حركي كهربي AC الظواهر المتولدة عن هياكل Microelectrode

في السنوات القليلة الماضية، تبنى مجتمع المختبر على رقاقة تقنية مثيرة تُعرف باسم الحركية الكهربائية للتيار المتردد (AC Electrokinetics). يمكن استخدام هذه المجموعة من الظواهر للتحكم في الجسيمات والسوائل على مقياس الميكرون والنانومتر من خلال موجات سريعة ومتعددة الاستخدامات، وهي تكتسب بسرعة أهمية أساسية للعديد من تطبيقات الرقاقات الحيوية. سنقوم في هذا الفيديو بمراجعة أساسيات الحركية الكهربائية للتيار المتردد بتفصيل كافٍ لمساعدة العلماء والمهندسين الآخرين الذين قد يستفيدون من استخدام هذه الظواهر في أبحاثهم.

مرحباً، اسمي روبرت هارت، وأنا طالب دكتوراه هنا في جامعة دريكسل بقسم علوم الهندسة الطبية الحيوية والنظم الصحية. سنبدأ هذا الفيديو بوصف موجز للفيزياء الكامنة وراء الحركية الكهربائية للتيار المتردد AC. بعد ذلك، سننتقل إلى تصنيع الجهاز، وأخيراً سنعرض بعض مقاطع الفيديو للحركية الكهربائية للتيار المتردد AC ونشرح ما يحدث.

القوة الأولى من بين القوى الثلاث التي سنقوم بوصفها تُعرف باسم dielectrophoresis. نرى هنا مجالاً كهربائياً يتولد بين قطبين مغمورين. وإذا وضعنا جسيماً عازلاً في هذا المجال الكهربائي، فإنه يصبح مستقطباً.

كما تلاحظ، فإن الشحنات الموجودة على الجسيم تتوازن مع الشحنات الموجودة داخل السائل. ويمكن تحديد ما إذا كان الجسيم أكثر أو أقل قابلية للاستقطاب من السائل من خلال عامل MoSo الأكثر تمييزاً في مجال كهربائي منتظم. وتتعرض الجسيمات لقوة nut معروفة.

ومع ذلك، في مجال كهربائي غير منتظم، مثل المجال الموضح هنا، تتحرك الجسيمات الأكثر قابلية للاستقطاب نحو المناطق ذات المجال الكهربائي العالي حيث تتعرض لعملية di electrophoresis موجبة؛ ويؤدي تغيير التردد لتبديل القابلية للاستقطاب إلى تأثير عكسي يعرف باسم di electrophoresis سالبة، حيث تتحرك الجسيمات بعيداً عن المناطق ذات شدة المجال الكهربائي العالية. القوة الثانية هي AC electro osmosis، وتعتمد AC electro osmosis في أساسها على تكوين الطبقة المزدوجة الكهربائية نتيجة للجهد الكهربائي. عند السطح، تنقسم هذه المنطقة إلى طبقة stern، التي تتكون من أيونات غير متحركة مرتبطة بإحكام بالسطح، والطبقة المنتشرة (diffuse layer)، التي تحتوي على أيونات تظل حرة في الحركة جانبياً رغم كونها مرتبطة.

إذا فحصنا أحد الأيونات القريبة من حافة القطب الكهربائي، سنلاحظ أنه يتعرض لقوة تبريد ناتجة عن المجال الكهربائي. وتتوازن المركبة Y لهذه القوة بوجود شحنات على السطح. وبناءً على ذلك، يتعرض الأيون لصافٍ من القوى الجانبية الموجهة نحو مركز القطب الكهربائي، حيث تتحرك الأيونات على جانبي القطب الكهربائي وبكثافة كافية لسحب السائل معها نحو المركز.

يؤدي التقاء هذين التدفقين إلى تحرك السائل في المركز نحو الأعلى، مما يؤدي إلى ظهور نمط دوراني للسائل. ولا يؤثر تغيير الجهد على اتجاه نمط السائل لأن الأيونات المقابلة قد تغيرت أيضاً. أما الظاهرة الثالثة والأخيرة فهي التأثير الحراري المائي للتيار المتردد (AC hydrothermal effect).

عندما يمر مجال كهربائي عبر سائل، يتسبب التسخين بـ JUUL في نشوء تدرجات حرارية. وكما يظهر في المحاكاة، تتغير الخواص الكهربائية للماء. ونتيجة لذلك، تتفاعل هذه الاضطرابات في الخواص الكهربائية مع المجال الكهربائي لتسبب قوة جسمية.

