Phénomènes AC électrocinétique générées par des structures microélectrodes

Published 7/28/2008
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Biology

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Summary

Manipulation des liquides et des particules en suspension dans les technologies de micro-et nano-échelle est de plus en plus d'une réalité que l'activation, comme l'électrocinétique AC, continuent à se développer. Ici, nous discutons de la physique derrière l'électrocinétique AC, comment fabriquer ces dispositifs et la façon d'interpréter les observations expérimentales.

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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

Le domaine de l'électrocinétique CA est en croissance rapide en raison de sa capacité d'exécuter la dynamique des fluides et la manipulation de particules sur la micro-et nano-échelle, ce qui est essentiel pour Lab-on-a-Chip applications. AC phénomènes électrocinétiques utiliser des champs électriques de générer des forces qui agissent sur ​​les fluides ou particules en suspension (y compris ceux faits de matériau diélectrique ou biologiques) et provoquer leur déplacement dans les façons étonnantes 1, 2. Au sein d'un canal unique, l'électrocinétique AC peut accomplir de nombreuses essentielles sur puce des opérations telles que le positionnement des particules actives de micro-mélange, des particules de séparation, et les micro-crépitant. Un dispositif unique peut accomplir plusieurs de ces opérations en ajustant simplement les paramètres de fonctionnement tels que la fréquence ou l'amplitude de la tension appliquée. Convient champs électriques peuvent facilement être créés par des micro-électrodes intégrées dans des microcanaux. Il ressort clairement de l'énorme croissance dans ce domaine que l'électrocinétique AC aura probablement un effet profond sur la santé des diagnostics 3-5, surveillance de l'environnement et la sécurité intérieure 6 7.

En général, il ya trois phénomènes AC électrocinétique (AC t'étectroosmose, diélectrophorèse et AC effet électrothermique), chacune avec dépendances unique sur les paramètres de fonctionnement. Un changement dans ces paramètres de fonctionnement peuvent provoquer un phénomène de devenir dominante sur une autre, changeant ainsi la particule ou le comportement des fluides.

Il est difficile de prédire le comportement des particules et des fluides due à la physique compliquée qui sous-tendent l'électrocinétique AC. C'est le but de cette publication pour expliquer la physique des particules et d'élucider le comportement des fluides. Notre analyse porte également sur la manière de fabriquer les structures d'électrodes qui les génèrent, et comment interpréter un grand nombre d'observations expérimentales en utilisant plusieurs modèles populaires périphériques. Cet article vidéo aidera les scientifiques et les ingénieurs à comprendre ces phénomènes et peut les inciter à commencer à utiliser Électrocinétique AC dans leurs recherches.

Protocol

Fabrication Cr / Au électrodes sur des substrats de verre

Partie 1A: Wet procédé de gravure

* Pour les appareils de haute qualité, le processus de fabrication doit être réalisée dans un environnement de salle blanche ou sous des hottes à flux laminaire afin que la poussière et autres contaminants n'affectera pas le motif.

  1. 2-pouce par des lames de verre de 4 pouces sont placés dans une chauffée (80 ° C) solution de Piranha (05:07 H 2 O 2: H 2 SO 4) pendant 30 minutes pour éliminer les contaminants (surtout organique) et ensuite rincés dans DI l'eau et séché à l'air comprimé.
  2. 20 nm et 200 nm Cr Au sont déposés sur les substrats avec un évaporateur par faisceau d'électrons.
  3. Shipley 1827 photorésist positif est déposé sur les lames de verre avec un spincoater (3000 rpm, 1000 rpm / s rampe, 30 secondes temps de rotation).
  4. Les substrats sont ensuite cuits au four doux pendant 2 minutes à 100 ° C.
  5. Le modèle du masque est transféré à la résine à l'exposition aux UV contacter pour 8,4 secondes pour un total de 206 mJ / cm 2.
  6. La résine photosensible est développé en Microposit MF 351: L'eau (1:3) pendant 30 secondes avec une bonne agitation suivie d'un rinçage eau déminéralisée.
  7. Après l'inspection au microscope afin d'assurer un bon développement, les substrats sont ensuite gravées à Au Etchant et Chrome gravure pendant 15 secondes et 30 secondes respectivement avec DI lavages en entre et après.

Partie 1B: protocole alternatif - Décollage Méthode

  1. 2-pouce par des lames de verre de 4 pouces sont placés dans une chauffée (80 ° C) solution de Piranha (05:07 H2O 2: H 2 SO 4) pendant 30 minutes pour éliminer les contaminants (surtout organique) et ensuite rincés dans de l'eau DI et séchées à l'air comprimé.
  2. Futurrex NR-7 1500 photorésine PY négative a été spincoated sur le substrat (2000 rpm, 1000 rpm / s rampe, 40 secondes temps de rotation).
  3. Substrats ont été cuits au four doux pendant 1 minute à 150 ° C.
  4. Contactez exposition aux UV pendant 21 secondes (400 mJ / cm 2).
  5. Les substrats ont ensuite été placés sur une plaque chauffante réglée à 100 ° C pendant 1 minute pour terminer l'étape postbake.
  6. Développement a été réalisée pendant 6 secondes en Futurrex RD6 développeur.
  7. 30 nm et 200 nm Cr Au sont ensuite déposés sur les substrats avec un évaporateur par faisceau d'électrons.
  8. Le décollage est effectué en plaçant les substrats dans un bain d'acétone à ultrasons jusqu'à l'or était visiblement enlevé et confirmé par l'observation au microscope.

Installation expérimentale

Partie 2: injection de microsphères et d'observation

  1. PDMS canaux (fabrication décrit ailleurs) sont attachés au substrat de verre avec une adhérence directe de sorte que le canal passe au-dessus des électrodes fabriquées.
  2. Environ 10 7 ml microsphères de polystyrène sont en suspension dans l'eau déminéralisée soit (0,0002 S / m) ou une solution de KCl (0,05 S / m). Ils sont ensuite injectés en plaçant le tube d'entrée dans la solution de microsphères et d'appliquer le vide à la sortie avec une seringue.
  3. Le dispositif de chargement est alors placé sur la platine du microscope et reliée à un générateur de signal.
  4. Un cours du temps des réglages de fréquence (1 kHz à 1 MHz) et les réglages de tension (1 ou 2 V) sont appliquées alors que les observations sont faites avec le microscope.

Remarque: Il est important de ne pas augmenter la tension trop élevée ou de permettre la fréquence pour obtenir trop faible ou électrolyse de l'eau va se produire. Les paramètres exacts de tension ou de fréquence pour que cela se produise sont dépendantes de la conception de l'électrode. Nos lignes directrices du laboratoire sont à éviter les fréquences inférieures à 500 Hz ou des tensions supérieures à 8 V.

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Discussion

Dans cette vidéo, nous avons montré une grande variété de comportements de manipulation de particules et du fluide causée par des phénomènes AC électrocinétique. Les électrodes qui génèrent ces phénomènes sont faciles à fabriquer et peut être facilement intégré dans de nombreux autres systèmes. Comme nous l'avons montré, il ya de nombreuses applications pour l'utilisation de l'électrocinétique AC. La polyvalence de ces appareils, ainsi que la nature rapide de la manipulation, les rend particulièrement attractifs. Comme les industries de santé et d'autres commencent à adopter de laboratoire-sur-une-puce systèmes, nous verrons probablement l'incorporation de l'électrocinétique AC sur ces dispositifs comme une partie intégrante.

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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).
  5. Vespoorte, E. Microfluidic chips for clinical and forensic analysis. Electrophoresis. 23, 677-712 (2002).
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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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