AC elektrokinetischen Phänomenen von Mikroelektroden-Strukturen erzeugt

Published 7/28/2008
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Biology

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Summary

Manipulieren von Flüssigkeiten und Schwebstoffe in der Mikro-und Nano-Maßstab wird immer mehr zu einer Realität als enabling technologies, wie AC Elektrokinetik, weiter zu entwickeln. Hier diskutieren wir die Physik hinter AC Elektrokinetik, wie man diese Geräte und wie man die experimentellen Beobachtungen zu interpretieren herzustellen.

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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).

Please note that all translations are automatically generated through Google Translate.

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Abstract

Der Bereich der AC Elektrokinetik wächst schnell aufgrund seiner Fähigkeit, dynamische Fluid-und Partikel-Manipulation auf der Mikro-und Nanobereich, die wesentlich für Lab-on-a-Chip Anwendungen auszuführen. AC elektrokinetischen Phänomenen Gebrauch elektrischer Felder, um Kräfte zu erzeugen, die wirken auf Flüssigkeiten oder Schwebeteilchen (einschließlich der dielektrischen oder biologischen Material) und sie in erstaunlicher Weise 1, 2 bewegen verursachen. Innerhalb eines einzelnen Kanals kann AC Elektrokinetik erreichen viele wichtige On-Chip-Operationen, wie aktiv Mikrovermischung, Partikelabscheidung, Partikel-Positionierung und Mikro-Musterung. Ein einzelnes Gerät kann mehrere dieser Operationen, indem einfach Betriebsparameter wie Frequenz oder Amplitude der angelegten Spannung zu erreichen. Geeignete elektrische Felder können leicht durch Mikroelektroden in Mikrokanäle integriert erstellt werden. Es ist klar, aus der ein enormes Wachstum in diesem Bereich, dass AC Elektrokinetik wird wahrscheinlich eine tiefgreifende Wirkung auf Healthcare Diagnostics 3-5, Umweltüberwachung 6 und Heimat Security 7.

Im Allgemeinen gibt es drei AC elektrokinetische Phänomene (AC Elektroosmose, Dielektrophorese und AC elektrothermischen Effekt) jedes mit einzigartigen Abhängigkeiten der Betriebsparameter. Eine Veränderung dieser Betriebsparameter kann verursachen ein Phänomen zu dominant werden über einen anderen, wodurch sich die Partikel oder Flüssigkeit Verhalten.

Es ist schwierig, das Verhalten von Partikeln und Flüssigkeiten aufgrund der komplizierten Physik, AC Elektrokinetik unterliegen vorherzusagen. Es ist das Ziel dieser Publikation, die Physik zu erklären und erläutern Partikel-und Fluid-Verhalten. Unsere Analyse deckt auch, wie man die Elektrode Strukturen, die sie erzeugen, herzustellen, und wie man eine Vielzahl von experimentellen Beobachtungen über mehrere populäre Gerät Designs zu interpretieren. Dieses Video Artikel hilft Wissenschaftler und Ingenieure verstehen diese Phänomene und können sie ermutigen, zu verwenden zu beginnen AC Elektrokinetik in ihre Forschung.

Protocol

Fabricating Cr / Au-Elektroden auf Glassubstraten

Teil 1A: Wet Etch-Methode

* Für die höchste Qualität Geräten sollte das Herstellungsverfahren in einer Reinraum-Umgebung ausgeführt werden oder unter Hauben mit laminarer Strömung, so dass Staub und andere Verunreinigungen wirken sich nicht auf das Muster.

  1. 2-Zoll von 4-Zoll-Glass Folien sind in platziert einen beheizten (80 ° C) Piranha-Lösung (5:7 H 2 O 2: H 2 SO 4) für 30 Minuten, um Verunreinigungen (insbesondere organischer) zu entfernen und anschließend gespült, DI Wasser und mit Druckluft getrocknet.
  2. 20 nm Cr und 200 nm Au sind auf die Substrate mit einem Elektronenstrahlverdampfer hinterlegt.
  3. Shipley 1827 positive Photoresist wird auf dem Glasträger mit einer Spincoaters (3000 rpm, 1000 rpm / s Rampe, 30 Sekunden Spin Zeit) abgelagert.
  4. Die Substrate werden dann für 2 Minuten sanft gebrannt bei 100 ° C.
  5. Das Muster der Maske ist der Fotolack mit Kontakt UV-Exposition für 8,4 Sekunden für insgesamt 206 mJ / cm 2 übertragen.
  6. Wasser (1:3) für 30 Sekunden unter gutem Rühren durch eine DI-Wasser spülen gefolgt: Der Fotolack wird in Microposit MF 351 entwickelt.
  7. Nach der Inspektion mit dem Mikroskop eine gute Entwicklung zu gewährleisten, werden die Substrate dann in Au Ätzmittel und Chrome Ätzmittel für 15 Sekunden und 30 Sekunden geätzt bzw. mit DI wäscht zwischen und nach.

