Summary
Манипулирование жидкости и взвешенных частиц в микро-и нано-масштабе становится все более реальности, как высокоэффективные технологии, такие как AC электрокинетика, продолжают развиваться. Здесь мы рассмотрим физику за AC электрокинетика, как для изготовления этих устройств и как интерпретировать экспериментальные наблюдения.
Abstract
Области AC электрокинетика стремительно растет из-за его способности выполнять динамический жидкости и частиц манипуляции на микро-и нано-масштабе, который необходим для лаборатории-на-чипе приложений. AC электрокинетические явления использовать электрические поля для создания силы, действующие на жидкость или взвешенных частиц (в том числе из диэлектрика или биологического материала) и заставить их двигаться в удивительных способов 1, 2. В рамках одного канала, AC электрокинетика может выполнить много важных на-чипе операций, таких как микро-смешивание, отделение частиц позиционирования частиц и микро-топот. Одной устройство может выполнять некоторые из этих операций просто настройки рабочих параметров, таких как частота или амплитуда приложенного напряжения. Подходит электрические поля могут быть легко созданы микро-электродов интегрированы в микроканалов. Как видно из огромного роста в этой области, что AC электрокинетика вероятно, будет иметь огромное влияние на диагностику здравоохранение 3-5, экологический мониторинг 6 и Национальная Безопаность 7.
В общем, Есть три AC Электрокинетические явления (AC электроосмос, диэлектрофореза и переменного тока электротермического эффекта) каждый со своими уникальными зависимости от рабочих параметров. Изменение этих параметров работы может вызвать один явления становятся доминирующими над другими, тем самым изменяя частиц или жидкости поведение.
Трудно предсказать поведение частиц и жидкостей из-за сложной физики, лежащие в основе AC электрокинетика. Это и является целью данной публикации объяснить физику и выяснить частиц и жидкости поведение. Наш анализ также рассказывается, как изготовить электрод структур, которые их порождают, и как интерпретировать широкий ряд экспериментальных наблюдений с использованием нескольких популярных моделей устройств. Это видео статья поможет ученым и инженерам понять эти явления и может побудить их начать использовать AC Электрокинетика в своих исследованиях.
Protocol
Изготовление Cr / Au электроды на стеклянных подложках
Часть 1А: Влажные Etch Метод
* Для устройств высокого качества, процесс изготовления должны быть выполнены в чистой окружающей среде комнате или под капюшонами ламинарный поток, с тем, что пыль и другие загрязняющие вещества не влияют на картину.
- 2-дюймовый по 4-дюймовый слайды стекло помещают в нагретую (80 ° С) Piranha решение (5:7 H 2 O 2: H 2 SO 4) в течение 30 минут, чтобы удалить загрязнения (особенно органических), а затем промыть в DI водой и сушат сжатым воздухом.
- 20 нм Cr и 200 нм Au осаждаются на подложках с электронным пучком испарителя.
- Шипли 1827 положительным фоторезиста наносится на стеклянные слайды с spincoater (3000 оборотов в минуту, 1000 оборотов в минуту / с рампы, 30 во второй раз спина).
- Субстраты затем мягкой запеченная в течение 2 минут при 100 ° C.
- Структура маски переносится на фоторезист с контактным воздействием УФ лучей на 8,4 секунды на общую сумму 206 мДж / см 2.
- Фоторезиста, разработанные в Microposit MF 351: вода (1:3) в течение 30 секунд с хорошей агитацией затем воду DI полоскания.
- После осмотра с микроскопом, чтобы обеспечить хорошее развитие, субстраты затем врезался в Au насадок и Chrome травителя в течение 15 секунд и 30 секунд соответственно с Д. И. моет между ними и после.
Часть 1В: Альтернативные протокола - Старт Метод
- 2-дюймовый по 4-дюймовый слайды стекло помещают в нагретую (80 ° С) Piranha решение (5:7 H2O 2: H 2 SO 4) в течение 30 минут, чтобы удалить загрязнения (особенно органических), а затем промывают в воде и Д. И. сушат сжатым воздухом.
- Futurrex NR-7 1500 PY отрицательные фоторезист был spincoated на подложку (2000 оборотов в минуту, 1000 оборотов в минуту / с рампы, 40 во второй раз спина).
- Подложки были мягкими запеченная в течение 1 минуты при 150 ° C.
- Контакт ультрафиолетового облучения в течение 21 секунд (400 мДж / см 2).
- Субстраты затем помещали на горячей плите установлена на уровне 100 ° С в течение 1 минуты, чтобы postbake шаг.
- Развитие было выполнено в течение 6 секунд разработчика Futurrex Rd6.
- 30 нм Cr и 200 нм Au которые затем осаждаются на подложках с электронным пучком испарителя.
- Старт осуществляется путем размещения субстратов в ацетоне ультразвуковой ванне до золота заметно удалена и с микроскопом подтвердили наблюдения.
