Summary
Het manipuleren van vloeistoffen en zwevende deeltjes in de micro-en nano-schaal is steeds meer een realiteit als enabling technologies, zoals AC elektrokinetics, verder te ontwikkelen. Hier bespreken we de fysica achter AC elektrokinetics, hoe u deze apparaten en hoe de experimentele waarnemingen te interpreteren fabriceren.
Abstract
Het veld van AC elektrokinetics groeit snel te wijten aan zijn vermogen om dynamische vocht en deeltje manipulatie uit te voeren op de micro-en nano-schaal, die essentieel is voor Lab-on-a-Chip toepassingen. AC elektrokinetische verschijnselen te gebruiken elektrische velden om de krachten te genereren die inwerken op vloeistoffen of zwevende deeltjes (inclusief die van diëlektrisch of biologisch materiaal) en ervoor zorgen dat ze te bewegen in verbazingwekkende manieren 1, 2. Binnen een enkel kanaal, kan AC elektrokinetics volbrengen vele essentiële on-chip bewerkingen zoals actieve micro-mixing, deeltje scheiding, deeltje positionering en micro-kletteren. Een enkel apparaat kan volbrengen een aantal van deze operaties door simpelweg te passen operationele parameters, zoals frequentie of amplitude van de aangelegde spanning. Geschikte elektrische velden kan gemakkelijk gemaakt worden door micro-elektroden geïntegreerd in microkanalen. Het is duidelijk uit de enorme groei op dit gebied, dat AC elektrokinetics waarschijnlijk zal een diepgaand effect op de gezondheidszorg diagnostiek 3-5, bewaking van het milieu 6 en 7 binnenlandse veiligheid.
In het algemeen zijn er drie AC elektrokinetische verschijnselen (AC elektro-, dielectrophoresis en AC elektrothermische effect) elk met unieke afhankelijkheden op de operatietafel parameters. Een verandering in deze parameters kan leiden tot een fenomeen te worden dominant boven de andere, waardoor het veranderen van de deeltje of vloeistof gedrag.
Het is moeilijk te voorspellen het gedrag van deeltjes en vloeistoffen te wijten aan de ingewikkelde fysica die AC elektrokinetics ten grondslag liggen. Het is het doel van deze publicatie aan de natuurkunde uit te leggen en toe te lichten deeltje en vloeistof gedrag. Onze analyse omvat ook hoe verzinnen de elektrode structuren die ze genereren, en hoe te interpreteren een groot aantal experimentele waarnemingen met behulp van verschillende populaire apparaat ontwerpen. Deze video artikel helpt wetenschappers en technici te begrijpen van deze verschijnselen en kan hen aanmoedigen om te starten met behulp van AC elektrokinetics in hun onderzoek.
Protocol
Fabriceren van Cr / Au elektroden op glas substraten
Deel 1A: Natte Etch Methode
* Voor de hoogste kwaliteit apparaten, moet het productieproces worden uitgevoerd in een clean room of onder afzuigkappen met laminaire stroming, zodat stof en andere verontreinigingen hebben geen invloed op het patroon.
- 2-inch met 4-inch glazen dia's zijn geplaatst in een verwarmde (80 ° C) Piranha-oplossing (5:07 H 2 O 2: H 2 SO 4) gedurende 30 minuten om verontreinigingen (vooral organische) te verwijderen en daarna gespoeld in DI water en gedroogd met perslucht.
- 20 nm en 200 nm Cr Au worden afgezet op de substraten met een elektronenbundel verdamper.
- Shipley 1827 positieve fotolak wordt afgezet op het glas dia's met een spincoater (3000 rpm, 1000 rpm / s helling, 30 seconden spin-tijd).
- Substraten worden vervolgens zacht gebakken gedurende 2 minuten op 100 ° C.
- Het patroon van het masker wordt overgebracht naar de fotolak met contact UV blootstelling aan 8,4 seconden voor een totaal van 206 mJ / cm 2.
