generera en EHD flöde i vätskan. (ii) en lång väntetid för diffusionen av joner passerar genom jonbyte membranet möjliggör generering av ett ion-släpade flöde genom externt tillämpning av ett elektriskt fält. Joner koncentrerad i en flöde kanal med en 1 x 1 mm2 tvärsnitt bestämma riktningen för vätskeflödet, motsvarar den elektroforesiska transport vägar. I båda metoderna, är skillnaden elektrisk spänning som krävs för en EHD flöde generation drastiskt till nära 2 V genom att korrigera den ion transport vägar.
Introduction
Nyligen, teknik av vätskeflödet kontroll har rönt stor uppmärksamhet på grund av intresse i tillämpningar av mikro- och nanofluidic enheter1,2,3,4,5, 6 , 7 , 8 , 9 , 10 , 11 , 12 , 13 , 14 , 15. i polar lösningar, såsom vattenlösningar och Joniska vätskor, joner och elektriskt laddade partiklar brukar åstadkomma elektriska laddningar i flytande flöden. Transport av sådana polariserade partiklar ger en utvidgning av olika applikationer, såsom enda-molekyl manipulation6,10,11,13,14 , 15 , 16 , 17, ion diod enheter12,18och vätskeflödet styra19,20,21,22. EHD flödet har varit en tillämplig fenomen för vätskeflödet styrsystem sedan Stuetzer1,2 uppfann ion drar pumpen. Melcher och Taylor3 publicerade en viktig artikel som det teoretiska ramverket EHD flöde var väl granskas och några utestående experiment påvisades också. Saville4 och hans medarbetare23,24 bidragit till följande expansionen av EHD teknik i vätskor. Det fanns dock vissa begränsningar att projektriskerna flytande drivs av elektriska krafter, eftersom tiotals kV har tillämpas i vätskor att injicera elektriska laddningar i icke-polära lösningar, såsom oljor, att polarisera dem1,2 , 3. Detta är en nackdel för vattenlösningar eftersom vatten elektrolys som framkallas av en elektrisk potential som är högre än 1,23 V ändrar egenskaperna hos lösningar och gör lösningarna instabil.
I mikro- och nanofluidic kanaler orsaka ytladdningar kanal väggar koncentrationen av counterions som effektivt inducerar elektroosmotiska flödet (EOFs) enligt anbringas utanpå elektriska fält25,26,27 ,28,29. Använder EOFs, har några flytande pumpar tekniker tillämpats i vattenlösningar, minska den elektriska spänningar30,31,32. Å andra är EOFs begränsade till som genereras i mikro- och nanospaces där ytor blir mer dominerande än flytande volymer. Dessutom beroende på transport av högkoncentrerad joner mycket nära väggen ytbehandlar orsakar som i elektriska dubbla lager, slip gränsen bara vätskeflödet, vilket inte kanske är tillräckligt för att göra trycket lutningar7, 8 , 22 , 26 , 27. finjustering, sådan att kanal dimensioner och salt koncentrationer, krävs för tillämpningar av EOF. Däremot flyter EHD drivs av kroppen krafter verkar vara tillgängliga transportera massorna och energier om ansökan spänningar kan minskas för att undvika förnedrande lösningsmedel. Vissa forskare har nyligen föreslagit tillämpningar av EHD flöden med låga spänningar33,34,35,36. Även om dessa tekniker inte har ännu genomförts, förväntas gränserna expandera.
I tidigare studier genomförde vi också experimentella och teoretiska arbete på EHD flöden i vattenlösningar37,38,39,40. Det var tänkt att rättelse av ion transport vägar var effektivt för elektriskt laddade lösningar som orsakar elektriska kropp styrkor under elektriska fält. Genom att använda ett jonbyte membran och ett flöde kanal passerar membranet, kunde vi åtgärda Joniska strömmar. När du tillämpar ett anjon-exchange membran, katjoner koncentrerade flödet kanalen dras av lösningsmedel och utvecklat en EHD flöde37,38,39. En skillnad i rörlighet ion arter var en viktig faktor när separera katjon och anjon strömmarna. Jonbytarmembran arbetade effektivt för att modulera rörlighet på grund av ion selektivitet. Ion Transportfenomen undersöktes också med tanke på Joniska strömtäthet influerad av tillämpad elektriska fält41. Dessa studier har varit givande för utveckla manipulation tekniker för enstaka molekyler, nämligen mikro- och nanopartiklar, vars rörelser påverkas starkt av termiska variationer11,16,17 . EOFs och EHD flöden förväntas expandera olika metoder för kontroll av exakt flöde samt trycket lutningar.
