AC elektrokinetischen Phänomenen von Mikroelektroden-Strukturen erzeugt

In den letzten Jahren hat die „Lab-on-a-Chip“-Community eine aufregende Technologie namens AC-Elektrokinetik übernommen. Diese Gruppe von Phänomenen kann genutzt werden, um Partikel und Flüssigkeiten im Mikrometer- bis Nanometerbereich schnell und vielseitig zu manipulieren und wird zunehmend unverzichtbar für zahlreiche Bio-Chip-Anwendungen. In diesem Video werden wir die Grundlagen der Wechselstrom-Elektrokinetik ausführlich behandeln, um anderen Wissenschaftlern und Ingenieuren, die von der Nutzung dieser Phänomene in ihrer Forschung profitieren könnten, eine Hilfestellung zu geben.

Hallo, mein Name ist Robert Hart und ich bin Doktorand hier bei Drexel in der Abteilung für Biomedizinische Technik, Wissenschaft und Gesundheitssysteme. Wir beginnen dieses Video mit einer kurzen Beschreibung der Physik hinter der Wechselstrom-Elektrokinetik. Danach werden wir zur Geräteherstellung übergehen und schließlich einige Videos zur Wechselstrom-Elektrokinetik zeigen und erklären, was dabei geschieht.

Die erste der drei Kräfte, die wir beschreiben werden, ist als dielektrische Elektrophorese bekannt. Hier sehen wir ein elektrisches Feld, das zwischen zwei untergetauchten Elektroden erzeugt wird. Wenn wir ein dielektrisches Teilchen in dieses elektrische Feld bringen, wird es polarisiert.

Wie Sie sehen können, werden die Ladungen auf dem Teilchen durch die Ladungen in der Flüssigkeit ausgeglichen. Ob das Teilchen stärker oder schwächer polarisierbar ist als die Flüssigkeit, lässt sich anhand des klassischen MoSo-Faktors in einem homogenen elektrischen Feld bestimmen. Die Teilchen erfahren eine bekannte Nusskraft.

Jedoch bewegen sich in einem inhomogenen elektrischen Feld, wie dem hier gezeigten, Teilchen mit höherer Polarität in Bereiche mit hohem elektrischen Feld, da sie einer positiven dielektrophoretischen Kraft unterliegen. Durch Ändern der Frequenz und damit der Polarität tritt der umgekehrte Effekt auf, bekannt als negative dielektrophoretische Bewegung, wobei sich die Teilchen von Bereichen hoher elektrischer Feldstärke entfernen. Die zweite Kraft ist die Wechselstrom-Elektroosmose, die auf der Bildung der elektrischen Doppelschicht infolge des elektrischen Potentials beruht. An der Oberfläche gliedert sich dieser Bereich in die starre Schicht (Stern-Schicht), die aus fest an der Oberfläche gebundenen, unbeweglichen Ionen besteht, und die diffuse Schicht, die Ionen enthält, die zwar gebunden sind, sich aber seitlich noch frei bewegen können.

Wenn wir eines der Ionen in der Nähe des Randes der Elektrode untersuchen, stellen wir fest, dass es eine Kühlkraft durch das elektrische Feld erfährt. Die Y-Komponente der Kraft wird durch die Existenz von Ladungen an der Oberfläche ausgeglichen. Daher erfährt das Ion eine resultierende seitliche Kraft, die zum Zentrum der Elektrode hin gerichtet ist. Ionen auf beiden Seiten der Elektrode bewegen sich und sammeln sich in ausreichender Anzahl im Zentrum der Elektrode, sodass sie die Flüssigkeit mitziehen.

Die Konvergenz dieser beiden Strömungen bewirkt, dass sich die Flüssigkeit in der Mitte nach oben bewegt, und es entsteht ein rotatorisches Strömungsmuster. Das Wechseln des Potentials beeinflusst die Richtung des Strömungsmusters nicht, da sich auch die Gegentionen vertauscht haben. Das dritte und letzte Phänomen ist der Wechselstrom-Hydrothermaleffekt.

Wenn ein elektrisches Feld durch eine Flüssigkeit geleitet wird, verursacht die JUUL-Heizung Temperaturgradienten. Wie in der Simulation gezeigt, ändern sich die elektrischen Eigenschaften des Wassers. Dadurch wechselwirken diese Störungen der elektrischen Eigenschaften mit dem elektrischen Feld und erzeugen eine Volumenkraft.