إن الحركة الناتجة، على غرار التناضح الكهربائي بالتيار المتردد (AC electro osmosis)، هي حركة دورانية بطبيعتها على الرغم من اختلاف أصولها. لقد ذكرنا التأثير الحراري المائي بالتيار المتردد (AC hydrothermal effect) بإيجاز من باب الاكتمال، إلا أن تأثيرات هذا التأثير تكون طفيفة. وبناءً على المبادئ الرياضية الكامنة وراء كل قوة من القوى الثلاث، تم إنشاء محاكاة عددية بالعناصر المحدودة تحت ظروف تشغيل تجاربنا، والتي توضح القوة الإجمالية المركبة المؤثرة على جسيم بوليسترين بحجم 2 µm. وفي كل موضع داخل القناة، تأخذ محاكاة العناصر المحدودة التي أجريناها مقطعاً عرضياً ثنائي الأبعاد للأقطاب الكهربائية وتتمركز حول قطب واحد فقط.

تُظهر المحاكاة الأولى أوساطاً ذات موصلية منخفضة وتتدرج من 100 hertz إلى one megahertz عند الترددات المنخفضة. ويسود هنا التناضح الكهربائي AC electro osmosis كما يتضح من نمط القوة الدورانية. ومع التقدم في الترددات، تطغى عملية الـ positive di electrophoresis كما يتضح من قوى الجذب المؤدية إلى كل ركن من أركان القطب الكهربائي.

عندما يزداد التردد متجاوزاً عتبة معينة، فإن تأثير DEP الموجب يمنح وزناً لـ DEP السالب، مما يؤدي إلى تنافر الجسيمات حتى تصل إلى ارتفاع معين حيث تتوازن مع قوة الجاذبية. والآن، سنقوم بتشغيل نفس الترددات عند موصلية عالية. وفي حالة الموصلية العالية، تكون قوة التناضح الكهربائي AC بشكل عام أقل قوة مما هي عليه عند الموصلية المنخفضة، وتحدث السرعة القصوى عند تردد أعلى.

كذلك، لاحظ عدم وجود استقطاب كهربائي عازل (DEP) موجب لأن الموصلية عالية جداً. حيث يفسح التناضح الكهربائي بالتيار المتردد (AC electro osmosis) المجال مباشرة للاستقطاب الكهربائي العازل (DEP) السالب مع زيادة الموصلية والجهد الكهربائي. وسوف يظهر التأثير الكهربائي الجلدي بشكل أكثر وضوحاً.

في هذا القسم، سنتحدث عن تصنيع الجهاز وتجميعه. تتكون الأجهزة نفسها من أقطاب كهربائية ذهبية تم تشكيلها على ركيزة، وهي في هذه الحالة الزجاج.

سنعرض طريقة النقش الرطب لتحقيق ذلك، ولكن إجراء الرفع (liftoff) المعروف يُستخدم بشكل روتيني أيضاً وسيتم عرضه لاحقاً. التصاميم الأربعة التي نستخدمها هي: المتداخلة المتوازية، والمسننة المتوازية، وبئر الجهد، والرباعية. وفيما يلي وصف موجز للعملية.

أولاً، يتم ترسيب طبقة من الكروم والذهب على الركيزة الزجاجية. بعد ذلك، تُطلى الركيزة بمادة مقاومة للضوء (photoresist)، ويُنقل نمط القطب الكهربائي من القناع إلى الركيزة عن طريق التعريض للأشعة فوق البنفسجية بالتلامس (UV contact exposure).

بعد عملية التظهير، يتم نقش الكروم والذهب وإزالة المقاوم الضوئي. ولضمان الالتصاق الجيد، يجب أن تكون الشرائح الزجاجية نظيفة للغاية، ويتم ذلك عادةً باستخدام محلول البيرانا المسخن، والذي يتكون من حمض الكبريتيك وبيروكسيد الهيدروجين.

يجب توخي الحذر الشديد عند التعامل مع هذا المزيج الخطير. بعد عملية التنظيف، يتم تجفيف الركائز لتصبح جاهزة لترسيب المعدن. تُنفذ هذه الخطوة في جهاز تبخير بالحزمة الإلكترونية.

يتم وضع الشرائح الزجاجية على حامل العينات مع وضع غطاء على الشريط اللاصق، وهو مصمم خصيصاً لتحمل ظروف الترسيب. بعد ذلك، يتم تحميل العينات في الجهاز وتفريغ الهواء منها. تتكون العملية من ترسيب قصير للكروم لمدة دقيقتين، يليه ترسيب للذهب لمدة 30 دقيقة، مما ينتج عنه سمك يبلغ حوالي 20 و 200 nanometers على التوالي.

