Fenomeni AC elettrocinetico Generato da strutture microelettrodo

Negli ultimi anni, la comunità scientifica che si occupa di sistemi lab-on-a-chip ha accolto con entusiasmo una tecnologia nota come elettrocinetica in corrente alternata (AC). Questo insieme di fenomeni può essere utilizzato per manipolare particelle e fluidi su scala micrometrica e nanometrica in modo rapido e versatile, diventando rapidamente essenziale per numerose applicazioni nei biochip. In questo video, illustreremo i fondamenti dell'elettrocinetica in corrente alternata con un livello di dettaglio sufficiente a supportare altri scienziati e ingegneri che potrebbero trarre vantaggio dall'utilizzo di questi fenomeni nelle loro ricerche.

Ciao, mi chiamo Robert Hart e sono uno studente di dottorato qui alla Drexel, presso il dipartimento di Ingegneria Biomedica, Scienze e Sistemi Sanitari. Inizieremo questo video con una breve descrizione della fisica alla base della cinetica elettrica in corrente alternata. Successivamente passeremo alla fabbricazione del dispositivo e, infine, mostreremo alcuni video sulla elettrocinetica in corrente alternata spiegando ciò che accade.

La prima delle tre forze che descriveremo è nota come dielettroforesi. Qui osserviamo un campo elettrico generato tra due elettrodi immersi. Se introducessimo una particella dielettrica in questo campo elettrico, essa si polarizzerebbe.

Come si può vedere, le cariche sulla particella sono bilanciate dalle cariche presenti nel liquido. Se la particella sia più polarizzabile o meno rispetto al liquido può essere determinato dal fattore MoSo in un campo elettrico uniforme. Le particelle subiscono una forza netta nota.

Tuttavia, in un campo elettrico non uniforme, come quello mostrato qui, le particelle più polarizzabili si muovono verso aree di elevata intensità del campo elettrico poiché subiscono una dielettroforesi positiva; cambiando la frequenza in modo da invertire la polarizzabilità, si ottiene l'effetto opposto noto come dielettroforesi negativa, nel quale le particelle si allontanano dalle zone di elevata intensità del campo elettrico. La seconda forza è l'elettroosmosi in corrente alternata: alla base dell'elettroosmosi in corrente alternata vi è la formazione dello strato elettrico doppio dovuta al potenziale elettrico. Alla superficie, questa regione è suddivisa nello strato di Stern, costituito da ioni immobili rigidamente legati alla superficie, e nello strato diffuso, che contiene ioni che, pur essendo legati, possono ancora muoversi lateralmente.

Se osserviamo uno degli ioni vicino al bordo dell'elettrodo, notiamo che subisce una forza di raffreddamento generata dal campo elettrico. La componente Y della forza è bilanciata dalla presenza di cariche sulla superficie. Di conseguenza, l'ione subisce una forza laterale netta diretta verso il centro dell'elettrodo; gli ioni su entrambi i lati si muovono verso il centro dell'elettrodo in numero sufficiente da trascinare con sé il fluido.

La convergenza di questi due flussi provoca un movimento verso l'alto del fluido al centro e si genera un modello fluido rotazionale. La commutazione del potenziale non influenza la direzione del modello fluido poiché anche gli ioni controllati sono invertiti. Il terzo e ultimo fenomeno è l'effetto idrotermale in corrente alternata.

Quando un campo elettrico viene applicato a un liquido, il riscaldamento JUUL provoca gradienti di temperatura. Come mostrato nella simulazione, le proprietà elettriche dell'acqua cambiano. Di conseguenza, queste perturbazioni nelle proprietà elettriche interagiscono con il campo elettrico generando una forza di volume.

Il movimento risultante, simile all'elettroosmosi in corrente alternata, è di natura rotazionale nonostante la diversa origine. Abbiamo menzionato brevemente l'effetto idrotermico in corrente alternata per completezza, ma gli effetti dell'effetto idrotermico sono sottili. Nelle condizioni operative dei nostri esperimenti, a partire dai principi matematici alla base di ciascuna delle tre forze, è stata creata una simulazione numerica agli elementi finiti, che mostra la forza combinata totale agente su una particella di polistirene di due micron. Per ogni posizione nel canale, la simulazione agli elementi finiti che abbiamo eseguito considera una sezione trasversale bidimensionale degli elettrodi e si concentra su un solo elettrodo.

