AC תופעות electrokinetic שנוצר על ידי מבנים microelectrode

בשנים האחרונות, קהילת המעבדה על שבב (lab on a chip) אימצה טכנולוגיה מרגשת המכונה אלקטרוקינטיקה של זרם חילופין (AC Electrokinetics). קבוצה זו של תופעות יכולה לשמש למניפולציה של חלקיקים ונוזלים בקנה מידה של מיקרון ועד ננומטר באמצעות גלים מהירים ורב-גוניים, והיא הופכת במהירות לחיונית עבור יישומים רבים של שבבים ביולוגיים. בסרטון זה, נסקור את היסודות של אלקטרוקינטיקה של AC בפירוט מספיק כדי לסייע למדענים ומהנדסים אחרים שעשויים להפיק תועלת משימוש בתופעות אלו במחקריהם.

שלום, שמי רוברט הארט ואני סטודנט לדוקטורט כאן בדרקסל, במחלקה למדעי ההנדסה הביו-רפואית ומערכות בריאות. נתחיל את הסרטון בתיאור קצר של הפיזיקה העומדת בבסיס קינטיקה חשמלית של זרם חילופין (AC). לאחר מכן, נעבור לייצור המכשיר, ולסיום נציג מספר סרטונים של קינטיקה חשמלית של זרם חילופין ונשסביר את התהליכים המתרחשים.

הראשון מבין שלושת הכוחות שנתאר הוא הדי-אלקטרופורזה (dielectrophoresis). כאן אנו רואים שדה חשמלי הנוצר בין שתי אלקטרודות טבולות. כאשר חלקיק דיאלקטרי נמצא בשדה חשמלי זה, הוא הופך למקוטב.

כפי שניתן לראות, המטענים על החלקיק מאוזנים על ידי המטענים בתוך הנוזל. ניתן לקבוע אם החלקיק פולריזבילי יותר או פחות מהנוזל באמצעות גורם MoSo הקלאסי בשדה חשמלי אחיד. החלקיקים חווים כוח nut ידוע.

עם זאת, בשדה חשמלי שאינו אחיד, כפי שמוצג כאן, חלקיקים בעלי יכולת קיטוב גבוהה יותר נעים לעבר אזורים בעלי שדה חשמלי חזק, שכן הם חווים די-אלקטרופורזה חיובית; שינוי התדר כדי להפוך את יכולת הקיטוב גורם לאפקט הפוך המכונה די-אלקטרופורזה שלילית, ואז החלקיקים נעים הרחק מאזורים בעלי עוצמת שדה חשמלי גבוהה. הכוח השני הוא אלקטרו-אוסמוזה של זרם חילופין (AC electro osmosis); בבסיס האלקטרו-אוסמוזה של זרם חילופין עומד היווצרות השכבה הכפולה החשמלית עקב הפוטנציאל החשמלי. על פני השטח, אזור זה מחולק לשכבת סטרן (stern layer), המורכבת מיונים שאינם ניידים והקשורים באופן קשיח לפני השטח, ולשכבה המפוזרת (diffuse layer), המכילה יונים שעל אף היותם קשורים, הם עדיין חופשיים לנוע לצדדים.

אם נבחן את אחד היונים הקרובים לקצה האלקטרודה, נראה שהוא חווה כוח קירור מהשדה החשמלי. רכיב Y של הכוח מאוזן על ידי קיומם של מטענים על פני השטח. לכן, היון חווה כוח צדי נטו המכוון לעבר מרכז האלקטרודה; יונים משני צדי האלקטרודה נעים ומסה לעבר מרכז האלקטרודה בכמות מספיקה כדי לגרור את הנוזל עמם.

ההתלכדות של שני הזרימות הללו גורמת לנוזל במרכז לנוע כלפי מעלה, ונוצרת תבנית זרימה סיבובית. שינוי הפוטנציאל אינו משפיע על כיוון תבנית הנוזל מכיוון שגם היונים הנגדיים השתנו. התופעה השלישית והאחרונה היא האפקט ההידרותרמי של AC.

כאשר שדה חשמלי עובר דרך נוזל, חימום JUUL גורם למדרגות טמפרטורה. כפי שמוצג בסימולציה, התכונות החשמליות של המים משתנות. כתוצאה מכך, הפרעות אלו בתכונות החשמליות מקיימות אינטראקציה עם השדה החשמלי הגורמת לכוח גוף.