عند إزالة العينات، يظهر سطح الذهب بوضوح. تبدأ عملية الطباعة الحجرية الضوئية بتغطية السطح بطبقة من المقاوم الضوئي باستخدام جهاز الطلاء الدوراني. يتم وضع المقاوم الضوئي بواسطة الماصة على الركيزة المستقرة على قطعة تثبيت داخل الجهاز.

يتم إنشاء طبقة متجانسة من مقاوم الضوء عن طريق تدوير الزجاج بسرعة محددة، مما يؤدي إلى إزالة معظم المقاوم الزائد. وتتبع هذه العملية عملية تجفيف أولي (soft bake) لمدة دقيقتين عند 100 °C، مما يعمل على تصلب مقاوم الضوء وتهيئته للتعريض للأشعة فوق البنفسجية. بعد ذلك، يتم وضع القناع الضوئي ملامسًا للركيزة وتعريضه للأشعة فوق البنفسجية لمدة ثماني ثوانٍ تقريبًا.

ينقل هذا الإجراء النمط إلى مادة مقاومة الضوء (photo resist). وتعمل خطوة التحميض على إزالة جميع المناطق من مادة مقاوم الضوء التي تعرضت للضوء. وبهذه العملية تكتمل مرحلة الطباعة الحجرية الضوئية (photolithography)، ونصبح مستعدين لعملية حفر الذهب والكروم.

تصبح المناطق الموجودة على الركيزة والتي تم كشفها أثناء عملية التحميض جاهزة الآن لعملية النقش. تقوم المادة المقاومة للضوء بحماية بقية السطح بشكل فعال، ولكن كما هو الحال في جميع الخطوات، يجب التحكم في وقت النقش بدقة. نرى هنا وضع الركائز في محلول نقش الذهب القائم على اليود في الظلام.

بعد الشطف بالماء، تتم إزالة الكروم باستخدام عملية نقش الكروم. لاحظ التحول الذي يحدث حيث يصبح الزجاج شفافاً مرة أخرى. وبمجرد إزالة الكروم، تظهر النتائج من خلال مقارنة الركائز المنقوشة بالركائز غير المنقوشة.

يظهر فحص سريع تحت المجهر نجاح العملية. نرى هنا جهازاً تم تصنيعه بنجاح مع إجراء التوصيلات الكهربائية. وإلى جانبه توجد قناة PD DS مع توصيلات أنابيب.

عند وضع قناة PDMS على الجهاز، يتكون ختم فعال للغاية مع الزجاج، مما يسمح للسائل بالتدفق عبر القناة. يتم تنفيذ هذه العملية بعناية باستخدام ملقط. ونظراً لأن بصمات الأصابع والغبار قد يمنعان الالتصاق الجيد، يمكن استخدام الجانبين المتقابلين من الملقط لضمان التثبيت الجيد. التعبئة.

يتم تجهيز القناة عن طريق توصيل محقنة بأحد الجوانب، ووضع الجانب الآخر في معلق من الكرات المجهرية من البوليسترين مع تطبيق شفط خفيف. وبمجرد وضعها تحت المجهر وضبط التركيز، يتم إجراء التوصيلات الكهربائية بمولد الدوال. ومع تحميل العينات وإتمام التوصيلات، تصبح الأجهزة الآن جاهزة لإجراء التجربة.

تتكون جميع مقاطع الفيديو التجريبية التي سنعرضها من حقن معلق مائي من كرات البوليسترين الميكروية بحجم 2 micron في القناة وتطبيق إشارة على الأقطاب الكهربائية. في البداية، تتوزع الجسيمات عشوائياً وتظهر حركة براونية. وعند تطبيق إشارة القتل الواحدة، تصطف الجسيمات بسرعة في مركز القطب الكهربائي.

ضع في اعتبارك أنه بما أننا نستخدم مجالاً تياراً متردداً (AC field)، فإننا لا نشهد قوة KIC. ويعود هذا السلوك المثير للاهتمام إلى أنماط السوائل المتولدة بالإضافة إلى قوى التجاذب الناتجة عن الديافوريسيس (dielectrophoresis). ومع زيادة التردد، تبدأ الجسيمات في الانتشار على طول عرض القطب الكهربائي.

مع انخفاض سرعة التناضح الكهربائي بالتيار المتردد وبدء هيمنة الرحلان الكهربائي العازل عند 56 kilohertz، تهاجر الجسيمات نحو حافة القطب الكهربائي. ومع تلاشي قوى التناضح الكهربائي بالتيار المتردد وسيادة الرحلان الكهربائي العازل الموجب، وكما هو موضح في هذا المخطط، يستمر هذا السلوك عند 100 kilohertz وتصبح الجسيمات الآن مثبتة بإحكام عند حافة القطب الكهربائي.