I denna studie visar vi två metoder för att driva EHD flöden i vattenlösningar. Först används en NaOH-lösning för en arbetsvätska för att köra en EHD flöde37,38,39. En anjon-exchange membranet separerar vätskan i två delar. En Polydimetylsiloxan (PDMS) flöde kanal med ett tvärsnitt av 1 x 1 mm och en längd av 3 mm tränger igenom membranet. Genom att tillämpa en elektrisk potential på 2,2 V, induceras elektrofores transport av Na+, H+och OH− joner längs de elektriska fält. En anjon-exchange membran och ett flöde kanal fungerar effektivt för att separera de ion transport vägar, där anjoner dominant passera genom membranet och katjoner koncentrera i flödet kanalen, även om båda arter flyttar vanligen i motsatta riktningar, att upprätthålla electroneutrality. Sådant villkor orsakar således inte en drivkraft för flytande flöden. Denna struktur är avgörande för att generera en EHD flöde vars flöde hastighet når storleksordningen 1 mm/s i kanalen eftersom högkoncentrerad katjoner påskyndas av externa elektriska fält dra lösningsmedel molekyler. EHD flöden är observeras och noteras med hjälp av ett mikroskop och en höghastighetskamera som visas i figur 1. För det andra en koncentration skillnad mellan två flytande faser åtskilda av ett membran som jonbyte orsakar ett elektriskt polariserade villkor ska genereras passerar en jonbyte membran40. I denna studie finner vi vikten av en betydande väntetid temperera ion distributioner och en motsvarande elektrisk potential, som orsakar att föredra villkor ska gälla för en kroppen kraft i en vätska. Crossing jonbyte membranet, uppnås ett svagt polariserat tillstånd. I sådant skick, ett externt tillämpad elektriskt fält inducerar riktad ion transport som genererar en kroppen kraft i en vätska, och därmed fart överföringen från jonerna till lösningsmedlet utvecklar en EHD flöde.
Som nämnts ovan, de nuvarande enheterna lyckas drastiskt minskar tillämpad spänning skillnaden till några volt, och denna metod är således kan användas för vattenlösningar, även om de konventionella elektriska laddning injektion metoderna krävs tiotals kV och är begränsade till en ansökan till vattenbaserade lösningar.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. EHD flöde induceras av renad Ion Transport
- Utveckling av ett flöde kanal enhet att rätta ion transport vägar
- Göra en PTFE mögel av behållaren:
- Skär en 13 x 30 x 10 mm3 mögel från en polytetrafluoreten (PTFE) block med hjälp av en fräsmaskin (se figur 2). Alternativt köpa en skräddarsydd produkt.
- Följa akrylskivor 15 x 18 x 1 mm-3 i båda ändar av PTFE mögel med en plast lim, som gör slitsar i reservoaren sedimentera bias elektroderna. Dessa delar kan skära ut från en stor tallrik eller köpas.
- Följa akrylskivor 13 x 30 x 1 mm-3 på toppen och botten ytbehandlar av PTFE mögel med en plast lim att göra plana ytor för tydlig observation.
- Blanda en silikon elastomer bas och bota agent i förhållandet 10:1 i en 50 mL tub och skaka röret för hand.
- Kvitta den flytande PDMS i ett vakuum kärlet och lufta det med hjälp av en roterande pump.
- Ta bort röret från fartyget. Häll PDMS i en 40 x 50 x 24 mm3 plast fartyget forma den yttersta formen av behållaren och placera behållaren mögel (se steg 1.1.1) i den.
- Baka hela kroppen på vätskan PDMS på en värmeplatta vid 80 ° C i ca 4 h.
- Efter att baka, isolera PDMS reservoaren från PTFE mögel och yttre fartyget för hand. Gör en skåra längs med mitten av behållaren med hjälp av kirurgisk kniv. Detta kommer att användas att sätta kanterna på en anjon-exchange membran (bereddes i steg 1.1.16) i den med pincett.
Obs: PDMS reservoaren fylls med elektrolyt lösningar senare, som visas i figur 2. - Erhålla exponeringsglas pläterar (görs på särskild order) med en cirkulär form av 18 mm i diameter eller i en kvadrat med 18 mm kanter.