התנועה הנובעת מאלקטרו-אוסמוזה בזרם חילופין (AC electro osmosis) היא בעלת אופי סיבובי, למרות ההבדלים במקוריה. הזכרנו בקצרה את האפקט ההידרותרמי בזרם חילופין (AC hydrothermal effect) למען השלמות, אך השפעותיו של האפקט ההידרותרמי הן מזעריות. תחת תנאי ההפעלה של הניסויים שלנו, ומתוך העקרונות המתמטיים העומדים מאחורי כל אחד משלושת הכוחות, נוצרה סימולציה נומרית בשיטת האלמנטים הסופיתים, המציגה את הכוח המשותף הכולל הפועל על חלקיק פוליסטירן בקוטר שני מיקרון. בכל מיקום בערוץ, סימולציית האלמנטים הסופיתים שהרצנו לוקחת חתך דו-ממדי של האלקטרודות ומתמקדת רק באחת מהן.

הסימולציה הראשונה מציגה מצע בעל מוליכות נמוכה ומתקדמת מ-100 hertz עד ל-one megahertz בתדרים נמוכים. AC electro osmosis היא הדומיננטית, כפי שניתן לראות מדפוס הכוח הסיבובי. ככל שמתקדמים, positive di electrophoresis הופכת לדומיננטית, כפי שמודגם על ידי כוחות המשיכה המובילים לכל פינה של האלקטרודה.

ככל שהתדר עולה מעבר לסף מסוים, DEP חיובי נשקל מול DEP שלילי וחלקיקים יידחפו לגובה מסוים שבו הם מאוזנים על ידי כוח הגרביטציה. כעת, נבחן את אותם תדרים במוליכות גבוהה. במוליכות גבוהה, כוח האלקטרוסמוזה של ה-AC הוא בדרך כלל חלש יותר מאשר במוליכות נמוכה, ושיא המהירות מתרחש בתדר גבוה יותר.

כמו כן, שימו לב כי אין DEP חיובי מכיוון שהמוליכות גבוהה מדי. אלקטרו-אוסמוזה של AC מחליפה באופן ישיר את ה-DEP השלילי עם מוליכות גבוהה יותר ומתח גבוה יותר. האפקט האלקטרו-דרמלי יוצג בצורה ברורה הרבה יותר.

בסעיף זה, נדון בייצור והרכבה של ההתקן. ההתקנים עצמם מורכבים מאלקטרודות זהב המודפסות על מצע. במקרה זה, זכוכית.

נציג שיטת תסריג רטוב להשגת מטרה זו, אך גם הליך ה-liftoff המוכר נמצא בשימוש שגור ויוצג מאוחר יותר. ארבעת התכנונים שבהם אנו משתמשים הם מקבילי-משולבים (parallel interdigitated), מקבילי-משוננים (parallel castellated), בור פוטנציאל (potential well) ומרובע (quadruple). תיאור קצר של התהליך מופיע להלן.

ראשית, שכבה של כרום וזהב מורספת על מצע הזכוכית. לאחר מכן, המצע מצופה בפטורזיסט ותבנית האלקטרודה מועברת מהמסכה למצע באמצעות חשיפה במגע ל-UV.

לאחר הפיתוח, השכבות של הכרום והזהב נחרטות והפוטורזיסט מוסר. על מנת להבטיח היצמדות טובה, על השבבי זכוכית להיות נקיים מאוד. פעולה זו מבוצעת בדרך כלל באמצעות תמיסת פיראנה מחוממת, המורכבת מחומצה גופרית ומי חמצן.

יש לנקוט משנה זהירות בעבודה עם השילוב המסוכן הזה. לאחר הניקוי, מייבשים את התשמיות והן מוכנות להשקעת מתכת. שלב זה מבוצע במאדה של אלומת אלקטרונים.

השקופיות נטענות למחזיק הדגימות עם כיסוי סרט, המתאים במיוחד לעמידה בתנאי השקיעה. לאחר מכן, הדגימות נטענות למכונה ומנוקזות בוואקום. התהליך מורכב משקיעה קצרה של כרום למשך שתי דקות ומשקיעה של זהב למשך 30 דקות, התוצאה היא עובי של כמעט 20 ו-200 ננומטרים בהתאמה.