La prima simulazione mostra un mezzo a bassa conducibilità e progredisce da 100 hertz a un megahertz a basse frequenze. L'elettroosmosi in corrente alternata è dominante, come si può osservare dal modello delle forze rotazionali. Procedendo, la dielettroforesi positiva prende il sopravvento, come illustrato dalle forze attrattive dirette verso ciascun angolo dell'elettrodo.

Quando la frequenza aumenta oltre una soglia, la DEP positiva cede il passo alla DEP negativa e le particelle vengono respinte a una certa altezza in cui sono bilanciate dalla forza di gravità. Ora eseguiremo le stesse frequenze a conducibilità elevata. A conducibilità elevata, la forza elettrosmotica in corrente alternata è generalmente meno intensa rispetto a quella a conducibilità bassa e la velocità massima si verifica a una frequenza più alta.

Inoltre, si noti che non vi è DEP positiva poiché la conducibilità è troppo elevata. L'elettroosmosi in corrente alternata cede direttamente il passo alla DEP negativa con una conducibilità e una tensione più elevate. L'effetto elettrodermico sarà mostrato in modo molto più chiaro.

In questa sezione, parleremo della fabbricazione e dell'assemblaggio del dispositivo. I dispositivi stessi consistono in elettrodi d'oro depositati su un substrato. In questo caso, vetro.

Mostreremo un metodo di incisione umida per ottenere questo risultato, ma anche il noto procedimento di sollevamento (liftoff) viene utilizzato regolarmente e sarà mostrato in seguito. I quattro design che stiamo utilizzando sono: interdigitati paralleli, merlati paralleli, pozzo di potenziale e quadruplo. Una breve descrizione del processo è la seguente.

Prima, uno strato di cromo e oro viene depositato sul substrato di vetro. Successivamente, il substrato viene ricoperto con un fotoresist e il pattern degli elettrodi viene trasferito dalla maschera al substrato mediante esposizione UV a contatto.

Dopo lo sviluppo, il cromo e l'oro vengono rimossi mediante incisione e il photoresist viene eliminato. Per garantire un'ottima adesione, le lamelle di vetro devono essere molto pulite. Questo viene comunemente ottenuto utilizzando una soluzione piranha riscaldata, costituita da acido solforico e perossido di idrogeno.

È necessario prestare la massima attenzione quando si lavora con questa combinazione pericolosa. Dopo la pulizia, i substrati vengono essiccati e sono pronti per la deposizione del metallo. Questo passaggio viene eseguito in un evaporatore a fascio di elettroni.

I vetrini di vetro vengono posizionati sul portacampioni con il cappuccio adesivo, specificatamente adatto a resistere alle condizioni di deposizione. Successivamente, i campioni vengono inseriti nella macchina e sottoposti a vuoto. Il processo prevede una breve deposizione di cromo della durata di due minuti e una deposizione di oro della durata di 30 minuti, ottenendo rispettivamente circa 20 e 200 nanometri.

Quando i campioni vengono rimossi, la superficie d'oro è chiaramente visibile. La fotolitografia inizia con un rivestimento di resist fotosensibile utilizzando una macchina per la deposizione a centrifuga. Il resist fotosensibile viene dispensato con una pipetta sul substrato, che è posizionato su un mandrino all'interno della macchina.

Uno strato uniforme di resist viene creato facendo ruotare il vetro a una velocità specifica, rimuovendo così la maggior parte del resist in eccesso. Questo processo è seguito da una cottura preliminare di due minuti a 100 gradi C, che indurisce il resist e lo prepara all'esposizione ai raggi UV. Successivamente, la maschera fotolitografica viene posta a contatto con il nostro substrato ed esposta alla luce UV per circa otto secondi.

Questo trasferisce il disegno al photoresist. Il passaggio di sviluppo rimuove tutte le aree del photoresist esposte alla luce. Questo processo completa la fase di fotolitografia e siamo pronti per l'incisione di oro e cromo.