Die resultierende Bewegung ist, ähnlich wie die Wechselstrom-Elektroosmose, aufgrund ihrer Entstehung von rotatorischer Natur, obwohl die zugrundeliegenden Mechanismen unterschiedlich sind. Der Wechselstrom-Hydrothermaleffekt wurde der Vollständigkeit halber kurz erwähnt, doch die Auswirkungen des hydrothermalen Effekts sind geringfügig. Unter den Betriebsbedingungen unserer Experimente wurde ausgehend von den mathematischen Grundlagen hinter jeder der drei Kräfte eine numerische Finite-Elemente-Simulation erstellt, die die gesamte resultierende Kraft zeigt, die auf ein zwei Mikrometer großes Polystyrolteilchen wirkt. Die von uns durchgeführte Finite-Elemente-Simulation berücksichtigt an jeder Position im Kanal einen zweidimensionalen Querschnitt der Elektroden und konzentriert sich dabei jeweils nur auf eine einzelne.

Die erste Simulation zeigt Medien mit geringer Leitfähigkeit und verläuft von 100 Hertz bis hin zu einem Megahertz bei niedrigen Frequenzen. Die elektroosmotische Strömung vom Typ C dominiert, wie an dem Rotationskraftmuster ersichtlich ist. Im weiteren Verlauf setzt sich die positive Dielektrophorese durch, was durch die anziehenden Kräfte an jeder Elektrodenecke veranschaulicht wird.

Wenn die Frequenz einen Schwellenwert überschreitet, gewinnt die negative DEP an Bedeutung gegenüber der positiven DEP, und die Teilchen werden auf eine bestimmte Höhe abgestoßen, an der sie durch die Schwerkraft ausgeglichen werden. Nun durchlaufen wir dieselben Frequenzen bei hoher Leitfähigkeit. Bei hoher Leitfähigkeit ist die AC-Elektros-Mo-Kraft im Allgemeinen schwächer als bei niedriger Leitfähigkeit, und die maximale Geschwindigkeit tritt bei einer höheren Frequenz auf.

Außerdem ist zu beachten, dass keine positive DEP auftritt, da die Leitfähigkeit zu hoch ist. Die Wechselstrom-Elektroosmose geht direkt in negative DEP über, wenn die Leitfähigkeit und die Spannung höher sind. Der elektrodermale Effekt wird deutlich sichtbarer sein.

In diesem Abschnitt werden wir über die Herstellung und Montage der Vorrichtungen sprechen. Die Vorrichtungen selbst bestehen aus Gold-Elektroden, die auf ein Substrat aufgebracht sind. In diesem Fall Glas.

Wir zeigen eine Nassätz-Methode zur Erreichung dieses Ziels, aber das bekannte Liftoff-Verfahren wird ebenfalls routinemäßig angewendet und wird später dargestellt. Die vier verwendeten Designs sind parallel verschränkt, parallel zinnenförmig, Potentialtopf und quadrupolartig. Eine kurze Beschreibung des Verfahrens lautet wie folgt.

Zunächst werden eine Schicht aus Chrom und eine Schicht aus Gold auf das Glas-Substrat aufgebracht. Anschließend wird das Substrat mit einem Fotolack beschichtet und das Elektrodenmuster von der Maske auf das Substrat übertragen. Mittels UV-Kontaktbelichtung.

Nach der Entwicklung werden Chrom und Gold weggeätzt und der Fotolack entfernt. Für eine gute Haftung müssen die Objektträger sehr sauber sein. Dies wird üblicherweise mit erhitzter Piranha-Lösung durchgeführt, die aus Schwefelsäure und Wasserstoffperoxid besteht.

Bei der Arbeit mit dieser gefährlichen Kombination ist äußerste Vorsicht geboten. Nach der Reinigung werden die Substrate getrocknet und sind bereit für die Metallabscheidung. Dieser Schritt wird in einem Elektronenstrahl-Verdampfer durchgeführt.

Die Objektträger werden mit der Deckglasfolie auf dem Probenträger befestigt, die speziell dafür geeignet ist, den Abscheidungsbedingungen standzuhalten. Anschließend werden die Proben in das Gerät eingebracht und evakuiert. Der Prozess besteht aus einer kurzen zweiminütigen Abscheidung von Chrom und einer 30-minütigen Abscheidung von Gold, was zu Schichtdicken von etwa 20 bzw. 200 Nanometern führt.