- Tvätta glasplattorna genom att blötlägga dem i aceton, etanol och rent vatten (i den ordningen) i ett ultraljud bad för 15 min varje.
- Blåsa någon kvarstående vätskor bort med en luftpistol eller värma glasplattorna med en kokplatta för 5 min vid ca 473 K.
- Med hjälp av radiofrekvens sputtring, coat glasytan med Cr eller Ti utsätts för Ar plasma för 1 min på 75 W och successivt, insättning en Au tunn för 5 min på 75 W, ange tjocklek på cirka 100 nm.
Obs: Före beläggning glasytan med målet metallerna, sattes proverna i en vakuumkammare som evakuerades med en roterande pump och en molekylär diffusion pumpen tills trycket minskat till 1 x 10−2 Pa. - Löda ett lead på Au elektrod ytan med en lödkolv.
Obs: Form av Au elektroden kan eventuellt ersättas med torg och spiralformade ledningar, upprätthålla ytor som är tillräckligt stor för att generera Joniska strömmar. - Med pincett, ställa in glasplattorna belagda med en tunn film för Au i båda ändar av reservoaren. Dessa är bias elektroderna.
- Skär en anjon-exchange membran i en rektangulär form av 20 x 18 mm2 med hjälp av sax. En yta på 13 mm i bredd och 10 mm i höjd är utsatt för en vätska. Här, kan en brytkniv eller kirurgisk kniv också användas för att skära membranet.
- Klipp ut en rektangulär bit 3 x 5,5 mm2 från en kant av membranet med sax.
Obs: Tjocklek av anjon-exchange membran är 220 µm. Membranet är enkelt klippa med sax eller en brytkniv. Kanterna på membranet är delvis fasta med snitten i kammaren. - Stelna ett PDMS block med en rostfri stång med en 1 x 1 mm2 tvärsnitt på samma sätt som i steg 1.1.4 - 1.1.5, att skapa ett flöde kanal som tränger igenom membranet. Lämna konstruktionen över natten och dra sedan rostfritt staven ur blocket PDMS.
- Skär PDMS block med en fyrkantig flöde kanal in en 3 x 6 x 4,5 mm bit (se figur 2) med hjälp av kirurgisk kniv. Göra slitsar längs ytterkanterna och sedan bifoga det till membranet inom rektangulära utskärningen.
Obs: Den översta sidan av kanalen måste ställas horisontellt för en tydlig observation av partiklarna i den flöde kanal via transparent väggen.
- Göra en PTFE mögel av behållaren:
- Beredning av lösningar och förbehandlingar för experiment
- Förbereda NaOH vattenlösningar i koncentrationer på 1 x 10−1, 1 x 10−2och 1 x 10−3 mol/L genom att späda ut stamlösning.
- Se en spridning av polystyren partiklar av 2,93 µm i genomsnitt i diameter i varje av de NaOH-lösningar som bereddes i steg 1.2.1 genom att ange koncentrationen till 4,2 x 10−3 Vol.%.
Obs: Storleken på tracer partiklarna kan ändras på lämpligt sätt för att förbättra observerbarhet. - Ultrasonicate formaterade anjon-exchange membranet av 20 x 18 mm2 med en springa 3 x 5,5 mm2 2 x 10 min i rent vatten vid en effekt av 100 W.
- Med en pincett in anjon-exchange membranet med kanalen PDMS flöde i reservoaren PDMS. Fyll behållaren med 4 mL NaOH-lösning med hjälp av en mikropipett.
Obs: Membran yta och flöde kanalen är nedsänkt i lösningen, där membranet ytan utsatt till lösningen är minst 100 gånger större än ett tvärsnitt av kanalen flöde. - Tillämpa en elektrisk potential på 2,2 V genom att använda en DC-strömkälla i framåt och bakåt riktningar för 2 h varje i serien, för att förbättra ledningsförmågan av membranet före observation.
- Dra Au elektroderna ut med pincett. Ta bort lösningen från reservoarerna med hjälp av en mikropipett.
- Ange nya Au elektroder i behållarna med pincett. Fyll behållarna med 4 mL NaOH-lösning med hjälp av en mikropipett. Starta observationer när lösningen är utjämnad.
Obs: Det kan ta några minuter av väntetid tills den naturlig konvektion lägger sig ner, som kan bedömas genom att observera beteendet hos tracer partiklar.
