AC Elektrokinetik Olaylar Mikroelektrod Yapıları tarafından oluşturuldu

Son birkaç yılda, bir çip topluluğu üzerindeki laboratuvar, AC Elektrokinetik olarak bilinen heyecan verici bir teknolojiyi benimsedi. Bu fenomen grubu, hızlı ve çok yönlü dalgalarda mikron ila nanometre ölçeğindeki parçacıkları ve sıvıları manipüle etmek için kullanılabilir ve birçok biyoçip uygulaması için hızla gerekli hale gelmektedir. Bu videoda, bu fenomenleri araştırmalarında kullanmaktan fayda sağlayabilecek diğer bilim insanlarına ve mühendislere yardımcı olmak için AC elektro kinetiğinin temellerini yeterince ayrıntılı olarak gözden geçireceğiz.

Merhaba, benim adım Robert Hart ve burada Drexel'de Biyomedikal Mühendisliği Bilimi ve Sağlık Sistemleri bölümünde doktora öğrencisiyim. Bu videoya AC elektrik kinetiğinin arkasındaki fiziğin kısa bir açıklamasıyla başlayacağız. Daha sonra, cihaz üretimine geçeceğiz ve son olarak AC elektro kinetiğinin bazı videolarını göstereceğiz ve neler olduğunu açıklayacağız.

Tanımlayacağımız üç kuvvetten ilki di elektroforezi olarak bilinir. Burada iki batık elektrot arasında oluşan bir elektrik alanı görüyoruz. Bu elektrik alanına bir dielektrik parçacığımız varsa, polarize olur.

Gördüğünüz gibi, parçacık üzerindeki yükler sıvı içindeki yükler tarafından dengeleniyor. Parçacığın sıvıdan daha fazla polarize olup olmadığı veya daha az polarize olup olmadığı, polarize edilebilir, düzgün bir elektrik alanındaki en klas MoSo faktörü ile belirlenebilir. Parçacıklar bilinen somun kuvvetine maruz kalır.

Bununla birlikte, burada gösterildiği gibi düzgün olmayan bir elektrik alanında, daha polarize olabilen parçacıklar, polarize edilebilirliği değiştirmek için frekansı değiştirmek, pozitif di elektroforezi yaşadıklarında yüksek elektrik alanı alanlarına doğru hareket eder, negatif di elektroforezi olarak bilinen zıt etkiye neden olur ve parçacıklar yüksek elektrik alan kuvveti alanlarından uzaklaşır. İkinci kuvvet, elektrik potansiyeli nedeniyle elektrik çift tabakasının oluşumu olarak AC elektro ozmozun temelindeki AC elektro ozmozdur. Yüzeyde bu bölge, yüzeye rijit bir şekilde bağlı hareketsiz iyonlardan oluşan kıç tabakasına ve bağlıyken yanal olarak hareket etmekte hala serbest olan iyonları içeren dağınık tabakaya bölünür.

Elektrotun kenarına yakın iyonlardan birini incelersek, elektrik alanından bir soğutma kuvveti yaşadığını gözlemleriz. Kuvvetin Y bileşeni, yüzeydeki yüklerin varlığı ile dengelenir. Bu nedenle, iyon, elektrotun merkezine doğru yönlendirilmiş net bir yanal kuvvete maruz kalır, elektrotun her iki tarafındaki iyonlar, elektrotun merkezine doğru hareket eder ve kütle ve sıvıyı sürüklemek için yeterli sayıya sahiptir.

Bu iki akışın yakınsaması, merkezdeki sıvının yukarı doğru hareket etmesine ve dönme sıvısı modelinin ortaya çıkmasına neden olur. Potansiyelin değiştirilmesi, karşı iyonlar da değiştiği için sıvı modelinin yönünü etkilemez. Üçüncü ve son fenomen AC hidrotermal etkidir.

Bir sıvıdan bir elektrik alanı geçtiğinde, JUUL ısıtma sıcaklık gradyanlarına neden olur. Simülasyonda gösterildiği gibi, suyun elektriksel özellikleri değişir. Sonuç olarak, elektriksel özelliklerdeki bu bozulmalar, bir vücut kuvvetine neden olmak için elektrik alanı ile etkileşime girer.

