AC electrocinéticas fenómenos generados por las Estructuras de microelectrodos

Published 7/28/2008
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Biology

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Summary

La manipulación de fluidos y partículas en suspensión en las tecnologías de micro-y nano-escala se está convirtiendo en una realidad tan propicio, como electrocinética AC, continúan desarrollándose. En este caso, hablamos de la física detrás de electrocinética AC, la forma de fabricar estos dispositivos y la forma de interpretar las observaciones experimentales.

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Hart, R., Oh, J., Capurro, J., Noh, H. (. AC Electrokinetic Phenomena Generated by Microelectrode Structures. J. Vis. Exp. (17), e813, doi:10.3791/813 (2008).

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Abstract

El campo de la electrocinética AC está creciendo rápidamente debido a su capacidad para llevar a cabo de dinámica de fluidos y la manipulación de partículas en la micro-y nano-escala, que es esencial para Lab-on-a-Chip aplicaciones. Fenómenos AC electrocinética utilizar campos eléctricos para generar las fuerzas que actúan sobre los líquidos o partículas en suspensión (incluidos los obtenidos de material dieléctrico o material biológico) y hacer que se mueva en forma asombrosa 1, 2. Dentro de un solo canal, electrocinética AC puede realizar muchas esencial en el chip de operaciones tales como el posicionamiento activo de partículas micro-mezcla de partículas de separación, y micro-golpeteo. Un único dispositivo puede realizar varias de estas operaciones, simplemente ajustando los parámetros de funcionamiento tales como la frecuencia o la amplitud de la tensión aplicada. Adecuada los campos eléctricos pueden ser fácilmente creados por micro-electrodos integrados en microcanales. Es claro el enorme crecimiento en este campo que electrocinética AC probablemente tendrá un efecto profundo en el diagnóstico de salud 3.5, monitoreo ambiental y de seguridad nacional 6 7.

En general, hay tres fenómenos electrocinéticas AC (AC electroósmosis, dielectroforesis y efecto electrotérmico AC), cada uno con dependencias único en los parámetros de funcionamiento. A cambio de estos parámetros de operación puede causar un fenómeno para convertirse en dominante en otra, cambiando así la partícula o comportamiento de los fluidos.

Es difícil predecir el comportamiento de las partículas y fluidos debido a la física complicada que subyacen en electrocinética AC. Es el objetivo de esta publicación para explicar la física de partículas y aclarar y comportamiento de los fluidos. Nuestro análisis también se explica cómo fabricar las estructuras de electrodos que los generan, y cómo interpretar un amplio número de observaciones experimentales utilizando varios diseños de dispositivos populares. En este artículo de vídeo ayudará a los científicos e ingenieros de entender estos fenómenos y les puede animar a empezar a usar Electrocinética AC en sus investigaciones.

Protocol

Fabricación de Cr / Au electrodos sobre sustratos de vidrio

Parte 1A: Método húmedo Etch

* Para los dispositivos de la más alta calidad, el proceso de fabricación debe realizarse en un ambiente de sala limpia o bajo campanas de flujo laminar para que el polvo y otros contaminantes no afectan el patrón.

  1. De 2 pulgadas de diapositivas de vidrio de 4 pulgadas se colocan en una piscina climatizada (80 ° C) Piranha solución (05:07 H 2 O 2: H 2 SO 4) durante 30 minutos para eliminar los contaminantes (especialmente orgánicos) y después se aclara en el DI agua y se seca con aire comprimido.
  2. Cr 20 nm y 200 nm de Au se depositan en los sustratos con un cañón de haz de electrones.
  3. Shipley 1827 fotosensible positiva se deposita en el portaobjetos de vidrio con un spincoater (3000 rpm, 1000 rpm / s en pista, tiempo de giro 30 segundos).
  4. Los sustratos son luego al horno suave durante 2 minutos a 100 ° C.
  5. El patrón de la máscara se transfiere a la exposición por contacto con el fotoprotector UV de 8,4 segundos para un total de 206 mJ / cm 2.
  6. El fotoprotector se desarrolla en Microposit MF 351: agua (1:3) durante 30 segundos con una buena agitación seguido por un enjuague de agua DI.
  7. Después de la inspección con un microscopio para asegurar un buen desarrollo, los sustratos son entonces grabadas en Au grabador y grabador Chrome durante 15 segundos y 30 segundos, respectivamente, con DI se lava en medio y después.