- Experimentella system för inställning och mätning
- Ange bildfrekvensen och exponeringstiden höghastighetståg complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) kameran till 500 fps och 1 ms, respektive.
Obs: Som visas i figur 1, experimentella enheten är inställd på scenen av Mikroskop ansluten till en höghastighets CMOS-kamera att spela in partikel resolutionsförslagen. Vyn är förstorat i en 15 skärm med en 100 X lins. - Ta bort alla bubblor från kanal genom att sätta spetsen av en mikropipett i kanal slutet att skjuta eller dra ut dem, innan du applicerar en elektrisk potential.
- Externt tillämpa en elektrisk potential på 2,2 V Au bias elektroderna. Samtidigt övervaka elektriska svaren med en potentiostat eller en likströmskälla med en digital multimeter.
Obs: Spänning värdet bedöms vara den övre gränsen, undvika vatten elektrolys som genererar O2 och H2 bubblor i lösningen. - Spela in beteendet med tracer partiklar på datorn.
- Mäta en elektrisk potentialskillnad mellan båda ändarna av kanalen flöde med hjälp av Au sonden elektroder och en digital multimeter för att bekräfta att koncentrationsgradient jonerna utlöser en EHD flöde38,39.
- Fastställa ursprunget på det Cartesian koordinerade systemet i mitten av kanalen.
Obs: På x- axeln är längs den längsgående riktningen av flöde kanal och y- och z-axlarna är i de vågräta och lodräta riktningarna i tvärsnitt av kanal, respektive, som visas i figur 2. Transparent PDMS kanalen tillåter flytande flöden till visualiseras längs x-axeln. Vyn är inriktad på xy -planet på z = 0 genom att styra skärpedjupet. Flödesdata är oberoende av x i avsnittet test utom bara nära in- och utlopp av kanalen, och den observation punkten ligger på ca 0,75 mm nedströms från beskärningen, sådana att x = 0,75, y = 0 och z = 0 mm. - Efter en enskild mätning (15 s), kortslutning elektroderna genom att ansluta dem till varandra med en bly i 20 min tills lösningen är utjämnad.
- Nästa, flytta hela lösningen till ett annat fartyg (t.ex., en 10 mL provflaska) och rör om med en mikropipett.
- Häll över rörs lösningen i kammaren igen med hjälp av en mikropipett när iterativt utför experimentet.
Obs: Efter observation, EHD flödeshastigheten utvärderas med hjälp av den partikel image velocimetry (PIV) metod39, vilket kan göras genom att använda lämplig programvara att spåra förflyttningar av partiklar och numeriskt värdera hastigheten. En detaljerad förklaring av PIV metoder och hur man använder dem utelämnas här eftersom PIV analyser har använts och av förfarandena på uträkningar beror på programvara och operativsystem som används.
- Ange bildfrekvensen och exponeringstiden höghastighetståg complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) kameran till 500 fps och 1 ms, respektive.
2. observation av katjon-inducerad EHD flöden
-
Utvecklingen av experimentell enhet
- Bilda Au bias elektroder med 26 x 10 mm2 yta på glas bottenplattan enligt förfaranden som liknar dem som beskrivits i steg 1.1.5 - 1.1.7.
- Med hjälp av radiofrekvens sputtring, coat en glasyta med Cr eller Ti utsätts för Ar plasma i 2 min på 75 W och deponera en Au tunn för 5 min på 75 W.
Obs: Denna form av elektrod bestäms för att koncentrera mycket elektriska fält i regionen smalaste kanal. Förhållandet mellan elektrod ytan, vars område av 10 x 10 mm2 är utsatt för en vätska, till ett tvärsnitt av kanalen är idealiskt 100: 1; Detta förhållande väntas vara tillräcklig för att släppa elektriska potential vid kanalen av en stor mängd16. - Löda en bly linje på en kanta av elektroderna med en lödkolv.
- Från ett stort silikon gummi blad, skär ut 2 kammare, var gjord av en 1 x 1 x 1 mm3 flöde kanal placeras mellan två 10 x 10 x 1 mm3 reservoarer, med en kirurgisk kniv (se figur 3). Dessa delar kan ersättas av PDMS.
- Klipp ut en katjon-exchange membran med en genomsnittlig tjocklek på 127 µm till 20 x 30 mm med en brytkniv eller kirurgisk kniv, som visas i figur 3.