AC elektro ozmoz gibi ortaya çıkan hareket, kökenlerinin farklı doğasına rağmen doğası gereği dönme eylemidir. Bütünlük için AC hidrotermal etkisinden kısaca bahsettik, ancak hidrotermal etkinin etkileri incedir. Deneylerimizin çalışma koşulları altında Üç kuvvetin her birinin arkasındaki matematiksel prensiplerden, iki mikronluk bir polistiren parçacığına etki eden toplam birleşik kuvveti gösteren bir sonlu eleman sayısal simülasyonu oluşturuldu Kanaldaki her konumda, çalıştırdığımız sonlu elemanlar simülasyonu, elektrotların iki boyutlu bir kesitini alır ve sadece bir tanesine odaklanır.

İlk simülasyon düşük iletkenliğe sahip ortamı gösterir ve düşük frekanslarda 100 hertz'den bir megahertz'e ilerler. AC elektro ozmoz, dönme kuvveti modelinde görülebileceği gibi baskındır. İlerledikçe, her bir elektrot köşesine giden çekici kuvvetlerin gösterdiği gibi pozitif di elektroforezi devreye girer.

Frekans bir eşiği aştıkça, pozitif DEP, negatif DEP'ye ağırlık verir ve parçacıklar, yerçekimi kuvveti ile dengelendikleri belirli bir yüksekliğe itilir. Şimdi, aynı frekansları yüksek iletkenlikte inceleyeceğiz. Yüksek iletkenlikte, AC elektros mo kuvveti genellikle düşük iletkenliktekinden daha az güçlüdür ve tepe hızı daha yüksek bir frekansta gerçekleşir.

Ayrıca, iletkenlik çok yüksek olduğu için pozitif DEP olmadığını unutmayın. AC elektro ozmoz, daha yüksek iletkenlik ve daha yüksek voltaj ile doğrudan negatif DEP'ye yol açar. Elektrodermal etki çok daha net bir şekilde gösterilecektir.

Bu bölümde cihaz imalatı ve montajından bahsedeceğiz. Cihazların kendileri, bir alt tabaka üzerine desenlenmiş altın elektrotlardan oluşur. Bu durumda cam.

Bunu başarmak için ıslak bir aşındırma yöntemi göstereceğiz, ancak iyi bilinen kaldırma prosedürü de rutin olarak kullanılmaktadır ve daha sonra gösterilecektir. Kullandığımız dört tasarım paralel sayısal, paralel castellated, potansiyel kuyu ve dörtlü. Sürecin kısa bir açıklaması aşağıdaki gibidir.

İlk olarak, cam alt tabaka üzerine bir krom ve altın tabakası biriktirilir. Daha sonra, alt tabaka fotorezist ile kaplanır ve elektrot modeli maskeden alt tabakaya aktarılır. UV temasına maruz kalma ile.

Geliştirmeden sonra, krom ve altın kazınır ve fotorezist soyulur. İyi bir yapışma için cam kızakların çok temiz olması gerekir. Bu genellikle sülfürik asit ve hidrojen peroksitten oluşan ısıtılmış piranha çözeltisi ile yapılır.

Bu tehlikeli kombinasyonla çalışırken çok dikkatli olunmalıdır. Temizlendikten sonra, alt tabakalar kurutulur ve metal biriktirmeye hazır hale gelir. Bu adım bir elektron ışını buharlaştırıcısında gerçekleştirilir.

Cam slaytlar, biriktirme koşullarına dayanacak şekilde özel olarak uygun olan bant üzerindeki kapakla numune tutucuya yüklenir. Daha sonra numuneler makineye yüklenir ve vakumlanır. İşlem, iki dakikalık kısa bir krom birikimi ve 30 dakikalık bir altın birikiminden oluşur ve bu da sırasıyla yaklaşık 20 ve 200 nanometre ile sonuçlanır.

