Fenômenos AC eletrocinéticas Gerado por Estruturas microeletrodos

Published 7/28/2008
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Biology

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Summary

Manipulação de líquidos e partículas em suspensão nas tecnologias de micro e nano-escala é cada vez mais de uma realidade tão propício, como o AC electrokinetics, continue a se desenvolver. Aqui, discutimos a física por trás AC electrokinetics, como fabricar estes dispositivos e como interpretar as observações experimentais.

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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

O campo da AC electrokinetics está crescendo rapidamente, devido à sua capacidade de executar fluido dinâmico e manipulação de partículas na micro e nano-escala, que é essencial para Lab-on-a-Chip aplicações. Fenômenos AC eletrocinética uso de campos elétricos para gerar forças que atuam sobre os fluidos ou partículas em suspensão (incluindo aqueles feitos de material dieléctrico ou material biológico) e levá-los a se mover em maneiras surpreendentes 1, 2. Dentro de um único canal, AC electrokinetics pode realizar muitos essenciais on-chip operações como o posicionamento de partículas ativas micro-mistura de partículas, separação e micro-tamborilar. Um único dispositivo pode realizar várias dessas operações simplesmente ajustando os parâmetros operacionais, tais como freqüência ou amplitude da voltagem aplicada. Adequado campos elétricos podem ser facilmente criados por micro-eletrodos integrados microcanais. É claro o enorme crescimento nesse campo que AC electrokinetics provavelmente terá um efeito profundo sobre o diagnóstico de saúde 3-5, 6 de monitoramento ambiental e segurança nacional 7.

Em geral, existem três fenômenos AC eletrocinéticas (AC Eletroosmose, dieletroforese e AC efeito eletrotérmica) cada um com dependências única sobre os parâmetros de funcionamento. Uma mudança nestes parâmetros operacionais pode causar um fenômeno de se tornar dominante sobre outra, mudando assim o comportamento das partículas ou fluido.

É difícil prever o comportamento das partículas e fluidos, devido à complicada física que estão por trás AC electrokinetics. É o objetivo desta publicação para explicar a física de partículas e elucidar e comportamento de fluidos. Nossa análise também abrange a forma de fabricar as estruturas eletrodo que gerá-los, e como interpretar um grande número de observações experimentais utilizando vários projetos de dispositivos popular. Este artigo vídeo ajudará os cientistas e engenheiros entender esses fenômenos e pode incentivá-los a começar a usar o AC Electrokinetics em suas pesquisas.

Protocol

Fabricação de Cr / Au eletrodos em substratos de vidro

Parte 1A: Método Etch Wet

* Para os dispositivos de alta qualidade, o processo de fabricação deve ser realizada em um ambiente de sala limpa ou em capelas de fluxo laminar para que a poeira e outros contaminantes não afetará o padrão.

  1. 2 polegadas por slides de 4 polegadas de vidro são colocados em uma aquecida (80 ° C) solução de Piranha (05:07 H 2 O 2: H 2 SO 4) por 30 minutos para remover os contaminantes (principalmente orgânicos) e depois lavado em DI água e secas com ar comprimido.
  2. 20 nm Cr e 200 nm Au são depositados sobre os substratos com um evaporador feixe de elétrons.
  3. Shipley fotorresiste 1827 positivo é depositado sobre as lâminas de vidro com um spincoater (3000 rpm, 1000 rpm rampa / s, 30 o tempo de rotação segundo).
  4. Substratos são, então, macios cozidos durante 2 minutos a 100 ° C.
  5. O padrão da máscara é transferido para o fotorresiste com a exposição de contato UV por 8,4 segundos para um total de 206 mJ / cm 2.
  6. O fotorresiste é desenvolvido em Microposit MF 351: água (1:3) por 30 segundos com agitação boa seguido por uma água DI enxaguar.
  7. Após a inspeção com um microscópio para assegurar um bom desenvolvimento, os substratos são então gravados em Au O condicionamento e etchant Chrome por 15 segundos e 30 segundos respectivamente com DI lava no meio e depois.

1B parte: Protocolo alternativa - Método Lift-off

  1. 2 polegadas por slides de 4 polegadas de vidro são colocados em uma aquecida (80 ° C) solução de Piranha (5:7 H2O 2: H 2 SO 4) por 30 minutos para remover os contaminantes (principalmente orgânica) e, em seguida, lavadas em água DI e secas com ar comprimido.
  2. Futurrex NR-7 1500 fotorresiste PY negativo foi spincoated sobre o substrato (2000 rpm, 1000 rpm rampa / s, 40 o tempo de rotação segundo).
  3. Substratos foram macio cozido por 1 minuto a 150 ° C.
  4. Contato com a exposição UV durante 21 segundos (400 mJ / cm 2).
  5. Os substratos foram então colocados em uma placa quente a 100 ° C por 1 minuto para concluir a etapa postbake.
  6. Desenvolvimento foi realizado por 6 segundos em Futurrex desenvolvedor RD6.
  7. 30 nm Cr e Au 200 nm são então depositados sobre os substratos com um evaporador feixe de elétrons.
  8. Lift-off é realizada por colocar a substratos em um banho de acetona ultra-som até o ouro estava visivelmente retirado e confirmou com a observação de microscópio.

Instalação Experimental

Parte 2: injeção Microesfera e observação

  1. PDMS canais (de fabricação descritos em outros lugares) estão ligados ao substrato de vidro com adesão direta para que o canal passa sobre os eletrodos fabricado.
  2. Aproximadamente 10 7 ml microesferas de poliestireno são suspensas em qualquer DI água (0,0002 S / m) ou uma solução de KCl (0,05 S / m). Em seguida, são injetados, colocando a entrada do tubo na solução de micro e aplicação de sucção para a saída com uma seringa.
  3. O dispositivo carregada é então colocada no palco microscópio e ligada a um gerador de sinal.
  4. Um curso de tempo de ajustes de freqüência (1 kHz a 1 MHz) e as configurações de tensão (1 ou 2 V) são aplicadas quando as observações são feitas com o microscópio.

Nota: É importante não levantar a tensão muito alta ou permitir que a freqüência ficar muito baixa ou eletrólise da água irá ocorrer. As configurações exatas de tensão ou de freqüência para que isso ocorra são dependentes do projeto do eletrodo. Diretrizes nosso laboratório devem evitar freqüências abaixo de 500 Hz ou tensões acima de 8 V.

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Discussion

Neste vídeo, temos demonstrado uma grande variedade de comportamentos de partículas e de fluidos manipulação causados ​​por fenômenos AC eletrocinética. Os eletrodos que geram esses fenômenos são fáceis de fabricar e pode ser facilmente integrado a muitos outros sistemas. Como temos mostrado, existem inúmeras aplicações para o uso de AC electrokinetics. A versatilidade destes dispositivos, bem como a natureza rápida da manipulação, os torna particularmente atraentes. Como as indústrias de saúde e outros começam a abraçar lab-on-a-chip sistemas, provavelmente veremos a incorporação de AC electrokinetics nesses dispositivos como parte integrante.

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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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

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).
  5. Vespoorte, E. Microfluidic chips for clinical and forensic analysis. Electrophoresis. 23, 677-712 (2002).
  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).
  7. Ali, Z. Lab-on-a-chip for terrorist weapons management. Measurement and Control. 38, 87-91 (2005).
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  9. 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).
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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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