Parte 1B: Protocolo de alternativas - El despegue Método

  1. De 2 pulgadas de diapositivas de vidrio de 4 pulgadas se colocan en una piscina climatizada (80 ° C) Piranha solución (5:7 H2O 2: H 2 SO 4) durante 30 minutos para eliminar los contaminantes (especialmente orgánicos) y luego enjuaga con agua DI y seca con aire comprimido.
  2. Futurrex NR-7 1500 fotosensible negativa PY se spincoated sobre el sustrato (2000 rpm, 1000 rpm / s de rampa, 40 segundos tiempo de giro).
  3. Sustratos eran suaves al horno durante 1 minuto a 150 ° C.
  4. Póngase en contacto con los rayos UV por 21 segundos (400 mJ / cm 2).
  5. Los sustratos se colocaron en una placa caliente a 100 ° C durante 1 minuto para completar el paso postbake.
  6. Desarrollo se llevó a cabo durante 6 segundos en Futurrex desarrollador RD6.
  7. Cr 30 nm y 200 nm de Au se depositan en los sustratos con un cañón de haz de electrones.
  8. El despegue se realiza mediante la colocación de los soportes en un baño ultrasónico acetona hasta que el oro fue eliminado de manera visible y confirmado con la observación al microscopio.

La instalación experimental

Parte 2: inyección de microesferas y la observación

  1. PDMS canales (de fabricación descrito en otra parte) se unen al sustrato de vidrio con una adhesión directa a fin de que el canal pasa por encima de los electrodos fabricados.
  2. Aproximadamente el 10 por 7 ml microesferas de poliestireno se suspenden en agua o DI (0,0002 S / m) o una solución de KCl (0,05 S / m). Luego se inyecta mediante la colocación de la entrada de la tubería en la solución de las microesferas y aplicando succión a la salida con una jeringa.
  3. El dispositivo de carga se coloca sobre la platina del microscopio y conectada a un generador de señal.
  4. Una evolución en el tiempo de configuración de la frecuencia (1 kHz a 1 MHz) y voltaje (1 o 2 V) se aplican mientras se realizan las observaciones con el microscopio.

Nota: Es importante no elevar la tensión demasiado alta o dejar que la frecuencia demasiado baja o la electrólisis del agua va a producir. La configuración exacta de tensión o frecuencia para que esto ocurra depende del diseño de los electrodos. Nuestras directrices de laboratorio son para evitar que las frecuencias por debajo de 500 Hz o tensiones superiores a 8 V.

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Discussion

En este video, nos han mostrado una amplia variedad de comportamientos de manipulación de partículas y fluidos producidos por fenómenos AC electrocinética. Los electrodos que generan estos fenómenos son fáciles de fabricar y puede ser integrado fácilmente en muchos otros sistemas. Como hemos visto, existen numerosas aplicaciones para el uso de la electrocinética AC. La versatilidad de estos dispositivos, así como la naturaleza rápida de la manipulación, los hace particularmente atractivos. Como las industrias de la salud y otros empiezan a abrazar lab-on-a-chip, probablemente veremos la incorporación de la electrocinética AC en estos dispositivos como una parte integral.

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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

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References

  1. Ramos, A., et al. AC Electrokinetics: a review of forces in microelectrode structures. Journal of Physics D: Applied Physics. 31, 2338-2353 (1998).
  2. Morgan, H. ywel, Green, N. G. AC Electrokinetics: colloids and nanoparticles. SRP Ltd.. England. (2002).
  3. Toner, M., Irimia, D. Blood-on-a-chip. Annual Review of Biomedical Engineering. 2005, 77-103 (2005).
  4. 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).
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  6. 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).
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Comments

1 Comment

  1. Hello, I am in the process of designing a dielectrophoresis electrode array for a project. I wanted to know some more details about the demo where you show ²um beads being manipulated by the interdigitated electrode array. What was the gap spacing of the electrodes and the amplitude of the voltage used?

    Reply
    Posted by: Samuel D.
    June 10, 2011 - 1:41 PM

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