Numuneler çıkarıldığında, altın yüzey açıkça görülür. Fotolitografi Bir spin kaplama makinesi kullanılarak bir foto direnç kaplaması ile başlar. Foto direnç, makine içindeki bir ayna üzerine oturan alt tabakaya pipetlenir.

Camın belirli bir hızda döndürülmesiyle tutarlı bir fotoğraf direnci katmanı oluşturulur ve bu da fazla fotoğraf direncinin çoğunu ortadan kaldırır. Bu işlemi 100 derece C'de iki dakika boyunca yumuşak bir pişirme takip eder.Bu, fotoğraf direncini sertleştirir ve UV Pozlaması için hazırlar. Daha sonra, fotoğraf maskesi alt tabakamızla temas edecek şekilde yerleştirilir ve yaklaşık sekiz saniye boyunca UV ışığına maruz bırakılır.

Bu, deseni fotoğraf direncine aktarır. Geliştirme adımı, ışığa maruz kalmış tüm foto direnç alanlarını kaldırır. Bu işlem fotolitografi aşamasını tamamlar ve altın ve krom gravür için hazır hale geliriz.

Alt tabakamızdaki geliştirme sürecinde açığa çıkan alanlar artık kazınmakta serbesttir. Fotoğraf direnci, yüzeyin geri kalanını etkili bir şekilde korur, ancak tüm adımlarda olduğu gibi, aşındırma süresi de dikkatli bir şekilde kontrol edilmelidir. Burada alt tabakaların koyu, iyot bazlı altın aşındırma içine yerleştirildiğini görüyoruz.

Durulamadan ve sudan sonra, krom aşındırma ile krom çıkarılır. Cam tekrar şeffaf hale geldiğinde meydana gelen dönüşüme dikkat edin. Krom çıkarıldıktan sonra, Kazınmış ile kazınmamış alt tabakaların karşılaştırılması sonuçları gösterir.

Mikroskop altında hızlı bir inceleme, işlemin başarısını gösterir. Burada elektrik bağlantıları yapılmış başarılı bir şekilde üretilmiş bir cihaz görüyoruz. Yanında boru bağlantıları olan bir PD DS kanalı bulunur.

PDMS kanalı bir cihaz üzerine yerleştirildiğinde, bir cam ile çok etkili bir sızdırmazlık yapılır ve kanaldan sıvı akabilir. Bu bir forseps ile dikkatlice yapılır. Parmak izleri ve toz iyi yapışmayı önleyebileceğinden, iyi bir yapışma sağlamak için forsepslerin zıt tarafları kullanılabilir. Doldurma.

Kanal, bir tarafa bir şırınga takılarak, diğerini polistiren bir mikroküre süspansiyonuna yerleştirerek ve hafif emme uygulayarak yapılır. Mikroskoba yerleştirildikten ve odaklandıktan sonra, fonksiyon üretecine elektrik bağlantıları yapılır. Numuneler yüklendikten ve bağlantılar yapıldıktan sonra cihazlar artık bir deney için hazırdır.

Göstereceğimiz deneysel videoların tamamı, iki mikron polistiren mikrokürecikten oluşan sulu bir süspansiyonun kanala enjekte edilmesi ve elektrotlara bir sinyal uygulanmasından oluşmaktadır. Başlangıçta, parçacıklar rastgele dağıtılır ve esmerleşme hareketi sergiler. Tek katil, onun sinyali uygulandığında, parçacıklar hızla elektrotun merkezine hizalanır.

Unutmayın, bir AC alanı kullandığımız için KIC kuvvetine tanık olmuyoruz. Bu büyüleyici davranış, üretilen akışkan desenlerinin yanı sıra di elektroforezinin çekici kuvvetlerinden kaynaklanmaktadır. Frekans arttıkça, parçacıklar elektrotun genişliği boyunca yayılmaya başlar.

