Phénomènes AC électrocinétique générées par des structures microélectrodes

Au cours des dernières années, la communauté scientifique travaillant sur les laboratoires sur puce a adopté une technologie prometteuse appelée électrocinétique alternative. Ce groupe de phénomènes permet de manipuler des particules et des fluides à l'échelle micrométrique à nanométrique de manière rapide et polyvalente, et devient rapidement essentiel pour de nombreuses applications de bio-puce. Dans cette vidéo, nous allons aborder les bases de l'électrocinétique alternative avec un niveau de détail suffisant pour aider d'autres scientifiques et ingénieurs qui pourraient tirer profit de ces phénomènes dans leurs recherches.

Bonjour, je m'appelle Robert Hart et je suis étudiant au doctorat ici à Drexel, au sein du département de génie biomédical, sciences et systèmes de santé. Nous allons commencer cette vidéo par une brève description des principes physiques sous-jacents à la cinétique électrique en courant alternatif. Ensuite, nous aborderons la fabrication du dispositif, et enfin, nous présenterons quelques vidéos illustrant la cinétique électro-alternative et expliquerons les phénomènes observés.

La première des trois forces que nous allons décrire est appelée diélectrophorèse. Ici, nous observons un champ électrique généré entre deux électrodes immergées. Si nous introduisons une particule diélectrique dans ce champ électrique, elle devient polarisée.

Comme vous pouvez le constater, les charges sur la particule sont équilibrées par les charges présentes dans le liquide. Le fait que la particule soit plus polarisable ou moins polarisable que le liquide peut être déterminé par le facteur MoSo classique dans un champ électrique uniforme. Les particules subissent une force électrohydrodynamique connue.

Cependant, dans un champ électrique non uniforme, comme celui illustré ici, les particules les plus polarisables se déplacent vers les zones de champ électrique élevé car elles subissent une diélectrophorèse positive ; en modifiant la fréquence pour inverser la polarisabilité, on obtient l'effet opposé appelé diélectrophorèse négative, et les particules s'éloignent alors des zones de forte intensité de champ électrique. La deuxième force est l'électro-osmose alternative, qui repose sur la formation de la double couche électrique due au potentiel électrique. À la surface, cette région se divise en une couche de Stern, constituée d'ions immobiles rigidement liés à la surface, et une couche diffuse, qui contient des ions capables de se déplacer latéralement tout en restant liés.

Si l'on examine l'un des ions près du bord de l'électrode, on observe qu'il subit une force de refroidissement due au champ électrique. La composante Y de la force est compensée par la présence de charges à la surface. Par conséquent, l'ion subit une force latérale nette dirigée vers le centre de l'électrode ; les ions situés des deux côtés de l'électrode se déplacent et se regroupent vers le centre de l'électrode en nombre suffisant pour entraîner le fluide avec eux.

La convergence de ces deux flux provoque une remontée du fluide situé au centre et un motif fluide rotationnel émerge. Le changement de potentiel n'affecte pas la direction du motif fluide, car les ions contre-ions ont également été inversés. Le troisième et dernier phénomène est l'effet hydrothermique alternatif.

Lorsqu'un champ électrique traverse un liquide, le chauffage JUUL provoque des gradients de température. Comme le montre la simulation, les propriétés électriques de l'eau changent. En conséquence, ces perturbations des propriétés électriques interagissent avec le champ électrique pour engendrer une force volumique.

Le mouvement résultant, comme l'électro-osmose en courant alternatif, est de nature rotationnelle malgré la nature différente de son origine. Nous avons mentionné brièvement l'effet hydrothermique en courant alternatif par souci d'exhaustivité, mais les effets de ce phénomène hydrothermique sont subtils. Dans les conditions opératoires de nos expériences, à partir des principes mathématiques sous-jacents à chacune des trois forces, une simulation numérique par éléments finis a été créée, qui représente la force totale combinée agissant sur une particule de polystyrène de deux microns. À chaque position dans le canal, la simulation par éléments finis que nous avons effectuée prend une section transversale bidimensionnelle des électrodes et se concentre uniquement sur l'une d'elles.

La première simulation montre un milieu de faible conductivité et progresse de 100 hertz à un mégahertz à basses fréquences. L'électro-osmose en courant alternatif domine, comme le montre le motif des forces de rotation. En avançant, la diélectrophorèse positive prend le relais, illustrée par les forces attractives dirigées vers chaque coin de l'électrode.