בעת הוצאת הדגימות, פני השטח של הזהב נראים בבירור. פוטוליתוגרפיה מתחילה בציפוי של פוטורזיסט (photo resist) באמצעות מכשיר לציפוי סבסבי (spin coating machine). הפוטורזיסט מועבר בעזרת פיפט אל התשתית, המונחת על צ'אק (chuck) בתוך המכשיר.

שכבה אחידה של פוטורזיסט (photo resist) נוצרת על ידי סיבוב הזכוכית במהירות ספציפית, מה שמסיר את רוב הפוטורזיסט העודף. תהליך זה ממשיך באפייה רכה (soft bake) למשך שתי דקות ב-100 °C. פעולה זו מקשחת את הפוטורזיסט ומכינה אותו לחשיפה ל-UV. לאחר מכן, מניחים את מסכת הפוטו (photo mask) במגע עם התשתית שלנו וחושפים אותה לאור UV למשך כשמונה שניות.

שלב זה מעביר את התבנית אל הפוטורזיסט. שלב הפיתוח מסיר את כל האזורים בפוטורזיסט שנחשפו לאור. תהליך זה משלים את שלב הפוטוליתוגרפיה, וכעת אנו מוכנים לתחריט של זהב וכרום.

האזורים על התשתית שלנו שנחשפו בתהליך הפיתוח פתוחים כעת לתהליך התהריקה. הפוטורזיסט מגן ביעילות על שאר פני השטח, אך כבכל השלבים, יש לשלוט בזמן התהריקה בקפידה. כאן אנו רואים את התשביות שמונחות בתוך תמיסת תהריקה של זהב מבוססת יוד, בחושך.

לאחר שטיפה במים, מסירים את הכרום באמצעות תסבסוב כרום. שימו לב לשינוי המתרחש כאשר הזכוכית הופכת שוב לשקופה. לאחר הסרת הכרום, השוואה בין המצעים שעברו תסבסוב לאלו שלא עברו תסבסוב מראה את התוצאות.

בדיקה מהירה תחת המיקרוסקופ מראה את הצלחתו של התהליך. כאן אנו רואים התקן שיוצר בהצלחה עם חיבורים חשמליים שבוצעו. לצדו נמצא תעלה של PDMS עם חיבורי צינוריות.

כאשר תעלת ה-PDMS מונחת על גבי התקן, נוצר איטום יעיל מאוד עם הזכוכית ונוזלים עשויים לזרום דרך התעלה. פעולה זו מבוצעת בזהירות באמצעות פינצטה. מכיוון שטביעות אצבע ואבק עלולים למנוע הידבקות טובה, ניתן להשתמש בצדדים המנוגדים של הפינצטה כדי להבטיח הצמדה טובה. מילוי.

התעלה נוצרת על ידי חיבור מזרק לצד אחד, הנחת הצד השני בתמיסת מיקרוספירות פוליסטירן והפעלת שאיבה עדינה. לאחר הנחת הדגם במיקרוסקופ וכיוון המיקוד, מתבצעים החיבורים החשמליים לגנרטור הפונקציות. לאחר טעינת הדגימות וביצוע החיבורים, המכשירים מוכנים לניסוי.

כל סרטוני הניסויים שיוצגו מורכבים מהזרקה של תרחיף מימי של מיקרוספירות פוליסטירן בגודל שני מיקרון אל תוך התעלה והגשת אות לאלקטרודות. בתחילה, החלקיקים מפוזרים באופן אקראי ומציגים תנועה בראונית. כאשר מופעל אות ה-one killer, החלקיקים מסתדרים במהירות במרכז האלקטרודה.

יש לזכור, מאחר שאנו משתמשים בשדה AC, איננו חשים בכוח KIC. התנהגות מרתקת זו נובעת מדפוסי הזרימה שנוצרו וכן מכוחות המשיכה של די-אלקטרופורזה. ככל שהתדר עולה, החלקיקים מתחילים להתפזר לאורך רוחב האלקטרודה.

כאשר מהירות האלקטרו-אוסמוזה בזרם חילופין (AC) פוחתת והדי-אלקטרופורזה מתחילה להשתלט בתדר של 56 kilohertz, החלקיקים ננדרים לעבר קצה האלקטרודה. ככל שכוחות האלקטרו-אוסמוזה של ה-AC דועכים והדי-אלקטרופורזה חיובית הופכת לדומיננטית. כפי שמוצג בדיאגרמה זו, התנהגות זו נמשכת ב-100 kilohertz, והחלקיקים מעוגנים כעת בצורה חזקה לקצה האלקטרודה.