AC elektro ozmotik hız azaldıkça ve di elektroforezi 56 kilohertz'de devralmaya başladığında, parçacıklar elektrot kenarına göç eder. AC elektro ozmoz kuvvetleri öldükçe ve pozitif di elektroforezi baskın hale gelir. Bu diyagramda gösterildiği gibi, bu davranış 100 kilohertz'de devam eder ve parçacıklar artık seçim kenarına sıkıca kök salmıştır.

Frekans 250 kilohertz'e yükseltildiğinde, parçacıklar boşluk boyunca sıralanmaya başlar ve 500 kilohertz parçacıklarındaki parçacık etkileşimlerinin neden olduğu inci zinciri davranışı, negatif DEP baskın olduğu için elektrot kenarından itilir. Bu, bir megahertz'de pozitif di elektroforezinden negatif di elektroforezine geçişe neden olan bir frekans artışı ile pozitiften negatife değişen K clausius MoSo faktörü ile açıklanabilir. Negatif DEP maksimum değerine yakındır ve parçacıklar elektrotun üzerinde havaya yükselir.

İletkenlikteki bir artış, CM faktöründe önemli bir değişikliğe neden olur. Gördüğünüz gibi, parçacık davranışını büyük ölçüde değiştiren daha fazla pozitif DEP yok. Bir kilohertz sinyal parçacığı uyguladığımızda aynı frekans aralığında gezinirken, elektrot kenarı boyunca düzlemin dışına çıkarken bunu aklınızda bulundurun.

Mikroskop tarafından sağlanan üst görünüm, bu animasyonda gösterildiği gibi yalnızca yanal parçacık hareketini gösterir. İleri geri hareket eden parçacıkları gösteren bu görüntü, yandan bakıldığında parçacıkların gerçek hareketini gizler. Hareketlerinin gerçek doğası daha kolay görülebilir.

Aslında yörüngede dönüyorlar ve her elektrotun merkezinde sıkışıp kalmamalarının nedeninin DEP bileşeninin ters çevrilmiş olması olduğuna inanılıyor. Frekans artmaya devam ettikçe, parçacıklar aynı yörünge kavramını korurken kümeler halinde birleşmeye başlar. Bu topaklanma, parçacık parçacık etkileşiminden kaynaklanmaktadır.

Bu etkileşimin kökenlerinin, parçacıkların kendilerinin neden olduğu hafif elektrik alan bozulmalarından kaynaklandığı düşünülmektedir. Parçacıkların etrafındaki bozulmalar, yakındaki Parçacıkları çeken DEP kuvvetleri oluşturur. Frekansı artırmaya devam ettikçe, yaklaşık 250 kilohertz'de dramatik bir değişiklik meydana gelir.

Parçacıklar yörünge hareketini büyük ölçüde durdurur ve parçacık parçacık etkileşiminin başka bir tezahürünü pro değişikliği oluşturur. Sonunda, frekans daha da yükseldikçe. Bu noktada, negatif DEP'ye bağlı bir megahertz itme, parçacıkları mikroskop odak düzleminden yukarı ve dışarı doğru iter.

Ardından, düşük iletkenlikte çalışan bir dökme elated elektrot tipini göstereceğiz. Bu elektrot tasarımı, iç içe geçmiş olması bakımından son tipinkine benzer, ancak düz parmaklar daha karmaşık bir şekille değiştirilmiştir. Bir kilohertz'de parçacık toplama, kesişme noktalarının merkezinde gerçekleşir ve hızla bir elmas şekli oluşturur.

Frekans arttıkça, toplanan parçacıklardan aynı yayılmayı görüyoruz. AC elektro ozmoz sönmeye başladığında ve DEP devraldığında, Daha önce olduğu gibi 56 kilohertz, parçacıkların yavaşça elektrot kenarına göç etmesine neden olur. İlginç bir şekilde, parçacıkların neredeyse tamamı bir tarafa doğru hareket eder, bu da bir miktar hidrostatik basınçtan kaynaklanıyor olabilir.

Çok daha hızlı hareket ederler. 100 kilohertz'de bir CEO olarak neredeyse tamamen ortadan kayboldu. 250 kilohertz'de parçacıklar pro zincirler oluşturmaya başlar.