Lorsque la fréquence augmente au-delà d'un seuil, la DEP positive prend le pas sur la DEP négative et les particules sont repoussées à une certaine hauteur où elles sont équilibrées par la force de gravité. Nous allons maintenant effectuer les mêmes mesures à des fréquences élevées dans des conditions de conductivité élevée. En conductivité élevée, la force électrohydrodynamique alternative est généralement moins intense qu'à faible conductivité, et la vitesse maximale est atteinte à une fréquence plus élevée.

Remarquez également qu'il n'y a pas de DEP positive car la conductivité est trop élevée. L'électro-osmose alternative cède directement la place à la DEP négative avec une conductivité plus élevée et une tension plus élevée. L'effet électrodermal sera beaucoup plus clairement visible.

Dans cette section, nous aborderons la fabrication et l'assemblage du dispositif. Les dispositifs eux-mêmes sont constitués d'électrodes en or gravées sur un substrat. Dans ce cas, du verre.

Nous allons présenter une méthode de gravure humide pour y parvenir, mais la procédure bien connue de soulèvement est également utilisée couramment et sera montrée ultérieurement. Les quatre conceptions que nous utilisons sont les électrodes parallèles entrelacées, les électrodes parallèles crénelées, le puits de potentiel et la configuration quadruple. Une brève description du processus est la suivante.

Tout d'abord, une couche de chrome et d'or est déposée sur le substrat en verre. Ensuite, le substrat est recouvert de photo-résine et le motif des électrodes est transféré du masque au substrat par exposition au contact sous rayonnement UV.

Après le développement, le chrome et l'or sont gravés et le photo-résist est éliminé. Pour assurer une bonne adhérence, les lames de verre doivent être très propres. Cette opération est couramment réalisée à l'aide d'une solution de piranha chauffée, composée d'acide sulfurique et de peroxyde d'hydrogène.

Il faut faire preuve d'une grande prudence lorsqu'on travaille avec ce mélange dangereux. Après le nettoyage, les substrats sont séchés et prêts pour le dépôt métallique. Cette étape est réalisée dans un évaporateur par faisceau d'électrons.

Les lames en verre sont fixées sur le porte-échantillon à l'aide d'un ruban adhésif, spécialement conçu pour résister aux conditions de dépôt. Ensuite, les échantillons sont introduits dans l'appareil et mis sous vide. Le processus comprend un dépôt bref de chrome d'une durée de deux minutes et un dépôt d'or de 30 minutes, produisant respectivement environ 20 et 200 nanomètres.

Lorsque les échantillons sont retirés, la surface d'or est clairement visible. La photolithographie commence par un dépôt de résine photosensible à l'aide d'une machine de dépôt par centrifugation. La résine photosensible est déposée au moyen d'une pipette sur le substrat, placé sur un mandrin à l'intérieur de la machine.

Une couche uniforme de résine photosensible est créée en faisant tourner le verre à une vitesse spécifique, ce qui élimine la majeure partie de l'excès de résine photosensible. Ce processus est suivi d'une pré-cuisson de deux minutes à 100 degrés C. Cela durcit la résine photosensible et la prépare pour l'exposition aux UV. Ensuite, le masque photolithographique est placé au contact de notre substrat et exposé à la lumière UV pendant environ huit secondes.

Cela transfère le motif au photo-résist. L'étape de développement élimine toutes les zones du photo-résist qui ont été exposées à la lumière. Ce processus achève l'étape de photolithographie et nous sommes prêts pour la gravure de l'or et du chrome.

Les zones de notre substrat qui ont été exposées lors du processus de développement sont désormais libres d'être gravées. La résine photosensible protège efficacement le reste de la surface, mais, comme pour toutes les étapes, la durée de gravure doit être soigneusement contrôlée. Ici, nous observons les substrats placés dans un bain de gravure de l'or à base d'iode et réalisé à l'obscurité.

Après le rinçage à l’eau, le chrome est éliminé à l’aide de la gravure chimique au chrome. Observez la transformation qui se produit, le verre redevenant transparent. Une fois le chrome retiré, une comparaison entre les substrats gravés et non gravés montre les résultats.

Un examen rapide au microscope montre la réussite du processus. Ici, nous observons un dispositif correctement fabriqué avec des connexions électriques réalisées. À côté se trouve un canal PD DS avec des raccords tubulaires.