כאשר התדר מוגבר עוד יותר ל-250 kilohertz, החלקיקים מתחילים להסתדר לרוחב המרווח והופעת התופעה המכונה "שרשרת פנינים" (pearl chain), הנגרמת מאינטראקציות בין חלקיקים; ב-500 kilohertz חלקיקים נדחקים מקצה האלקטרודה מכיוון שדי-אלקטרופורזה (DEP) שלילית היא הדומיננטית. ניתן להסביר זאת באמצעות גורם ה-Clausius-Mossotti, שמשתנה מחיובי לשלילי עם העליית התדר, דבר הגורם למעבר מדי-אלקטרופורזה חיובית לדי-אלקטרופורזה שלילית. ב-1 megahertz, ה-DEP השלילית קרובה לערכה המקסימלי, והחלקיקים מרחפים מעל האלקטרודה.

עלייה במוליכות גורמת לשינוי משמעותי במקדם ה-CM. כפי שניתן לראות, אין יותר DEP חיובי, דבר המשנה באופן דרסטי את התנהגות החלקיקים. יש לזכור זאת בעת סריקת אותו טווח תדרים; כאשר אנו מפעילים אות של 1 kHz, החלקיקים נעים במסלול מעגלי מחוץ למישור לאורך קצה האלקטרודה.

המבט מלמעלה המסופק על ידי המיקרוסקופ מראה רק תנועה צידית של החלקיקים, כפי שמוצג באנימציה זו. מבט זה, המראה את החלקיקים נעים הלוך ושוב, מסתיר את התנועה האמיתית של החלקיקים כפי שהיא נראית מהצד. ניתן לראות את טבעה האמיתי של תנועתם ביתר קלות.

הם למעשה נמצאים במסלול; הסיבה לכך שהם מסתובבים במסלול ואינם נלכדים במרכז של כל אלקטרודה, כפי שסבורים, היא שרכיב ה-DEP הוא הפוך. ככל שהתדר ממשיך לעלות, חלקיקים מתחילים להתאחה לצבורים תוך שמירה על אותה תנועה מסלולית. התסבך הזה נובע מאינטראקציה בין חלקיקים.

מקורם של אינטראקציות אלו, כפי שסבורים, הוא בעיוותים קלים בשדה החשמלי הנגרמים על ידי החלקיקים עצמם. העיוותים סביב החלקיקים יוצרים כוחות DEP, המושכים חלקיקים סמוכים. עם המשך העלאת התדר, חל שינוי דרמטי בתדר של כ-250 kilohertz.

החלקיקים מפסיקים במידה רבה את התנועה המסלולית ויוצרים שורה של שינויים המהווים ביטוי נוסף של אינטראקציית חלקיק-חלקיק. בסופו של דבר, כאשר התדירות עולה עוד יותר, בנקודה זו, ב-1 MHz, דחייה עקב DEP שלילי דוחפת את החלקיקים כלפי מעלה ומחוץ למישור המוקד של המיקרוסקופ.

שנית, נציג אלקטרודה מסוג יצוקה הפועלת במוליכות נמוכה. עיצוב אלקטרודה זה דומה לסוג הקודם בכך שהיא בעלת מבנה של אצבעות משולבות (interdigitated), אך האצבעות הישרות הוחלפו בצורה מורכבת יותר. בתדר של one kilohertz, איסוף החלקיקים מתרחש במרכז נקודות המפגש ויוצר במהירות צורה של מעוין.

ככל שהתדירות עולה, אנו רואים את אותה התפשטות של החלקיקים שנאספו. כאשר האלקטרו-אוסמוזה של AC מתחילה דועך וה-DEP תופס את השליטה, בדומה למה שקרה קודם, תדירות של 56 kilohertz גורמת לחלקיקים להגר בעדינות אל קצה האלקטרודה. באופן מעניין, כמעט כל החלקיקים נעים לצד אחד, מה שעשוי לנבוע מלחץ הידרוסטטי כלשהו.

הן נעות במהירות רבה יותר. ב-100 kilohertz ה-CEO נעלם כמעט לחלוטין. ב-250 kilohertz, החלקיקים מתחילים ליצור שרשראות פרו.