500 kilohertz'e kaymanın neden olduğu negatif DEP, parçacıkları elektrot kenarından uzaklaştırır. Frekansı bir megahertz'e daha da yükseltmek, parçacıkların negatif di elektroforezi tarafından daha da fazla itildikleri için odak düzleminden yukarı doğru hareket etmesine neden olur. Daha sonra, yüksek iletkenlikte çalışan kastelli bir elektrot tipini göstereceğiz.

Bu elektrot tipi ile oluşturulan dönme modeli, en dramatik şekilde iç elektrot köşelerinde meydana gelir ve parçacıkların sonunda göç ettiği yer burasıdır. Daha önce gördüğümüz elmas şeklindeki doğrama davranışı burada mevcut değildir çünkü bu iletkenlikte pozitif di elektroforezi yoktur. Frekans arttıkça sıvı hızı yavaş yavaş azalır.

AC elektro ozmoz kuvvetleri 56 kilohertz'de öldüğünden, hareket çok yavaştır ve bazı yerlerde parçacıklar 100 kilohertz'de topaklanmaya ve inci zincirleri oluşturmaya başlar. İnci zincirler oldukça açıktır. Yavaş yavaş frekans arttıkça, parçacık kümeleri birleşir ve köşelerin her birinde X şekilleri oluşturur.

Son olarak, bir megahertz'de, profesyonel zincirler negatif DEP ile aşılır ve parçacıklar yüzeyden itilir. Burada gösterilen Dörtlü tasarım, elektrot modelinin merkezinde düşük elektrik alan kuvvetine sahip bir alana neden olur ve parçacıkları odaklamak için negatif dielektroforez kullanmak üzere tasarlanmıştır. Elektrotlara 10 volt uyguladığımızda dramatik parçacık odaklama görüyoruz.

Zamanı biraz hızlandıracağız ki parçacıkların dengede nasıl göründüğünü görebilelim. Voltajı bir volta düşürürsek, odaklanılan alanın genişlemeye başladığını görürüz. Dielektroforez, kek ve harekete karşı zemin kaybettiğinden, voltajın tekrar arttırılması parçacıkların merkeze doğru geri hareket etmesine neden olur.

Dörtlü model gibi, potansiyel kuyu da parçacıkları yakalamak için düşük elektrik alanı alanları yaratır. Elektrotlar sayısallaştırılmıştır, bu nedenle daha önce gördüğümüz diğer etkiler de burada gözlemlenebilir. Sinyaller uygulandığında, bir CEO ve DEP nedeniyle parçacıkların hızlı bir şekilde yakalandığını görüyoruz.

Daha ilginç olan etki, içi boş karelerde olanlardır. Buradaki partiküller, bir süre geçtikten sonra negatif di elektroforezi nedeniyle toplanmaktadır. Ayrıca potansiyel kuyunun her iki tarafında üçgen şeklinde bir miktar koleksiyon görüyoruz.

AC elektrokinetiğinin arkasındaki birçok ilginç fiziğin bir kısmını, bu cihazların nasıl üretileceğini ve sayısal simülasyonlara ve temel fiziğe dayalı deneysel sonuçların nasıl yorumlanacağını gösterdik. Hareketli parçacıklarla ilgilenen bu fenomenleri, görsel yardımcılar olmadan anlamak oldukça zordur. AC elektro kinetik olaylar birçok araştırma alanında kullanılabilir.

Örneğin, biyosensör uygulamaları için partikül toplama, numune işleme için boyut ve şekil gibi farklı özelliklere sahip partiküllerin ayrılması ve tahlil iyileştirmesi için aktif karıştırma. Bu videonun, bilim insanlarının ve mühendislerin, bir çip topluluğu üzerindeki laboratuvarın en önemli ve büyüyen alanlarından biri olan AC elektrikli kinetik cihazları kullanmalarına ve üretmelerine yardımcı olacağını umuyoruz. İşte bu kadar.

İzlediğiniz için teşekkürler ve deneylerinizde iyi şanslar.