عند زيادة التردد بشكل أكبر إلى 250 kilohertz، تبدأ الجسيمات في الاصطفاف عبر الفجوة، وهو ما يعرف بسلوك "سلسلة اللؤلؤ" (pearl chain behavior) الناتج عن التفاعلات بين الجسيمات؛ وعند 500 kilohertz، تُطرد الجسيمات من حافة القطب الكهربائي مع سيادة ظاهرة DEP السلبية. يمكن تفسير ذلك من خلال عامل Clausius-Mossotti، الذي يتغير من قيمة موجبة إلى سالبة مع زيادة التردد، مما يؤدي إلى انتقال من di electrophoresis الموجبة إلى di electrophoresis السالبة؛ وعند تردد واحد megahertz، تصل DEP السلبية إلى أقصى قيمة لها تقريبًا وتصبح الجسيمات طافية فوق القطب الكهربائي.

تؤدي الزيادة في الموصلية إلى تغيير ملموس في عامل CM. وكما يتضح، لم يعد هناك تأثير DEP موجب، مما يغير سلوك الجسيمات بشكل جذري. ضع ذلك في الاعتبار بينما نمسح نفس نطاق التردد؛ فعندما نطبق إشارة بتردد 1 kHz، تدور الجسيمات خارج المستوى على طول حافة القطب الكهربائي.

يُظهر المنظر العلوي الذي يوفره المجهر حركة الجسيمات الجانبية فقط كما هو موضح في هذا الرسوم المتحركة. هذا المنظر الذي يظهر الجسيمات وهي تتحرك ذهاباً وإياباً، يخفي الحركة الحقيقية للجسيمات عند رؤيتها من الجانب. ويمكن رؤية الطبيعة الحقيقية لحركتها بشكل أوضح.

في الواقع، فإنها تدور في مدارات، ويُعتقد أن سبب دورانها وعدم حصارها في مركز كل قطب كهربائي هو انعكاس مكون DEP. ومع استمرار زيادة التردد، تبدأ الجسيمات في التكتل في مجموعات مع الحفاظ على نفس الحركة المدارية. ويعود هذا التكتل إلى التفاعل بين الجسيمات والجسيمات الأخرى.

يُعتقد أن أصول هذا التفاعل تعود إلى التشوهات الطفيفة في المجال الكهربائي التي تسببها الجسيمات نفسها. وتؤدي هذه التشوهات حول الجسيمات إلى نشوء قوى DEP، والتي تجذب الجسيمات المجاورة. ومع الاستمرار في زيادة التردد، يحدث تغيير جذري عند حوالي 250 kilohertz.

تتوقف الجسيمات إلى حد كبير عن الحركة المدارية وتشكّل سلاسل، وهو مظهر آخر للتفاعل بين الجسيمات والجسيمات. وفي نهاية المطاف، عندما يزداد التردد بشكل أكبر، وتحديداً عند 1 megahertz، يؤدي التنافر الناتج عن DEP السالب إلى دفع الجسيمات للأعلى وإخراجها من المستوى البؤري للمجهر.

بعد ذلك، سنعرض نوعاً من الأقطاب الكهربائية المصبوبة التي تعمل عند موصلية منخفضة. يشبه تصميم هذا القطب النوع الأخير من حيث كونه متداخل الأصابع، ولكن تم استبدال الأصابع المستقيمة بشكل أكثر تعقيداً. وعند تردد واحد كيلو هرتز، تتم عملية تجميع الجسيمات في مركز التقاطعات وتُشكل بسرعة شكلاً ماسياً.

مع زيادة التردد، نلاحظ نفس التشتت في الجسيمات المجمعة. ومع بدء خمود التناضح الكهربائي للتيار المتردد (AC electro osmosis) وهيمنة ظاهرة الرحلان الكهربائي العازل (DEP)، يؤدي التردد 56 kilohertz، كما حدث سابقاً، إلى هجرة الجسيمات ببطء نحو حافة القطب الكهربائي. ومن المثير للاهتمام أن جميع الجسيمات تقريباً تتحرك نحو جانب واحد، وهو ما قد يعزى إلى وجود بعض الضغط الهيدروستاتيكي.

إنها تتحرك بسرعة أكبر بكثير. عند 100 kilohertz، يختفي الـ CEO بشكل شبه كامل. وعند 250 kilohertz، تبدأ الجسيمات في تكوين سلاسل pro.