- Ultrasonicate varje del i rent vatten under 15 minuter genom att tillämpa 100 W.
- Infoga en katjon-exchange membran mellan kamrarna med pincett, som visas i figur 3. Detta kommer separata 2 elektrolyt lösningar av olika koncentrationer.
- Tryck och försegla stacken av kamrarna och katjon-exchange membran med glasskivor, vars mått är 26 mm i bredd och 38 mm lång.
-
Beredning av lösningar
- Förbereda en dispersion av polystyren partiklar med en genomsnittlig diameter av 1,01 µm i en 1 x 10−2 mol/L tris (hydroxymetyl) aminometan etylendiamintetraättiksyra (Tris-EDTA) buffert syralösning, där volymförhållandet justeras till 1 x 10−2 Vol.%.
- Förbereda en blandning av 1 mol/L av KCl och 1 x 10−2 mol/L Tris-EDTA.
- Injicera Tris-EDTA/polystyren partikeln och Tris-EDTA/KCl lösningar i de nedre och övre kamrarna, respektive, via spruta nålar införas från sidoväggarna i kamrarna.
Obs: Kvantiteten av de lösningar som injiceras i varje kammare är ca 210 µL. - Vänta ca 18 h tills lösningen är utjämnad till följd av en diffusion av joner att slappna av ion koncentrationen skillnaden mellan övre och undre skikten.
Obs: Diffusion processen, K+ i övre lösningen och H+ i membranet förväntas tränga igenom membranet först, och Cl− väntas följa dem.
-
Experimentella system för inställning och mätning
- Ställ in experimentella enheten utvecklats i steg 2.1 på scenen av inverterade mikroskopet för hand, som visas i figur 3. Anslut mikroskopet till en höghastighets CMOS kamera övervaka trajectoriesen av partikel motioner och registrera observationsdata på en dator.
- Tillämpa en elektrisk potentialskillnad 2 V för 6 s mellan de två elektroderna med en funktionsgenerator som kraftkälla.
- För att bekräfta att EHD flöden induceras av ion transport, mäta de joniska strömmarna samtidigt genom att använda en amperemeter40.
- Analysera de inspelade banor av partiklarna av partikeln tracking velocimetry (PTV) metod39.
Obs: Efter observationerna, EHD flödeshastigheten utvärderas av PTV metoden, vilket är möjligt genom att använda lämplig programvara, att spåra förflyttningar av partiklar och numeriskt värdera hastigheten. En detaljerad förklaring av PTV metoder och hur man använder dem utelämnas här eftersom PTV analyser har använts i stor omfattning och förfarandena av uträkningarna beroende av programvara och operativsystem som används.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Figur 4 (video figur) presenterar ett representativt resultat av en EHD flöde generation, följd av rättelse av ion transport vägar och högkoncentrerad katjoner som induceras en vätskeflödet i kanalen, enligt steg 1 i protokollet. Figur 5 visar ett resultat av PIV analysen, där 20 datapunkter nära mitten av kanalen (y = z = 0 mm) var i genomsnitt. När det gäller en 1 x 10−1 mol/L NaOH lösning, när en elektrisk potential på 2,2 V tillämpades vid t = 5 s, hastigheten av tracer partiklarna snabbt ökade till en toppvärdet. Efter att hastigheten sjönk och konvergerade till 0. Den maximala hastigheten nått en nära 2 mm/s. Detta är ett typiskt resultat av en EHD luftflöde med hjälp av en anjon-exchange membran och en 1 x 10−1 mol/L NaOH-lösning.
Det bekräftades också att elektroforetiska transport hastigheten av tracer partiklar var mycket lägre än topp hastigheten av vätskeflödet i 1 x 10−1 mol/L NaOH lösning38,39. Som diskuterades i den litteratur39, anses denna typ av EHD flöde bestå av omvända flöden släpas OH− passerar genom membranet och Na+ och H+ koncentrerad till kanalen flöde att kompensera för anjonen transporter i membranet. När koncentrationen minskade tenderade transporter beteendet att bli långsammare. Detta innebär att varaktigheten-tills hastigheten nådde en topp- och decay tiden tycktes vara längre, minskar toppvärdet av hastigheten. Detta resultat anges att minskade antalet joner vars rörelse drevs av elektriska krafter, och följaktligen minskade också den elektriska kropp kraften i vätskan.