ה-DEP השלילי שנגרם כתוצאה ממעבר ל-500 kilohertz דוחף את החלקיקים הרחק מקצה האלקטרודה. העלאה נוספת של התדר ל-one megahertz גורמת לחלקיקים לנוע כלפי מעלה מחוץ למישור המיקוד, כיוון שהם נדחים אף יותר על ידי די-אלקטרופורזה שלילית. לאחר מכן, נציג סוג של אלקטרודה משוכללת (castellated) הפועלת במוליכות גבוהה.

דפוס הסיבוב שנוצר עם סוג אלקטרודה זה מופיע בצורה הדרמטית ביותר בפינות הפנימיות של האלקטרודות, ושם מחלחלים בסופו של דבר החלקיקים. התנהגות הקיצוץ בצורת מעוין שראינו קודם לכן אינה קיימת כאן, מכיוון שאין די-אלקטרופורזה חיובית במוליכות זו. ככל שהתדר עולה, מהירות הנוזל פוחתת לאט.

כיוון שכוחות אלקטרו-אוסמוזה של זרם חילופין (AC) דועכים ב-56 kilohertz, התנועה איטית מאוד ובמקומות מסוימים חלקיקים מתחילים להי뭉ל ולהוות שרשראות פנינה ב-100 kilohertz. שרשראות הפנינה ברורות למדי. עם העלייה ההדרגתית בתדר, גושי חלקיקים מתאגדים ויוצרים צורות X בכל אחת מהפינות.

לבסוף, בתדר של one megahertz, השראיות של שרשראות הפרו נגברות על ידי DEP שלילי וחלקיקים נדחים מהפני השטח. תכנון ה-Quadruple המוצג כאן יוצר אזור בעוצמת שדה חשמלי נמוכה במרכז תבנית האלקטרודה, והוא מתוכנן להשתמש בדיאלקטרופורזיס שלילי כדי למקד חלקיקים. כאשר אנו מפעילים 10 volts על האלקטרודות, אנו עדים למיקוד דרמטי של חלקיקים.

נאיץ מעט את הזמן כדי שנוכל לראות כיצד נראים החלקיקים בשיווי משקל. אם נוריד את המתח לשני וולט, נראה את האזור הממוקד מתחיל להתרחב. ככל שהדיאלקטרופורזה מאבדת ממסלולה מול התנועה הברואנית, הגדלה חוזרת של המתח גורמת לחלקיקים לנוע חזרה לעבר המרכז.

בדומה לתבנית הריבועית (quadruple pattern), באר הפוטנציאל יוצרת אזורים בעלי שדה חשמלי נמוך על מנת ללכוד חלקיקים. האלקטרודות מסודרות במבנה משולב (interdigitated), כך שניתן להבחין כאן גם בהשפעות אחרות שכבר ראינו. כאשר מופעלים האותים, אנו רואים לכידה מהירה של חלקיקים עקב CEO ו-DEP.

עם זאת, האפקט המעניין יותר הוא מה שקורה בריבועים החלולים. חלקיקים נאספים כאן עקב די-אלקטרופורזה שלילית לאחר שחלף זמן מה. אנו רואים גם הצטברות של חלקיקים משני צדי באר הפוטנציאל בצורת משולשים.

הרגע הצגנו חלק מהפיזיקה המעניינת העומדת בבסיס האלקטרוקינטיקה של זרם חילופין (AC electrokinetics), כיצד לייצר התקנים אלו וכיצד לפרש תוצאות ניסיוניות בהתבסס על סימולציות נומריות והפיזיקה הבסיסית. תופעות אלו, העוסקות בתנועת חלקיקים, קשות למדי להבנה ללא עזרים חזותיים. ניתן להשתמש בתופעות אלקטרוקינטיות של זרם חילופין בתחומי מחקר רבים.

לדוגמה, איסוף חלקיקים עבור יישומים של חיישנים ביולוגיים, הפרדה של חלקיקים בעלי תכונות שונות כגון גודל וצורה לצורך עיבוד דגימות, וערבוב אקטיבי לשיפור הבדיקה. אנו מקווים שסרטון זה יעזור למדענים ולמהנדסים להשתמש ולהכין התקני קינטיקה חשמלית בזרם חילופין (AC), אחד התחומים החשובים והצומחים ביותר בקהילת המעבדה על שבב. ובכן, זה הכל.

תודה שצפיתם ובהצלחה בניסוייכם.