تؤدي قوة DEP السالبة الناتجة عن الانتقال إلى 500 kilohertz إلى دفع الجسيمات بعيداً عن حافة القطب الكهربائي. وعند زيادة التردد بشكل أكبر ليصل إلى one megahertz، تتحرك الجسيمات للأعلى خارج المستوى البؤري نتيجة زيادة تنافرها بسبب di electrophoresis السالبة. بعد ذلك، سنعرض نوعاً من الأقطاب الكهربائية المسننة التي تعمل في ظروف توصيلية عالية.

يحدث نمط الدوران الناتج عن هذا النوع من الأقطاب بشكل أكثر وضوحاً عند زوايا القطب الداخلية، وهنا تهاجر الجسيمات في نهاية المطاف. إن سلوك التقطيع على شكل معين الذي لاحظناه سابقاً غير موجود هنا لعدم وجود تأثير dielectrophoresis موجب عند هذه الموصلية. ومع زيادة التردد، تنخفض سرعة السائل ببطء.

بما أن قوى التناضح الكهربائي للتيار المتردد تتلاشى عند 56 kilohertz، فإن الحركة تكون بطيئة جداً وفي بعض المواضع تبدأ الجسيمات في التكتل وتشكيل سلاسل لؤلؤية عند 100 kilohertz. وتظهر السلاسل اللؤلؤية بوضوح تام. ومع زيادة التردد ببطء، تندمج تكتلات الجسيمات وتشكل أشكالاً على هيئة حرف X عند كل زاوية من الزوايا.

وأخيرًا، عند تردد واحد ميجاهرتز، تتغلب قوة DEP السالبة على السلاسل المسبارية وتُطرد الجسيمات بعيدًا عن السطح. يتسبب التصميم الرباعي الموضح هنا في تكوين منطقة ذات شدة مجال كهربائي منخفضة في مركز نمط القطب الكهربائي، وقد صُمم لاستخدام قوة dielectrophoresis السالبة لتركيز الجسيمات. وعندما نطبق 10 فولت على الأقطاب الكهربائية، نلاحظ تركيزًا ملحوظًا للجسيمات.

سنقوم بتسريع الوقت قليلاً حتى نتمكن من رؤية شكل الجسيمات في حالة الاتزان. وإذا قمنا بخفض الجهد إلى 1 volt، سنلاحظ أن المنطقة المركزة بدأت في التوسع. ومع تراجع تأثير dielectrophoresis أمام الحركة البراونية، فإن زيادة الجهد مرة أخرى تؤدي إلى عودة الجسيمات نحو المركز.

على غرار نمط الرباعي، يخلق بئر الجهد مناطق ذات مجال كهربائي منخفض من أجل احتجاز الجسيمات. وتكون الأقطاب الكهربائية متداخلة، لذا يمكن ملاحظة التأثيرات الأخرى التي رأيناها مسبقاً هنا أيضاً. وعند تطبيق الإشارات، نلاحظ احتجازاً سريعاً للجسيمات نتيجة لـ CEO و DEP.

ومع ذلك، فإن التأثير الأكثر إثارة للاهتمام هو ما يحدث في المربعات المفرغة؛ حيث يتم تجميع الجسيمات هنا نتيجة لعملية الترحيل الكهربائي السالب (negative dielectrophoresis) بعد مرور بعض الوقت. كما نلاحظ أيضاً بعض التجميع على جانبي بئر الجهد على شكل مثلثات.

لقد عرضنا للتو بعض الجوانب الفيزيائية المثيرة والعديدة الكامنة وراء الكهروديناميكا المترددة (AC electrokinetics)، وكيفية تصنيع هذه الأجهزة وكيفية تفسير النتائج التجريبية بناءً على المحاكاة العددية والفيزياء الأساسية. إن هذه الظواهر، التي تتعامل مع حركة الجسيمات، يصعب فهمها تماماً دون الاستعانة بوسائل إيضاح بصرية. ويمكن استخدام ظواهر الكهروديناميكا المترددة في العديد من المجالات البحثية.

على سبيل المثال، تجميع الجسيمات لتطبيقات المستشعرات الحيوية، وفصل الجسيمات ذات الخصائص المختلفة مثل الحجم والشكل لمعالجة العينات، والخلط النشط لتحسين المقايسة. نأمل أن يساعد هذا الفيديو العلماء والمهندسين في استخدام وتصنيع الأجهزة الكينتيكية الكهربائية المترددة (AC)، والتي تعد واحدة من أهم المجالات النامية في مجتمع المختبر على رقاقة. حسناً، هذا كل شيء.

شكراً للمشاهدة ونتمنى لكم التوفيق في تجاربكم.