Экспериментальная установка
Часть 2: Микросфера инъекции и наблюдений
- PDMS каналов (изготовление описано в другом месте) крепятся к стеклянной подложке с прямым сцепления, так что канал проходит по сфабрикованным электродов.
- Приблизительно 10 7 мл полистирольных микросфер, взвешенных в воде или DI (0,0002 См / м) или KCl раствора (0,05 См / м). Затем они вводят путем размещения трубки входе в микросфер решения и применение всасывания к розетке с помощью шприца.
- Загруженных устройство помещается на предметный столик микроскопа и подключен к генератору сигнала.
- Временной ход настройки частоты (1 кГц до 1 МГц) и настройки напряжения (1 или 2 V) применяются в то время как наблюдения ведутся с микроскопом.
Примечание: Очень важно не поднимать напряжение слишком высокое или разрешить частота слишком низкая или электролизом воды будет происходить. Точной настройки напряжения или частоты, чтобы это произошло, зависят от электрода дизайна. Наше руководство лабораторию, чтобы избежать частотах ниже 500 Гц или напряжением свыше 8 В.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
В этом видео мы показали широкий спектр частиц и жидкости манипуляции поведением вызванных AC электрокинетических явлений. Электродов, которые создают эти явления легко поддается обработке и могут быть легко интегрированы во многие другие системы. Как мы уже показали, Есть множество приложений для использования переменного тока электрокинетика. Универсальность этих устройств, а также быстрый характер манипуляций, делает их особенно привлекательными. Как здравоохранении и других отраслях промышленности начинают обниматься лаборатории-на-чипе системы, мы, вероятно, увидеть включение AC электрокинетика на этих устройствах, как неотъемлемую часть.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Materials
| Name | Type | Company | Catalog Number | Comments |
| 2" by 4" Pyrex Glass Slide | Substrate | Pyrex 7740 | ||
| chrome mask | material | This photomask will have the micr–lectrode patterns on them and can be ordered from a variety of microfabrication centers. | ||
| PDMS Microchannels | material | These may be fabricated and used in-house or a simple microscope slide will suffice. | ||
| Hydrogen Peroxide 30% | Reagent | Fisher Scientific | 7722-84-1 | Certified ACS, Fisher Scientific |
| Sulfuric Acid | Reagent | Fisher Scientific | A300-212 | Certified ACS Plus |
| Acetone Electronic Grade | Reagent | Fisher Scientific | A946-4 | |
| Shipley 1827 Positive Photoresist | Reagent | MicroChem Corp. | ||
| Shipley 351 Developer | Reagent | MicroChem Corp. | ||
| Gold Etchant | Reagent | Transene Company, Inc. | Type TFA | |
| Chrome Photomask Etchant | Reagent | Cyantek Corporation | CR-7S | |
| NR-7 1500 PY Negative Resist | Reagent | Futurrex | ||
| RD6 Developer | Reagent | Futurrex |
References
- Ramos, A., et al. AC Electrokinetics: a review of forces in microelectrode structures. Journal of Physics D: Applied Physics. 31, 2338-2353 (1998).
- Morgan, H. ywel, Green, N. G. AC Electrokinetics: colloids and nanoparticles. , SRP Ltd.. England. (2002).
- Toner, M., Irimia, D.
- Ahn, C. H., Choi, J. -W., Beaucage, G., Nevin, J. H., Lee, J. -B., Puntambekar, A., Lee, J. Y. Disposable smart lab on a chip for point of care clinical diagnostics. 282, 399-401 (1998).
- Vespoorte, E. Microfluidic chips for clinical and forensic analysis. Electrophoresis. 23, 677-712 (2002).
- Rajaraman, S., et al. Rapid, low cost microfabrication technologies toward realization of devices for dielectrophoretic manipulation of particles and nanowires. Sensors and Actuators B: Chemical. 114, 392-401 (2006).
- Ali, Z. Lab-on-a-chip for terrorist weapons management. Measurement and Control. 38, 87-91 (2005).
- Voldman, J. oel, Rosenthal, A. dam Dielectrophoretic Traps for Single-particle Patterning. Biophysical Journal. 88, 2193-2205 (2005).
- Ramachandran, T. R., Baur, C., Bugacov, A., Madhukar, A., Koel, B. E., Requicha, A., Gazen, C. Direct and controlled manipulation of nanometer-sized particles using the non-contact atomic force microscope. Nanotechnology. 9, 237-245 (1998).
- Sigurdson, M. arin, Wang, D., Meinhart, C. D. Electrothermal stirring for heterogeneous immunoassays. Lab Chip. 5, 1366-1373 (2005).
- Urbanski, J. ohn P. aul, Levitan, J. eremyA., Bazant, M. artinZ., Thorsen, T. Fast ac electro-osmotic micropumps with non-planar electrodes. Appl. Phys. Lett. 89, 143508- (2006).
- Fatoyinbo, H. O., et al. An integrated dielectrophoretic quartz crystal microbalance (DEP-QCM) device for rapid biosensing applications. Biosens Bioelectron. 23, 225-232 (2007).