En viktig iakttagelse är att kontinuerlig Joniska strömmar rättas av ion selektiv gränssnitt orsakade vätska molekyler dras i en riktning och detta orsakade en vätskeflödet att utveckla. I det här fallet finns det en möjlighet att vätskeflödet förhöjs ytterligare av Jon koncentration polarisering passerar anjon-exchange membran som utlöste den omvänt flöden i kanalen. Denna punkt nämndes redan i en tidigare studie39. Det var tänkt att AC fält var också effektivt för att styra flytande flöden med jämna mellanrum förändras riktningar. Närvarande EHD flödet var begränsad till övergående reaktioner på grund av ändliga antalet Na+ joner; denna situation var inte bidrar till att upprätthålla en stadig katjoniska aktuell, även om spänningen av 2,2 V var tillräckligt för att framkalla elektrolys av vatten. För att generera konstant EHD flöden, föreslår vi att dra lösningsmedel molekyler med ion arter som är den dominerande bäraren av den joniska nuvarande. Ytterligare detaljer kommer att verifieras i vårt framtida arbete. Här, introducerade vi ett representativt resultat av en EHD flöde som kan induceras i NaOH lösningar av rättelse ion transport vägar. Information om koncentration beroende och elektriska potentiella skillnader diskuteras också av Yano, Doi och Kawano37,38 och Yano, Shirai, Imoto, Doi och Kawano39.
Figur 6 (video bild) visar representativa resultat av EHD flödet genereras i en elektriskt polariserade lösning Joniska nuvarande villkor. EHD flödet hastighet svar analyserades också genom att spåra tracer partiklarna, som visas i figur 7, som var ett typiskt resultat som erhållits genom att spåra en enskild partikel nära mitten av kanalen flöde. När en elektrisk potential på 2 V tillämpades från t = 2 till 8 s, polystyren partiklar besvarade det tillämpad elektriskt fältet. Vid t = 2 s, partikeln snabbt flyttad i bakåt riktning, motsvarar elektroforetiska transport av negativa laddningar. Efter en kort tid svar blev flödet ändras till riktning framåt och hastigheten stadigt på 30 µm/s tills elektriska potential var avstängd.
Under denna period flyttade de negativt laddade polystyren partiklarna i riktning mot transport av de positiva laddningarna. I allmänhet kan riktning inte återföras spontant under en-directional elektriska fältet, även om ytan laddningen av partiklarna var fullt skyddat av counter cationsna. Detta resultat anges således att katjoner dispergerade i lösningen också electrophoretically transporterades längs de elektriska fält, att dra lösningsmedel molekyler som successivt utvecklat ett vätskeflöde. Negativa laddningar högkoncentrerad på partikeln ytbehandlar orsakade en elektrisk kraft som är starkare än den av katjoner som distribueras i lösningen, och, således, för det första körde transport i negativ riktning. Efter det ökade en vätskeflödet släpas katjoniska nuvarande en drar kraft på partikeln. I denna regim, observerades faktiskt hastighet lutningar längs y-axeln vinkelrätt mot flödesriktningen, och därmed en vätskeflödet generation bekräftades faktiskt.
Uppförandet av polystyren partiklar påverkas av EHD flöden utvärderades även i en tidigare studie, och det konstaterades att den EHD flödeshastigheten proportionellt ökat med en ökande Joniska ström. En väntetid på över 18 h innan du applicerar ett externt elektriska fält är den viktigaste faktorn för att inducera ett konstant EHD flöde, eftersom det tar så lång tid för ion distributioner att vara utjämnad eftersom de är nästan enhetlig i kanalen. Som ett resultat observeras stadigt Poiseuille-liknande flödesmönster. Däremot, kunde vi inte bekräfta ett stadigt flöde när väntetiden inte var tillräckligt för att uppnå enhetliga ion distributioner.
