Fenomeni AC elettrocinetico Generato da strutture microelettrodo

Published 7/28/2008
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Biology

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Summary

Manipolare fluidi e particelle in sospensione nelle tecnologie micro-e nano-scala è sempre più di una realtà come abilitazione, come elettrocinesi AC, continuare a sviluppare. Qui, si discute la fisica dietro elettrocinesi AC, come fabbricare questi dispositivi e come interpretare le osservazioni sperimentali.

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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

Il campo di elettrocinesi CA è in rapida crescita grazie alla sua capacità di eseguire fluidodinamica e la manipolazione di particelle sulla micro-e nano-scala, che è essenziale per Lab-on-a-Chip applicazioni. Fenomeni AC elettrocinetici utilizzare i campi elettrici di generare forze che agiscono sui liquidi o particelle sospese (compresi quelli fatti di dielettrico o materiale biologico) e causano loro di muoversi in modi sorprendenti 1, 2. All'interno di un singolo canale, elettrocinesi AC può realizzare molti essenziali on-chip operazioni come attivo il posizionamento di particelle micro-miscelazione, separazione delle particelle, e micro-picchiettare. Un unico dispositivo può compiere diverse di tali operazioni con la semplice regolazione dei parametri operativi, come la frequenza o l'ampiezza della tensione applicata. Adatto campi elettrici possono essere facilmente create da micro-elettrodi integrati in microcanali. E 'chiaro dalla crescita enorme in questo campo che elettrocinesi AC probabilmente avrà un effetto profondo sulla diagnostica sanitaria 3-5, monitoraggio ambientale 6 e homeland security 7.

In generale, ci sono tre fenomeni elettrocinetici CA (AC elettroosmosi, dielettroforesi ed effetto AC elettrotermica) ciascuno con dipendenze unico sui parametri di funzionamento. Un cambiamento di questi parametri di funzionamento può causare uno dei fenomeni a diventare dominante su un'altra, cambiando così la particella o il comportamento dei fluidi.

E 'difficile prevedere il comportamento delle particelle e liquidi a causa della fisica che sono alla base complicata elettrocinesi AC. E 'l'obiettivo di questa pubblicazione per spiegare la fisica delle particelle e di spiegare e il comportamento dei fluidi. La nostra analisi riguarda anche il modo di fabbricare le strutture elettrodo che li generano, e come interpretare un ampio numero di osservazioni sperimentali utilizzando diversi disegni popolare dispositivo. In questo articolo il video aiuterà gli scienziati e gli ingegneri capire questi fenomeni e possono incoraggiarli a iniziare a utilizzare elettrocinesi AC nella loro ricerca.

Protocol

Fabbricazione di Cr / Au Elettrodi su substrati di vetro

Parte 1A: Wet Metodo Etch

* Per i dispositivi di alta qualità, il processo di fabbricazione deve essere eseguita in un ambiente sterile o sotto cappe a flusso laminare in modo che polvere e altri contaminanti non influirà sul modello.

  1. 2-pollici da 4 pollici vetrini sono posti in una riscaldata (80 ° C) Piranha soluzione (5:7 H 2 O 2: H 2 SO 4) per 30 minuti per rimuovere i contaminanti (soprattutto organici) e poi risciacquati in DI acqua e asciugati con aria compressa.
  2. Cr 20 nm e 200 nm di Au sono depositati su substrati con un evaporatore a fascio di elettroni.
  3. Shipley 1827 photoresist positivo si deposita sui vetrini con un spincoater (3000 rpm, 1000 rpm / s rampa, 30 tempo di rotazione secondo).
  4. Substrati sono poi cotto morbido per 2 minuti a 100 ° C.
  5. Il modello della maschera è trasferito al photoresist con l'esposizione ai raggi UV contatto per 8,4 secondi per un totale di 206 mJ / cm 2.
  6. Il photoresist è sviluppato in Microposit MF 351: acqua (1:3) per 30 secondi con una buona agitazione seguita da un risciacquo acqua deionizzata.
  7. Dopo l'ispezione al microscopio per assicurare un buon sviluppo, i substrati vengono poi incise in Au Mordenzante e Chrome mordenzante per 15 secondi e 30 secondi rispettivamente con DI lava in mezzo e dopo.

Parte 1B: Protocollo alternative - Lift-off Metodo

  1. 2-pollici da 4 pollici vetrini sono posti in una riscaldata (80 ° C) Piranha soluzione (5:7 H2O 2: H 2 SO 4) per 30 minuti per rimuovere i contaminanti (soprattutto organici) e poi risciacquati in acqua deionizzata e asciugati con aria compressa.
  2. Futurrex NR-7 1500 PY photoresist negativo è stato spincoated sul substrato (2000 rpm, 1000 rpm / s rampa, 40 tempo di rotazione secondo).
  3. Substrati erano morbidi al forno per 1 minuto a 150 ° C.
  4. Contatta esposizione ai raggi UV per 21 secondi (400 mJ / cm 2).
  5. I supporti sono stati poi posto su un piatto caldo a 100 ° C per 1 minuto per completare il passaggio termoindurimento.
  6. Sviluppo è stata effettuata per 6 secondi in sviluppatore Futurrex RD6.
  7. Cr 30 nm e 200 nm di Au vengono depositati su substrati con un evaporatore a fascio di elettroni.
  8. Decollo viene eseguito ponendo i substrati in un bagno di acetone fino ad ultrasuoni l'oro era visibilmente rimosso e confermata con osservazione al microscopio.

Setup sperimentale

Parte 2: iniezione di microsfere e osservazione

  1. PDMS canali (fabbricazione descritto altrove) sono attaccati al substrato di vetro con adesione diretta in modo che il canale passa sopra gli elettrodi fabbricato.
  2. Circa 10 7 ml polistirolo microsfere sono sospese in acqua deionizzata o (0,0002 S / m) o una soluzione di KCl (0,05 S / m). Essi vengono poi iniettate posizionando il tubo di aspirazione nella soluzione di microsfere e applicando aspirazione alla presa con una siringa.
  3. Il dispositivo caricato viene posto sul palco microscopio e collegata ad un generatore di segnale.
  4. Una durata di impostazioni di frequenza (1 kHz a 1 MHz) e le impostazioni di tensione (1 o 2 V) vengono applicate, mentre le osservazioni sono fatte con il microscopio.

Nota: è importante non alzare il voltaggio troppo alto o consentire la frequenza troppo bassa o elettrolisi dell'acqua si verificherà. Le impostazioni di voltaggio o la frequenza esatta per questo si verifichi dipendono dalla progettazione degli elettrodi. Le nostre linee guida di laboratorio devono evitare frequenze inferiori a 500 Hz o tensioni maggiori di 8 V.

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Discussion

In questo video, abbiamo dimostrato una grande varietà di comportamenti di manipolazione di particelle e fluidi causata da fenomeni AC elettrocinetici. Gli elettrodi che generano questi fenomeni sono facili da fabbricare e può essere facilmente integrato in molti altri sistemi. Come abbiamo dimostrato, ci sono numerose applicazioni per l'utilizzo di elettrocinesi AC. La versatilità di questi dispositivi, così come la natura rapida della manipolazione, le rende particolarmente attraente. Le industrie sanitarie e gli altri cominciano ad abbracciare lab-on-a-chip sistemi, avremo probabilmente vedere l'inserimento di elettrocinesi AC su quei dispositivi, come 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).
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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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