Lorsque le canal en PDMS est placé sur un dispositif, un joint très efficace se forme avec le verre et le liquide peut circuler à travers le canal. Cette opération est effectuée soigneusement à l’aide d’une pince. Comme les empreintes digitales et la poussière peuvent empêcher une bonne adhérence, les côtés opposés de la pince peuvent être utilisés pour assurer une fixation correcte. Remplissage.

Le canal est réalisé en fixant une seringue à une extrémité, en plaçant l'autre dans une suspension de microsphères de polystyrène et en appliquant une aspiration douce. Une fois placé sous le microscope et mis au point, les connexions électriques sont établies avec le générateur de fonctions. Avec les échantillons chargés et les connexions effectuées, les dispositifs sont désormais prêts pour une expérience.

Toutes les vidéos expérimentales que nous allons montrer consistent à injecter une suspension aqueuse de microbilles de polystyrène de deux microns dans le canal et à appliquer un signal aux électrodes. Initialement, les particules sont distribuées aléatoirement et présentent un mouvement brownien. Lorsque le signal est appliqué, les particules s'alignent rapidement au centre de l'électrode.

Gardez à l'esprit que, puisque nous utilisons un champ alternatif, nous n'observons pas la force KIC. Ce comportement fascinant est dû aux motifs fluides générés ainsi qu'aux forces d'attraction de la diélectrophorèse. Lorsque la fréquence augmente, les particules commencent à se répandre le long de la largeur de l'électrode.

Lorsque la vitesse électro-osmotique à courant alternatif diminue et que la diélectrophorèse commence à prédominer à 56 kilohertz, les particules migrent vers le bord de l'électrode. Alors que les forces électro-osmotiques à courant alternatif s'atténuent et que la diélectrophorèse positive devient prépondérante, ce comportement se poursuit à 100 kilohertz, et les particules sont désormais fermement ancrées au bord de l'électrode.

Lorsque la fréquence est augmentée davantage jusqu'à 250 kilohertz, les particules commencent à s'aligner à travers l'entrefer, présentant le comportement dit de chaîne de perles ; à 500 kilohertz, les particules sont repoussées depuis le bord de l'électrode car la DEP négative prédomine. Ceci peut s'expliquer par le facteur de Clausius-Mossotti, qui passe de positif à négatif avec l'augmentation de la fréquence, provoquant une transition de la diélectrophorèse positive à la diélectrophorèse négative à un mégahertz. La DEP négative atteint alors une valeur proche de son maximum et les particules sont lévitées au-dessus de l'électrode.

Une augmentation de la conductivité provoque une modification importante du facteur CM. Comme vous pouvez le constater, il n'y a plus de DEP positive, ce qui change radicalement le comportement des particules. Gardez cela à l'esprit lorsque nous balayons la même plage de fréquences, lorsque nous appliquons un signal de un kilohertz, les particules décrivent une orbite hors du plan le long du bord de l'électrode.

La vue de dessus fournie par le microscope montre uniquement le déplacement latéral des particules, comme le montre cette animation. Cette vue, qui fait apparaître les particules en mouvement aller-retour, masque le mouvement réel des particules lorsqu'elles sont observées sur le côté. La nature réelle de leur mouvement peut être perçue plus facilement.

En réalité, ils orbitent autour de ce centre. On pense qu'ils orbitent et ne sont pas piégés au centre de chaque électrode parce que la composante DEP est inversée. Lorsque la fréquence continue d'augmenter, les particules commencent à s'agglomérer tout en conservant le même mouvement orbital. Cet agglomérat est dû à l'interaction entre particules.

On pense que l'origine de cette interaction provient des légères distorsions du champ électrique causées par les particules elles-mêmes. Les distorsions autour des particules engendrent des forces de DEP, qui attirent les particules voisines. Lorsque nous augmentons progressivement la fréquence, un changement spectaculaire se produit à environ 250 kilohertz.

Les particules cessent en grande partie leur mouvement orbital et forment une autre manifestation de l'interaction entre particules. Finalement, lorsque la fréquence devient encore plus élevée, à ce stade, une répulsion d'un mégahertz due à la DEP négative propulse les particules vers le haut et hors du plan focal du microscope.