Efter att ha konstaterat en konstant hastighet, elektriska potential var avstängd vid t = 8 s. Här, för att snabbt ändra den elektriska potentialskillnaden från 2 till 0 V, kan skärmad elektroderna kräva en överdriven tillämpning av elektrisk potential att göra båda elektrod ytor motsvarande. I den processen få joner högkoncentrerad nära elektrod ytorna motbjudande elektriska krafter, vilket resulterar i omvänd Joniska strömmar. Speciellt, den katjoniska ström som var dominerande i det nedre lagret orsakat en vätskeflödet ska genereras, och en övergående reaktion i bakåt riktning faktiskt observerades i den experimentella resultat, som omedelbart dök upp när elektriska potential var avstängd och konvergerade till 0 µm/s. Sådana processer i EHD flöde generation var typiska i detta experiment. Bredvid stadig EHD flödet, de omvända flödena observerats vid inkoppling av elektriska potential och off är också intressant. I övergående Svaren orsaka elektrokemiska reaktioner på elektroden ytbehandlar möjligen drastiska ion koncentration övertoningar som inducerar diffusion potentiella samt externt tillämpas elektriska potential. Sådana komplicerade ion transport fenomen har ännu inte klargjorts tillräckligt och därför är frågor som måste lösas i framtiden fungerar.
Mekanismerna av EHD flöde generationen presenteras schematiskt i figur 8. En EHD flöde inducerad i NaOH lösningar visas i figur 8en, motsvarande fallet av figur 4. EHD flödet släpas Na+ i kanalen utlöses av transport av OH− en anjon-exchange membran. Ostadig flödet orsakas av försvinnande på grund av massa flux dämpning, momentum flux dämpning, ytliga rörlighet och electrowetting elektrod ytor. En annan mekanism EHD flöde inducerad katjoniska nuvarande villkor, som är mer dominerande än anjon, är representerade i figur 8b. K+ joner första penetrera en katjon-exchange membran, orsakar katjon-dominerande förhållanden, och som ett resultat, EHD flöde är inducerad längs den katjoniska nuvarande.
Som beskrivits ovan, är att upprätthålla elektriskt polariserade villkor under Joniska aktuella genom att minska tillämpningen av elektrisk potential nyckeln till generera stadig EHD flöden. Med nuvarande metoder, några volt kan räcka för att framkalla EHD flödar i vattenlösningar, även om vatten elektrolys är nödvändig för att upprätthålla konstant Joniska strömmar för att förbättra momentum överföringen från elektrolyt joner till lösningsmedel molekyler.
Figur 1 : Fotografi av experiment för EHD flöde observation. Rörelser av tracer partiklar spåras genom ett mikroskop som är ansluten till en höghastighetskamera, inspelning trajectoriesen i handkontrollen. Elektrisk potential tillämpas med hjälp av en potentiostat eller DC elektrisk kraftkälla. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 2 : Schematisk illustration av en experimentell apparat. En flöde kanal gjord av PDMS är fast i en anjon-exchange membran och fylld med en NaOH vattenlösning. Au elektroder placeras i båda ändar av lösningen. Ursprunget till koordinaten vid mitten av kvadrat flöde kanalen som en observation-området är i ett xy -planet nära x = 0,75 och z = 0 mm. vänligen klicka här för att visa en större version av denna siffra.
Figur 3 : Fotografi av experiment och Schematisk bild av en enhet att inducera en katjon-släpade EHD flöde i en elektriskt polariserade lösning. En 1 mol/L KCl och 1 x 10−2 mol/L Tris-EDTA buffertlösning och en 1 x 10−2 vol % polystyren (PSt) partikel dispersion i en 1 x 10−2 mol/L Tris-EDTA buffertlösning är separerade med en katjon-exchange membran, där den genomsnittliga diametern av PSt partiklarna är 1,01 µm. vänligen klicka här för att visa en större version av denna siffra.
Figur 4 (video figur): en film av EHD flöde drivs av transport av Na+ joner koncentrerade i kanalen flöde. Tracer partiklarna transporteras längs riktningen av det elektriska fältet när en elektrisk potential på 2,2 V används vid t = 5 s. negativt laddade polystyren partiklar förs till katod sida i en EHD flöde drivs av katjoniska strömmen i kanalen. När det gäller en 1 x 10−1 mol/L NaOH lösning nås en topp hastighet nära 2 mm/s snabbt efter tillämpa en elektrisk potential, och hastigheten successivt sönderfaller till noll. Vänligen klicka här för att se denna video. (Högerklicka för att ladda ner.)
