AC electrocinéticas fenómenos generados por las Estructuras de microelectrodos

En los últimos años, la comunidad de laboratorio en un chip ha adoptado una tecnología novedosa conocida como electrocinética de corriente alterna. Este conjunto de fenómenos puede utilizarse para manipular partículas y fluidos a escala micrométrica y nanométrica de forma rápida y versátil, y está convirtiéndose rápidamente en esencial para muchas aplicaciones de biochip. En este video, repasaremos los fundamentos de la electrocinética de corriente alterna con suficiente detalle como para ayudar a otros científicos e ingenieros que podrían beneficiarse del uso de estos fenómenos en su investigación.

Hola, mi nombre es Robert Hart y soy estudiante de doctorado aquí en Drexel, en el departamento de Ingeniería Biomédica, Ciencia y Sistemas de Salud. Comenzaremos este video con una breve descripción de la física detrás de la electrocinética de corriente alterna. A continuación, pasaremos a la fabricación del dispositivo y, finalmente, mostraremos algunos videos de electrocinética de corriente alterna y explicaremos lo que está sucediendo.

La primera de las tres fuerzas que describiremos se conoce como dieléctroforesis. Aquí observamos un campo eléctrico generado entre dos electrodos sumergidos. Si colocamos una partícula dieléctrica en este campo eléctrico, esta se polariza.

Como puede observarse, las cargas en la partícula están equilibradas por las cargas dentro del líquido. Si la partícula es más polarizable que el líquido o menos polarizable puede determinarse mediante el factor MoSo de clase en un campo eléctrico uniforme. Las partículas experimentan una fuerza neta conocida.

Sin embargo, en un campo eléctrico no uniforme, como el que se muestra aquí, las partículas más polarizables se desplazan hacia zonas de alto campo eléctrico al experimentar una dielectroforesis positiva; cambiar la frecuencia para invertir la polarizabilidad produce el efecto opuesto conocido como dielectroforesis negativa, y las partículas se alejan de las zonas de mayor intensidad de campo eléctrico. La segunda fuerza es la electroosmosis de corriente alterna, cuya base radica en la formación de la doble capa eléctrica debido al potencial eléctrico. En la superficie, esta región se divide en la capa de Stern, que consiste en iones inmóviles fuertemente unidos a la superficie, y la capa difusa, que contiene iones que, aunque están ligados, aún pueden moverse lateralmente.

Si examinamos uno de los iones cerca del borde del electrodo, observamos que experimenta una fuerza de enfriamiento por parte del campo eléctrico. La componente Y de la fuerza queda equilibrada por la existencia de cargas en la superficie. Por lo tanto, el ion experimenta una fuerza lateral neta dirigida hacia el centro del electrodo; los iones a ambos lados del electrodo se mueven y se concentran hacia el centro del electrodo en número suficiente para arrastrar al fluido consigo.

La convergencia de estos dos flujos hace que el fluido en el centro se mueva hacia arriba y surja un patrón rotacional del fluido. Cambiar el potencial no afecta la dirección del patrón del fluido porque los iones contrarios también han cambiado. El tercer y último fenómeno es el efecto hidrotérmico de corriente alterna.

Cuando un campo eléctrico atraviesa un líquido, el calentamiento JUUL genera gradientes de temperatura. Como se muestra en la simulación, las propiedades eléctricas del agua cambian. Como resultado, estas perturbaciones en las propiedades eléctricas interactúan con el campo eléctrico para generar una fuerza de volumen.

El movimiento resultante, como el de la electroosmosis de corriente alterna, es de naturaleza rotacional a pesar de la diferente naturaleza de sus orígenes. Mencionamos brevemente el efecto hidrotérmico de corriente alterna por completitud, pero los efectos del fenómeno hidrotérmico son sutiles. Bajo las condiciones operativas de nuestros experimentos, a partir de los principios matemáticos detrás de cada una de las tres fuerzas, se creó una simulación numérica por elementos finitos, que muestra la fuerza combinada total que actúa sobre una partícula de poliestireno de dos micrones. En cada posición del canal, la simulación por elementos finitos que hemos realizado toma una sección transversal bidimensional de los electrodos y se centra únicamente en uno de ellos.

La primera simulación muestra un medio de baja conductividad y avanza desde 100 hercios hasta un megahercio a bajas frecuencias. La electroósmosis C es dominante, como puede observarse por el patrón de fuerza rotacional. A medida que avanzamos, la dieléctroforesis positiva toma el control, tal como lo ilustran las fuerzas atractivas que conducen a cada esquina del electrodo.