- De fotolak is ontwikkeld in Microposit MF 351: Water (1:3) gedurende 30 seconden met een goede agitatie, gevolgd door een DI-water spoelen.
- Na inspectie met een microscoop om goede ontwikkeling te garanderen, worden de substraten vervolgens geëtst in Au etsmiddel en Chrome etsmiddel 15 seconden en 30 seconden respectievelijk met DI wast tussen en na.
Deel 1B: Alternatieve Protocol - Lift-off methode
- 2-inch met 4-inch glazen dia's zijn geplaatst in een verwarmde (80 ° C) Piranha-oplossing (05:07 H2O 2: H 2 SO 4) gedurende 30 minuten om verontreinigingen (vooral organische) te verwijderen en daarna gespoeld met DI-water-en gedroogd met perslucht.
- Futurrex NR-7 1500 PY negatieve fotoresist was spincoated op de ondergrond (2000 rpm, 1000 rpm / s helling, 40 seconden spin-tijd).
- Substraten waren zacht gebakken gedurende 1 minuut op 150 ° C.
- Neem contact met UV-blootstelling van 21 seconden (400 mJ / cm 2).
- De substraten werden vervolgens geplaatst op een hete plaat ingesteld op 100 ° C gedurende 1 minuut om de postbake stap te voltooien.
- Ontwikkeling werd uitgevoerd gedurende 6 seconden in Futurrex RD6 ontwikkelaar.
- 30 nm en 200 nm Cr Au worden vervolgens afgezet op de substraten met een elektronenbundel verdamper.
- Lift-off wordt uitgevoerd door het plaatsen van de substraten in een aceton ultrasoonbad tot het goud was zichtbaar verwijderd en bevestigd met microscoop observatie.
Experimentele opstelling
Deel 2: Microsphere injectie en observatie
- PDMS kanalen (fabricage elders beschreven) zijn bevestigd aan de glazen substraat met een directe hechting, zodat het kanaal gaat over de verzonnen elektroden.
- Ongeveer 10 7 ml polystyreen microsferen zijn opgehangen in een van beide DI water (0,0002 S / m) of een KCl-oplossing (0,05 S / m). Ze worden vervolgens geïnjecteerd door het plaatsen van de slang inlaat in de microsfeer oplossing en te zuigen om de uitlaat met een spuit.
- De geladen apparaat wordt dan geplaatst op de microscoop podium en aangesloten op een signaal generator.
- Een tijdsverloop van frequentie-instellingen (1 kHz tot 1 MHz) en spanning instellingen (1 of 2 V) worden toegepast terwijl de opmerkingen zijn gemaakt met de microscoop.
Opmerking: Het is belangrijk om niet de spanning te verhogen te hoog of de frequentie te krijgen te lage of elektrolyse van water zal optreden mogelijk te maken. De exacte spanning of frequentie-instellingen om dit te laten optreden zijn afhankelijk van de elektrode ontwerp. Ons lab richtlijnen zijn voor frequenties lager dan 500 Hz of spanningen te vermijden boven de 8 V.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
In deze video, hebben we laten zien een breed scala van deeltjes en vloeistof manipulatie gedrag veroorzaakt door AC elektrokinetische verschijnselen. De elektroden dat deze verschijnselen te genereren zijn eenvoudig te fabriceren en kan gemakkelijk worden geïntegreerd in tal van andere systemen. Zoals we hebben laten zien, zijn er tal van toepassingen voor het gebruik van AC elektrokinetics. De veelzijdigheid van deze apparaten, evenals de snelle karakter van manipulatie, maakt ze bijzonder aantrekkelijk. Als de gezondheidszorg en andere industrieën beginnen lab-on-a-chip systemen te omarmen, zullen we waarschijnlijk zien de oprichting van AC elektrokinetics op deze apparaten als een integraal onderdeel.
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).