Wenn die Proben entfernt werden, ist die Goldoberfläche deutlich sichtbar. Die Fotolithographie beginnt mit einer Beschichtung aus Fotolack, die mithilfe einer Schleuderbeschichtungsanlage aufgebracht wird. Der Fotolack wird per Pipette auf das Substrat aufgetragen, das sich innerhalb der Anlage auf einer Spannvorrichtung befindet.

Eine gleichmäßige Schicht aus Fotolack wird erzeugt, indem das Glas mit einer bestimmten Drehzahl rotiert, wodurch der größte Teil des überschüssigen Fotolacks entfernt wird. Anschließend folgt eine Vorhärtung für zwei Minuten bei 100 Grad C. Dadurch wird der Fotolack gehärtet und für die UV-Belichtung vorbereitet. Danach wird die Fotomaske in Kontakt mit dem Substrat gebracht und für etwa acht Sekunden UV-Licht ausgesetzt.

Dadurch wird das Muster auf den Fotolack übertragen. Im Entwicklungsschritt werden alle Bereiche des Fotolacks entfernt, die dem Licht ausgesetzt waren. Mit diesem Schritt ist die Photolithographie abgeschlossen, und wir sind bereit für das Ätzen von Gold und Chrom.

Die Bereiche auf unserem Substrat, die im Entwicklungsprozess freigelegt wurden, können nun geätzt werden. Der Fotolack schützt effektiv den übrigen Oberflächenbereich, doch wie bei allen Schritten muss die Ätzdauer sorgfältig kontrolliert werden. Hier sehen wir, wie die Substrate in die dunkle, jodhaltige Goldätzung eingebracht werden.

Nach dem Spülen mit Wasser wird das Chrom mit der Chromätzung entfernt. Achten Sie auf die Veränderung, die stattfindet, da das Glas wieder durchsichtig geworden ist. Sobald das Chrom entfernt ist, zeigt ein Vergleich der geätzten mit den ungeätzten Substraten die Ergebnisse.

Bei einer schnellen Überprüfung unter dem Mikroskop zeigt sich der Erfolg des Verfahrens. Hier sehen wir ein erfolgreich hergestelltes Gerät mit hergestellten elektrischen Anschlüssen. Daneben befindet sich ein PDMS-Kanal mit Schlauchanschlüssen.

Wenn der PDMS-Kanal auf ein Gerät platziert wird, entsteht eine sehr effektive Dichtung mit Glas, und Flüssigkeit kann durch den Kanal fließen. Dies erfolgt vorsichtig mit einer Pinzette. Da Fingerabdrücke und Staub eine gute Haftung verhindern können, können die gegenüberliegenden Seiten der Pinzette verwendet werden, um eine gute Anbringung sicherzustellen. Befüllen.

Der Kanal wird hergestellt, indem eine Spritze an einer Seite befestigt wird, die andere Seite in eine Suspension aus Polystyrol-Mikrokugeln getaucht wird und sanfte Absaugung angewendet wird. Sobald er unter dem Mikroskop positioniert und fokussiert ist, werden die elektrischen Anschlüsse zum Funktionsgenerator hergestellt. Mit geladenen Proben und hergestellten Verbindungen sind die Geräte nun bereit für einen Versuch.

Alle experimentellen Videos, die wir zeigen werden, bestehen aus dem Injizieren einer wässrigen Suspension von zwei Mikrometer großen Polystyrol-Mikrokugeln in den Kanal und dem Anlegen eines Signals an die Elektroden. Anfangs sind die Partikel zufällig verteilt und zeigen brownsche Bewegung. Wenn das Signal angelegt wird, ordnen sich die Partikel schnell in der Mitte der Elektrode an.

Beachten Sie, dass wir aufgrund des verwendeten Wechselfelds keine KIC-Kraft beobachten. Dieses faszinierende Verhalten beruht auf den erzeugten Strömungsmustern sowie den anziehenden Kräften der dielektrophoretischen Wechselwirkung. Wenn die Frequenz erhöht wird, beginnen sich die Teilchen entlang der Breite der Elektrode auszubreiten.

Da die elektroosmotische Geschwindigkeit bei 56 Kilohertz abnimmt und die Dielektrophorese zu dominieren beginnt, wandern die Teilchen zur Elektrodenkante. Wenn die Kräfte der Wechselstrom-Elektroosmose abklingen und die positive Dielektrophorese vorherrscht, setzt sich dieses Verhalten bei 100 Kilohertz fort, und die Teilchen sind nun fest an der Elektrodenkante verankert.