A medida que la frecuencia aumenta más allá de un umbral, el DEP positivo cede paso al DEP negativo y las partículas son repelidas hacia una cierta altura donde quedan equilibradas por la fuerza de la gravedad. Ahora, realizaremos la misma prueba con las mismas frecuencias pero con alta conductividad. En condiciones de alta conductividad, la fuerza electrohidrodinámica de corriente alterna es generalmente menos intensa que en condiciones de baja conductividad, y la velocidad máxima se produce a una frecuencia más elevada.

Asimismo, observe que no hay DEP positiva porque la conductividad es demasiado alta. La electroósmosis de corriente alterna cede directamente paso a la DEP negativa con una conductividad más alta y un voltaje más elevado. El efecto electrodérmico se mostrará mucho más claramente.

En esta sección, hablaremos sobre la fabricación y el ensamblaje del dispositivo. Los dispositivos consisten en electrodos de oro dispuestos sobre un sustrato. En este caso, vidrio.

Mostraremos un método de ataque húmedo para lograr esto, aunque el procedimiento ampliamente conocido de levantamiento también se utiliza habitualmente y se mostrará más adelante. Los cuatro diseños que estamos utilizando son interdigitados paralelos, almenados paralelos, pozo de potencial y cuádruple. Una breve descripción del proceso es la siguiente.

Primero, se deposita una capa de cromo y oro sobre el sustrato de vidrio. A continuación, el sustrato se recubre con fotoresina y el patrón de electrodo se transfiere desde la máscara al sustrato. Mediante exposición por contacto con luz UV.

Después del desarrollo, se eliminan el cromo y el oro mediante ataque químico y se retira el fotoresist. Para lograr una buena adhesión, las láminas de vidrio deben estar muy limpias. Esto comúnmente se realiza con solución piranha caliente, que consiste en ácido sulfúrico y peróxido de hidrógeno.

Debe tenerse mucho cuidado al trabajar con esta combinación peligrosa. Después de la limpieza, los sustratos se secan y están listos para la deposición de metal. Este paso se realiza en un evaporador por haz de electrones.

Las láminas de vidrio se colocan en el portamuestras con cinta adhesiva, que está especialmente diseñada para resistir las condiciones de deposición. A continuación, las muestras se introducen en la máquina y se someten a vacío. El proceso consiste en una deposición breve de cromo de dos minutos y una deposición de oro de 30 minutos, lo que resulta en aproximadamente 20 y 200 nanómetros, respectivamente.

Cuando se retiran las muestras, se observa claramente la superficie de oro. La fotolitografía comienza con un recubrimiento de resist fotosensible utilizando una máquina de recubrimiento por centrifugado. El resist fotosensible se agrega mediante pipeta sobre el sustrato, que se encuentra sobre un portamuestras dentro de la máquina.

Se crea una capa uniforme de resistencia fotosensible mediante la rotación del vidrio a una velocidad específica, lo que elimina la mayor parte del exceso de resistencia fotosensible. Este proceso va seguido de una pre-cocción durante dos minutos a 100 grados C, que endurece la resistencia fotosensible y la prepara para la exposición a UV. A continuación, se coloca la máscara fotográfica en contacto con nuestro sustrato y se expone a luz UV durante aproximadamente ocho segundos.

Esto transfiere el patrón al fotoresistente. El paso de revelado elimina todas las áreas del fotoresistente que han sido expuestas a la luz. Este proceso completa la etapa de fotolitografía y estamos listos para el grabado de oro y cromo.

Las áreas de nuestro sustrato que han sido expuestas en el proceso de revelado ahora están libres para ser grabadas. La resistencia fotosensible protege eficazmente el resto de la superficie, pero, como en todos los pasos, el tiempo de grabado debe controlarse cuidadosamente. Aquí observamos los sustratos siendo colocados en la oscuridad, en un grabado de oro basado en yodo.

Después de enjuagar con agua, el cromo se elimina mediante el ataque del cromo. Observe la transformación que tiene lugar cuando el vidrio vuelve a ser transparente. Una vez eliminado el cromo, una comparación entre los sustratos grabados y los no grabados muestra los resultados.

Una inspección rápida bajo el microscopio muestra el éxito del proceso. Aquí observamos un dispositivo fabricado con éxito con conexiones eléctricas realizadas. Al lado se encuentra un canal de PD DS con conexiones de tubo.