Figur 5 : EHD flöde svar observerades i flödet kanalen, följd av PIV analysen för den inspelade filmen av Figur 4. Velocity svaret (blå heldragen linje) erhölls genom medelvärdet av 20 poäng nära centrum av kanalen (y = z = 0 mm). Hastigheten ökas snabbt efter applicering en elektrisk spänning på 2,2 V 5 s och gradvis konvergerar till 0 mm/s. Sekvensen av spänningen visas också med en röd streckad linje. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 6 (video figur): en film av EHD flödet hos en elektriskt polariserade lösning, separera en 1 mol/L KCl lösning och polystyren spridning med hjälp av en katjon-exchange membran. Tillämpa en elektrisk potential på 2 V från t = 2 till 8 s, transport av tracer partiklar reflekterar en EHD flöde drivs av en katjoniska ström. En konstant flödeshastighet når 30 µm/s under tillämpningen av potential. Dessutom svarar partiklarna också kort i negativ riktning när elektriska potential slås på och av eftersom den elektriska laddningen av en partikel påverkar det första förslaget. Vänligen klicka här för att se denna video. (Högerklicka för att ladda ner.)
Figur 7 : Svar EHD flöde observerats i kanalen, följd av PTV analysen för den inspelade filmen av figur 6. Velocity svaret (blå heldragen linje) erhölls genom att spåra en enskild partikel nära mitten av kanalen. Sekvensen av spänningen visas också med en röd streckad linje. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 8 : Scheman av EHD flow generation mekanismer motsvarar figurerna 4 och 5 (panel a) och 6 och 7 (panel b). (en) flytande flöden induceras i en NaOH vattenlösning som separeras med ett anjon-exchange membran, där EOF inducerad av en OH− transport i membranet utlöser ett flöde som dras av en Na+ -transport i kanalen och är delvis skingras med massa flux dämpning, momentum flux dämpning, ytliga rörlighet och electrowetting elektrod ytor. (b) de katjoniska nuvarande är mer dominerande än anjon nuvarande eftersom K+ det första penetrerar en katjon-exchange membran, vilket bidrar till en vätskeflödet släpades av katjoner under konstant nuvarande förhållanden där vatten elektrolys. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Syftet med denna studie var att separera cations och anions i aqueous lösningar när det gäller rumsliga distributioner och transport siffror. Använder en anjon-exchange membran, kan transport av anjoner och katjoner rättas till i membranet och en flöde kanal som tränger igenom membranet, respektive. Alternativt en katjon-exchange membran som separerade hög och låg koncentration lösningar arbetat för att generera elektriskt polariserade lösningar efter en betydande väntetid. Som ett resultat, renad Joniska strömmar lyckats minska tillämpad spänningar för att inducera ion-släpade EHD flöden.
De metoder som presenteras här är tillgängliga för vattenlösningar med låg ansökan spänningar i jämförelse med konventionella metoder som kräver extremt höga spänningar av tiotals kV att injicera elektriska laddningar i icke-polära lösningar. Det klargjordes att EHD flöden är effektiva i vattenlösningar samt icke-polära lösningar.
De nuvarande metoderna beror dock på vatten elektrolys att upprätthålla konstant Joniska strömmar där vatten elektrolys idealisk potential är kända för att vara 1,23 V. Således finns det en begränsning på spänningen att undvika genererar O2 och H2 bubblor som ändrar egenskaperna för en vätska. För att kringgå den här begränsningen har material av elektroder och elektrolyt lösningar skall bestämmas på lämpligt sätt ställa elektrokemiska reaktioner på elektroden ytbehandlar att generera Joniska strömmar i lösningar. Vid varje rättegång, bör elektrod ytorna poleras och blottade för att göra ett starkt elektriskt fält i den lösning, som förbättrar de elektrokemiska reaktionerna.
I denna studie föreslogs användning av Jonbytarmembran att rätta de transport vägarna av ion arter. Däremot, verkade EHD flöde generation effektivitet beror på kapaciteten hos membranen. Som diskuterades i protokollet, tar diffusionen av joner en betydande väntetid tills det blir stabil. Preprocess att öka ledningsförmågan mellan membranen är därför avgörande för att förbättra effektiviteten i den EHD flöde generationen. Vid underhåll Joniska aktuella förhållanden i anbringas utanpå elektriska fält, egenskaper för transport av joner är bättre, och elektriskt polariserade villkor uppnås effektivt.
EHD flöden av vattenlösningar förväntas i framtiden, vara tillämpliga för vätskeflödet styrsystem i mikro- och nanofluidic enheter kombinerat med EOFs och liknande. Dessutom program för medicintekniska produkter, i vilka ion transport har en viktig roll att stimulera biologiska celler och signaltransduktion, också utmanande.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Författarna har något att avslöja.
Acknowledgments
Författarna har inga bekräftelser.
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).