Wenn die Frequenz weiter auf 250 Kilohertz erhöht wird, beginnen sich die Teilchen über die Spalte hinweg auszurichten, und es tritt das sogenannte Perlenkettenverhalten auf, das durch Teilchen-Teilchen-Wechselwirkungen verursacht wird. Bei 500 Kilohertz werden die Teilchen aufgrund vorherrschender negativer DEP vom Elektrodenrand abgestoßen. Dies lässt sich durch den K-Clausius-Mossotti-Faktor erklären, der mit zunehmender Frequenz von positiv auf negativ wechselt und bei einem Megahertz einen Übergang von positiver zur negativen Dielektrophorese bewirkt. Die negative DEP befindet sich nahe ihrem Maximalwert, und die Teilchen werden über der Elektrode levitiert.

Eine Zunahme der Leitfähigkeit bewirkt eine wesentliche Änderung des CM-Faktors. Wie Sie sehen, tritt kein positiver DEP mehr auf, was das Partikelverhalten drastisch verändert. Beachten Sie dies, während wir denselben Frequenzbereich durchlaufen, wenn wir ein Signal von einem Kilohertz anlegen, wodurch die Partikel entlang der Elektrodenkante aus der Ebene heraus kreisen.

Die aus der Vogelperspektive durch das Mikroskop gebotene Ansicht zeigt nur die seitliche Teilchenbewegung, wie in dieser Animation veranschaulicht. Diese Ansicht, die die Teilchen hin- und herbewegen zeigt, verbirgt die tatsächliche Bewegung der Teilchen, wenn sie von der Seite betrachtet wird. Die wahre Natur ihrer Bewegung lässt sich deutlicher erkennen.

Tatsächlich umkreisen sie das Zentrum; der Grund dafür, dass sie nicht im Zentrum jeder Elektrode festgehalten werden, wird darin gesehen, dass die DEP-Komponente umgekehrt ist. Wenn die Frequenz weiter ansteigt, beginnen die Teilchen, sich zu Klumpen zusammenzulagern, wobei sie die gleiche orbitale Bewegung beibehalten. Dieses Klumpenbildung beruht auf Wechselwirkungen zwischen den Teilchen.

Die Ursachen dieser Wechselwirkung werden auf die geringfügigen Verzerrungen des elektrischen Feldes zurückgeführt, die durch die Teilchen selbst verursacht werden. Die Verzerrungen um die Teilchen erzeugen DEP-Kräfte, die benachbarte Teilchen anziehen. Wenn wir die Frequenz weiter erhöhen, tritt bei etwa 250 Kilohertz eine dramatische Veränderung auf.

Die Teilchen stellen weitgehend ihre Orbitbewegung ein und bilden eine veränderte Erscheinungsform der Teilchen-Teilchen-Wechselwirkung. Schließlich, wenn die Frequenz noch weiter ansteigt, bewirkt bei einem Megahertz die durch negative DEP verursachte Abstoßung, dass die Teilchen nach oben getrieben und aus der Fokalebene des Mikroskops herausbewegt werden.

Danach zeigen wir eine gegossene elastische Elektrodenart, die bei geringer Leitfähigkeit arbeitet. Dieses Elektrodendesign ähnelt dem des letzten Typs darin, dass es interdigitalisiert ist, doch die geraden Finger wurden durch eine komplexere Form ersetzt. Bei einem Kilohertz findet die Partikelansammlung in der Mitte der Überschneidungen statt und bildet rasch eine rautenförmige Struktur.

Wenn die Frequenz ansteigt, beobachten wir dieselbe Ausbreitung der gesammelten Partikel. Während die Wechselstrom-Elektroosmose abnimmt und die dielektrische Kraft (DEP) übernimmt, bewirkt eine Frequenz von 56 Kilohertz, dass die Partikel langsam zum Elektrodenrand wandern. Interessanterweise bewegen sich fast alle Partikel auf eine Seite, was möglicherweise auf einen hydrostatischen Druck zurückzuführen ist.

Sie bewegen sich viel schneller. Bei 100 Kilohertz ist ein CEO fast vollständig verschwunden. Bei 250 Kilohertz beginnen die Teilchen, Pro-Ketten zu bilden.