Teil 1B: Alternative Protocol - Lift-off-Methode

  1. 2-Zoll von 4-Zoll-Glass Folien sind in platziert einen beheizten (80 ° C) Piranha-Lösung (5:7 H2O 2: H 2 SO 4) für 30 Minuten, um Verunreinigungen (insbesondere organischer) zu entfernen und dann abgespült in DI-Wasser und mit Druckluft getrocknet.
  2. Futurrex NR-7 1500 PY negativen Photoresist wurde auf das Substrat aufgeschleudert (2000 rpm, 1000 rpm / s Rampe, 40 Sekunden Spin Zeit).
  3. Substrate waren weich gebacken für 1 Minute bei 150 ° C.
  4. Kontakt UV-Exposition für 21 Sekunden (400 mJ / cm 2).
  5. Die Substrate wurden dann auf einer Heizplatte bei 100 ° C für 1 Minute bis das Einbrennen Schritt abzuschließen platziert.
  6. Die Entwicklung wurde für 6 Sekunden in Futurrex RD6 Entwickler durchgeführt.
  7. 30 nm Cr und 200 nm Au werden dann auf die Substrate mit einem Elektronenstrahlverdampfer hinterlegt.
  8. Lift-off ist, indem die Substrate in einer Aceton Ultraschallbad bis das Gold sichtbar wurde entfernt und bestätigt mit Mikroskop Beobachtung durchgeführt.

Versuchsaufbau

Teil 2: Microsphere Injektion und Beobachtung

  1. PDMS-Kanäle (Herstellung anderer Stelle beschrieben) werden auf das Glassubstrat mit direkter Haftung angebracht, so dass der Kanal führt über die hergestellten Elektroden.
  2. Etwa 10 7 ml Polystyrol-Mikrokügelchen sind entweder in DI-Wasser (0,0002 S / m) oder KCl-Lösung (0,05 S / m) suspendiert. Sie werden dann, indem man den Schlauch Einlass in die Mikrosphären-Lösung und abgesaugt, um die Steckdose mit einer Spritze injiziert.
  3. Das geladene Gerät wird dann auf dem Mikroskoptisch platziert und mit einem Signalgenerator.
  4. Eine zeitliche Verlauf der Frequenz-Einstellungen (1 kHz bis 1 MHz) und Spannung Einstellungen (1 oder 2 V) angewendet werden, während Beobachtungen mit dem Mikroskop vorgenommen werden.

Hinweis: Es ist wichtig, nicht die Spannung zu hoch heben oder ermöglichen die Frequenz zu bekommen zu niedrig oder die Elektrolyse von Wasser auftreten. Die genaue Spannung oder Frequenz für diese auftreten, sind abhängig von der Elektroden-Konstruktion. Unser Labor-Richtlinien sind auf Frequenzen unterhalb von 500 Hz oder Spannungen über 8 zu vermeiden V.

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Discussion

In diesem Video haben wir eine Vielzahl von Teilchen und Flüssigkeit Manipulation Verhaltensweisen von AC elektrokinetische Phänomene verursacht wurden. Die Elektroden, die diese Phänomene erzeugen, die einfach herzustellen und können leicht in viele andere Systeme integriert werden. Wie wir gezeigt haben, gibt es zahlreiche Anwendungen für den Einsatz von AC Elektrokinetik. Die Vielseitigkeit dieser Geräte, sowie die schnelle Art der Manipulation, macht sie besonders attraktiv. Wie im Gesundheitswesen und anderen Branchen zu Lab-on-a-Chip-Systeme umfassen beginnen, werden wir wahrscheinlich sehen, die Einbeziehung der AC Elektrokinetik auf diesen Geräten als integraler Bestandteil.

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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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