Cuando el canal de PDMS se coloca sobre un dispositivo, se forma un sello muy eficaz con un vidrio y el líquido puede fluir a través del canal. Esto se realiza cuidadosamente con una pinza. Dado que las huellas dactilares y el polvo pueden impedir una buena adhesión, pueden usarse los lados opuestos de la pinza para asegurar una fijación adecuada. Llenado.

El canal se realiza conectando una jeringa a un extremo, colocando el otro extremo en una suspensión de microesferas de poliestireno y aplicando una succión suave. Una vez colocado en el microscopio y enfocado, se realizan las conexiones eléctricas al generador de funciones. Con las muestras cargadas y las conexiones hechas, los dispositivos ya están listos para un experimento.

Todos los videos experimentales que mostraremos consisten en inyectar una suspensión acuosa de microesferas de poliestireno de dos micrones en el canal y aplicar una señal a los electrodos. Inicialmente, las partículas están distribuidas al azar y exhiben movimiento browniano. Cuando se aplica la señal de un kilovoltio, las partículas se alinean rápidamente en el centro del electrodo.

Téngase en cuenta que, dado que estamos utilizando un campo de corriente alterna, no estamos observando la fuerza KIC. Este comportamiento tan interesante se debe a los patrones de fluido generados, así como a las fuerzas atractivas de la dieléctroforesis. A medida que aumenta la frecuencia, las partículas comienzan a dispersarse a lo largo del ancho del electrodo.

A medida que la velocidad electroosmótica de corriente alterna disminuye y la dieléctroforesis comienza a predominar a 56 kilohercios, las partículas migran hacia el borde del electrodo. Cuando las fuerzas electroosmóticas de corriente alterna desaparecen y predomina la dieléctroforesis positiva. Como se muestra en este diagrama, este comportamiento continúa a 100 kilohercios y las partículas ahora están firmemente ancladas al borde del electrodo.

Cuando la frecuencia aumenta aún más hasta 250 kilohercios, las partículas comienzan a alinearse a través del espacio y aparece el denominado comportamiento de cadena de perlas; a 500 kilohercios, las partículas son repelidas desde el borde del electrodo ya que predomina la DEP negativa. Esto puede explicarse mediante el factor de Clausius-Mossotti, que cambia de positivo a negativo con el aumento de frecuencia, provocando una transición de la dieléctroforesis positiva a la dieléctroforesis negativa a un megahercio. La DEP negativa se encuentra cerca de su valor máximo y las partículas son levitadas por encima del electrodo.

Un aumento en la conductividad provoca un cambio importante en el factor CM. Como puede observarse, ya no existe DEP positivo, lo que altera drásticamente el comportamiento de las partículas. Tenga esto en cuenta mientras recorremos el mismo rango de frecuencia cuando aplicamos una señal de un kilohercio, las partículas orbitan fuera del plano a lo largo del borde del electrodo.

La vista superior proporcionada por el microscopio muestra únicamente el movimiento lateral de las partículas, como se demuestra en esta animación. Esta vista, que muestra a las partículas moviéndose de un lado a otro, oculta el movimiento real de las partículas cuando se observan desde el costado. La verdadera naturaleza de su movimiento puede verse con mayor facilidad.

De hecho, orbitan alrededor de la razón por la cual orbitan, y se cree que no quedan atrapadas en el centro de cada electrodo porque el componente de DEP se invierte. A medida que la frecuencia continúa aumentando, las partículas comienzan a coalescer en agregados manteniendo al mismo tiempo la misma noción orbital. Esta agregación se debe a la interacción entre partículas.

Se cree que los orígenes de esta interacción se deben a las ligeras distorsiones del campo eléctrico provocadas por las propias partículas. Las distorsiones alrededor de las partículas generan fuerzas de DEP, que atraen a las partículas cercanas. A medida que continuamos aumentando la frecuencia, ocurre un cambio drástico a aproximadamente 250 kilohercios.

Las partículas detienen en gran medida su movimiento orbital y forman una modificación que representa otra manifestación de la interacción entre partículas. Eventualmente, a medida que la frecuencia aumenta aún más. En este punto, la repulsión de un megahercio debida a la DEP negativa impulsa a las partículas hacia arriba y fuera del plano focal del microscopio.