Die negative DEP, die durch den Wechsel auf 500 Kilohertz verursacht wird, drängt die Teilchen vom Elektrodenrand weg. Eine weitere Erhöhung der Frequenz auf ein Megahertz führt dazu, dass sich die Teilchen nach oben aus der Fokusebene bewegen, da sie durch die negative dielektrische Kraft noch stärker abgestoßen werden. Als Nächstes zeigen wir einen gezackten Elektrodentyp, der bei hoher Leitfähigkeit arbeitet.

Das Rotationsmuster, das mit diesem Elektrodentyp erzeugt wird, tritt am stärksten an den inneren Elektrocken auf, und dorthin wandern die Partikel schließlich. Das zuvor beobachtete zersetzende Verhalten in Diamantform tritt hier nicht auf, da bei dieser Leitfähigkeit keine positive dielektrophoretische Bewegung erfolgt. Mit zunehmender Frequenz nimmt die Fluidgeschwindigkeit langsam ab.

Da die Kräfte der Wechselstrom-Elektroosmose bei 56 Kilohertz abklingen, ist die Bewegung sehr langsam, und an einigen Stellen beginnen die Teilchen bei 100 Kilohertz, sich zu aggregieren und Perlenketten zu bilden. Perlenketten sind deutlich sichtbar. Langsam, während die Frequenz erhöht wird, verschmelzen Teilchenansammlungen und bilden an jeder der Ecken X-förmige Strukturen.

Schließlich werden bei einem Megahertz die Pro-Ketten durch negative DEP überwunden, und die Teilchen werden von der Oberfläche abgestoßen. Das hier gezeigte Vierfach-Design erzeugt einen Bereich geringer elektrischer Feldstärke im Zentrum des Elektrodenmusters und ist darauf ausgelegt, Teilchen mithilfe der negativen Dielektrophorese zu fokussieren. Wenn wir 10 Volt an die Elektroden anlegen, beobachten wir eine deutliche Teilchenfokussierung.

Wir werden die Zeit etwas beschleunigen, damit wir sehen können, wie die Teilchen im Gleichgewicht aussehen. Wenn wir die Spannung auf ein Volt reduzieren, beobachten wir, dass sich der fokussierte Bereich zu erweitern beginnt. Wenn die Dielektrophorese gegenüber der brownschen Bewegung an Einfluss verliert, führt eine erneute Erhöhung der Spannung dazu, dass sich die Teilchen wieder zur Mitte hin bewegen.

Wie beim Vierfachmuster erzeugt das Potentialgefälle Bereiche mit niedrigem elektrischen Feld, um Teilchen einzufangen. Die Elektroden sind verschränkt, sodass auch hier andere bereits beobachtete Effekte auftreten können. Wenn die Signale angelegt werden, beobachten wir eine schnelle Einlagerung der Teilchen aufgrund eines CEO und DEP.

Der interessantere Effekt betrifft jedoch das Geschehen in den hohlen Quadraten. Hier sammeln sich nach einiger Zeit Teilchen aufgrund negativer dielektrophoretischer Kräfte. Wir beobachten zudem eine gewisse Ansammlung auf beiden Seiten des Potentialtopfs in Form von Dreiecken.

Wir haben soeben einige der vielen faszinierenden physikalischen Grundlagen der Wechselstrom-Elektrokinetik gezeigt, wie man solche Vorrichtungen herstellt und wie man experimentelle Ergebnisse anhand numerischer Simulationen und der zugrunde liegenden Physik interpretiert. Diese Phänomene, die sich mit der Bewegung von Teilchen befassen, sind ohne visuelle Hilfsmittel nur schwer verständlich. Wechselstrom-elektrokinetische Phänomene können in vielen Forschungsbereichen eingesetzt werden.

Zum Beispiel die Partikelsammlung für Biosensor-Anwendungen, die Trennung von Partikeln mit unterschiedlichen Eigenschaften wie Größe und Form für die Probenaufbereitung sowie aktives Mischen zur Verbesserung von Assays. Wir hoffen, dass dieses Video Wissenschaftlern und Ingenieuren hilft, AC-elektrische kinetische Vorrichtungen zu nutzen und herzustellen, einem der wichtigsten und am schnellsten wachsenden Bereiche der „Lab-on-a-Chip“-Gemeinschaft. Das war’s dann auch schon.

Vielen Dank fürs Zuschauen und viel Erfolg bei Ihren Experimenten.