Ensuite, nous allons présenter un électrode à coulée élaborée fonctionnant à faible conductivité. Ce design d'électrode est similaire à celui du dernier type en ce sens qu'il est interdigité, mais les doigts droits ont été remplacés par une forme plus complexe. À un kilohertz, la collecte des particules a lieu au centre des intersections et forme rapidement une forme en losange.

À mesure que la fréquence augmente, on observe la même dispersion des particules recueillies. Lorsque l'électro-osmose alternative commence à s'atténuer et que la DEP prend le relais, comme précédemment, 56 kilohertz provoque une migration lente des particules vers le bord de l'électrode. Fait intéressant, presque toutes les particules se déplacent d'un seul côté, ce qui pourrait être dû à une certaine pression hydrostatique.

Ils se déplacent beaucoup plus rapidement. À 100 kilohertz, le CEO a presque complètement disparu. À 250 kilohertz, les particules commencent à former des chaînes pro.

La DEP négative provoquée par un changement à 500 kilohertz repousse les particules loin du bord de l'électrode. En augmentant encore la fréquence jusqu'à un mégahertz, les particules se déplacent vers le haut hors du plan focal, étant repoussées de manière accrue par la diélectrophorèse négative. Ensuite, nous présenterons un type d'électrode crénelée fonctionnant à conductivité élevée.

Le motif de rotation généré avec ce type d'électrode se produit de manière particulièrement marquée aux coins internes des électrodes, et c'est à cet endroit que les particules migrent finalement. Le comportement de découpage en forme de losange observé précédemment n'existe pas ici, car il n'y a pas de diélectrophorèse positive à cette conductivité. Lorsque la fréquence augmente, la vitesse du fluide diminue lentement.

Comme les forces d'électro-osmose alternative s'atténuent à 56 kilohertz, le mouvement devient très lent et, à 100 kilohertz, les particules commencent à s'agglomérer et à former des chaînes de perles dans certaines zones. Les chaînes de perles sont assez nettes. Lorsque la fréquence augmente progressivement, les agglomérats de particules fusionnent et forment des structures en forme de X à chacun des coins.

Enfin, à un mégahertz, les chaînes pro sont soumises à une DEP négative et les particules sont repoussées de la surface. La conception quadruple illustrée ici crée une zone de faible intensité de champ électrique au centre du motif d'électrode et est conçue pour utiliser la diélectrophorèse négative afin de focaliser les particules. Lorsque nous appliquons 10 volts aux électrodes, nous observons une focalisation marquée des particules.

Nous allons accélérer légèrement le temps afin de pouvoir observer l'aspect des particules à l'équilibre. Si nous réduisons la tension à un volt, nous voyons la zone focalisée commencer à s'étendre. Lorsque la diélectrophorèse perd en importance face au mouvement brownien, augmenter à nouveau la tension provoque le déplacement des particules vers le centre.

Comme le motif quadruple, le puits de potentiel crée des zones de faible champ électrique afin de piéger les particules. Les électrodes sont entrelacées, de sorte que d'autres effets déjà observés peuvent également être constatés ici. Lorsque des signaux sont appliqués, on observe un piégeage rapide des particules dû à un effet CEO et à la DEP.

L'effet le plus intéressant, cependant, est celui qui se produit dans les carrés creux. Après un certain temps, des particules s'accumulent ici en raison de la diélectrophorèse négative. Nous observons également un certain regroupement de part et d'autre du puits de potentiel, ayant la forme de triangles.

Nous venons de présenter certains des nombreux aspects intéressants de la physique sous-jacente à l'électrocinétique en courant alternatif, la manière de fabriquer ces dispositifs et d'interpréter les résultats expérimentaux à partir de simulations numériques et des principes physiques fondamentaux. Ces phénomènes, qui impliquent le déplacement de particules, sont assez difficiles à comprendre sans supports visuels. Les phénomènes électrocinétiques en courant alternatif peuvent être utilisés dans de nombreux domaines de recherche.

Par exemple, la collecte de particules pour des applications de biocapteurs, la séparation de particules ayant des propriétés différentes telles que la taille et la forme pour le traitement des échantillons, et le mélange actif pour l'amélioration des tests. Nous espérons que cette vidéo aidera les scientifiques et les ingénieurs à utiliser et à fabriquer des dispositifs électrocinétiques à courant alternatif, l'un des domaines les plus importants et en pleine expansion de la communauté « laboratoire-sur-puce ». Voilà, c'est tout.

Merci d'avoir regardé et bonne chance avec vos expériences.