A continuación, mostraremos un tipo de electrodo con electrodos entrelazados que opera a baja conductividad. Este diseño de electrodo es similar al del tipo anterior en que es entrelazado, pero los dedos rectos han sido reemplazados por una forma más compleja. A un kilohercio, la recolección de partículas ocurre en el centro de las intersecciones y forma rápidamente una figura en forma de diamante.

A medida que aumenta la frecuencia, observamos la misma dispersión de las partículas recogidas. Cuando la electroosmosis alterna comienza a disminuir y el DEP asume el control, como antes, 56 kilohertzios provoca que las partículas migren lentamente hacia el borde del electrodo. Curiosamente, casi todas las partículas se desplazan hacia un lado, lo cual podría deberse a alguna presión hidrostática.

Se mueven mucho más rápido. A 100 kilohercios, como CEO ha desaparecido casi por completo. A 250 kilohercios, las partículas comienzan a formar cadenas pro.

El DEP negativo provocado al cambiar a 500 kilohercios fuerza a las partículas a alejarse del borde del electrodo. Aumentar aún más la frecuencia hasta un megahercio hace que las partículas se muevan hacia arriba, fuera del plano focal, ya que son repelidas con mayor intensidad por la dieléctroforesis negativa. A continuación, mostraremos un tipo de electrodo castilado que opera a alta conductividad.

El patrón rotacional que se genera con este tipo de electrodo ocurre de manera más pronunciada en las esquinas internas de los electrodos, y es allí donde las partículas terminan migrando. El comportamiento de corte en forma de diamante que observamos anteriormente no existe aquí, ya que no hay diélectroforesis positiva a esta conductividad. A medida que aumenta la frecuencia, la velocidad del fluido disminuye lentamente.

Dado que las fuerzas de electroosmosis de corriente alterna desaparecen a 56 kilohercios, el movimiento es muy lento y, en algunos lugares, las partículas comienzan a agruparse y formar cadenas de perlas a 100 kilohercios. Las cadenas de perlas son bastante evidentes. Lentamente, al aumentar la frecuencia, los grupos de partículas se fusionan y forman formas en X en cada una de las esquinas.

Finalmente, a un megahercio, las cadenas pro son superadas por la DEP negativa y las partículas son repelidas desde la superficie. El diseño cuádruple mostrado aquí genera un área de baja intensidad de campo eléctrico en el centro del patrón de electrodos y está diseñado para utilizar la dielectroforesis negativa con el fin de enfocar las partículas. Cuando aplicamos 10 voltios a los electrodos, observamos un enfoque marcado de las partículas.

Aceleraremos un poco el tiempo para poder ver cómo se ven las partículas en equilibrio. Si reducimos el voltaje a un voltio, observamos que el área enfocada comienza a expandirse. A medida que la dielectroforesis pierde terreno frente a la difusión y al movimiento browniano, aumentar nuevamente el voltaje provoca que las partículas regresen hacia el centro.

Al igual que el patrón cuádruple, el pozo de potencial crea zonas de bajo campo eléctrico con el fin de atrapar partículas. Los electrodos están entrelazados, por lo que también pueden observarse aquí otros efectos que ya hemos visto. Cuando se aplican las señales, se observa un atrapamiento rápido de partículas debido a un CEO y a la DEP.

El efecto más interesante, sin embargo, es lo que ocurre en los cuadrados huecos. Las partículas aquí se acumulan debido a la dieléctroforesis negativa después de que ha transcurrido cierto tiempo. También observamos algo de acumulación en ambos lados del pozo de potencial, con forma de triángulos.

Acabamos de mostrar algunos de los muchos aspectos interesantes de la física detrás de la electrocinética de corriente alterna, cómo fabricar estos dispositivos y cómo interpretar los resultados experimentales basándose en simulaciones numéricas y en la física subyacente. Estos fenómenos, que tratan sobre partículas en movimiento, son bastante difíciles de comprender sin ayudas visuales. Los fenómenos electrocinéticos de corriente alterna pueden utilizarse en muchas áreas de investigación.

Por ejemplo, la recolección de partículas para aplicaciones de biosensores, la separación de partículas con propiedades diferentes, como tamaño y forma, para el procesamiento de muestras y la mezcla activa para mejorar los ensayos. Esperamos que este video ayude a científicos e ingenieros a utilizar y fabricar dispositivos de cinética eléctrica de corriente alterna, uno de los campos más importantes y en crecimiento dentro de la comunidad de laboratorio en un chip. Bueno, eso es todo.

Gracias por ver el video y mucha suerte con sus experimentos.