Le aree del nostro substrato che sono state esposte nel processo di sviluppo sono ora libere di essere incise. La resist fotografica protegge efficacemente il resto della superficie, ma, come in tutti i passaggi, il tempo di incisione deve essere accuratamente controllato. Qui osserviamo i substrati che vengono posti nell'oscurità, in una soluzione di iodio per l'incisione dell'oro.

Dopo aver sciacquato con acqua, il cromo viene rimosso mediante la mordenzatura del cromo. Osservare la trasformazione che avviene quando il vetro diventa nuovamente trasparente. Una volta rimosso il cromo, un confronto tra i substrati mordenzati e quelli non mordenzati mostra i risultati.

Un'ispezione rapida al microscopio mostra l'esito positivo del processo. Qui vediamo un dispositivo realizzato con successo con le connessioni elettriche già effettuate. Accanto è posizionato un canale PD DS con connessioni tubolari.

Quando il canale in PDMS viene posizionato su un dispositivo, si forma un sigillo molto efficace con il vetro e il liquido può fluire attraverso il canale. Questa operazione viene eseguita con attenzione utilizzando una pinzetta. Poiché impronte digitali e polvere possono ostacolare un'adeguata adesione, i lati opposti della pinzetta possono essere utilizzati per garantire un buon fissaggio. Riempimento.

Il canale viene realizzato collegando una siringa a un'estremità, immergendo l'altra in una sospensione di microsfere di polistirene ed esercitando una leggera aspirazione. Una volta posizionato sul microscopio e messo a fuoco, si effettuano i collegamenti elettrici al generatore di funzioni. Con i campioni caricati e i collegamenti eseguiti, i dispositivi sono ora pronti per un esperimento.

Tutti i video sperimentali che mostreremo consistono nell'iniettare una sospensione acquosa di microsfere di polistirene di due micron nel canale e nell'applicare un segnale agli elettrodi. Inizialmente, le particelle sono distribuite in modo casuale e mostrano un moto browniano. Quando viene applicato il segnale, le particelle si allineano rapidamente al centro dell'elettrodo.

Tenere presente che, poiché stiamo utilizzando un campo CA, non stiamo osservando la forza KIC. Questo affascinante comportamento è dovuto ai modelli fluidi generati, nonché alle forze attrattive della dielettroforesi. Aumentando la frequenza, le particelle iniziano a disperdersi lungo la larghezza dell'elettrodo.

Quando la velocità elettroosmotica in corrente alternata diminuisce e la dielettroforesi inizia a prevalere a 56 chilohertz, le particelle migrano verso il bordo dell'elettrodo. Man mano che le forze elettroosmotiche in corrente alternata si attenuano e la dielettroforesi positiva diventa predominante, come mostrato in questo diagramma, questo comportamento prosegue a 100 chilohertz e le particelle sono ora saldamente ancorate al bordo dell'elettrodo.

Quando la frequenza viene ulteriormente aumentata a 250 chilohertz, le particelle iniziano a disporsi in fila attraverso il gap, mostrando il cosiddetto comportamento a catena di perle; a 500 chilohertz le particelle sono respinte dal bordo dell'elettrodo poiché prevale la DEP negativa. Questo fenomeno può essere spiegato dal fattore di Clausius-Mossotti, che passa da positivo a negativo con l'aumento della frequenza, determinando una transizione dalla dielioforesi positiva alla dielioforesi negativa a un megahertz. La DEP negativa è prossima al suo valore massimo e le particelle vengono sollevate al di sopra dell'elettrodo.

Un aumento della conducibilità provoca un cambiamento significativo nel fattore CM. Come si può osservare, non vi è più DEP positivo, il che modifica drasticamente il comportamento delle particelle. Tenerne conto mentre si esplora lo stesso intervallo di frequenze, quando si applica un segnale di un chilohertz le particelle orbitano fuori piano lungo il bordo dell'elettrodo.

La vista superiore fornita dal microscopio mostra solo il movimento laterale delle particelle, come dimostrato in questa animazione. Questa vista, che mostra le particelle muoversi avanti e indietro, nasconde il vero moto delle particelle quando osservate lateralmente. La vera natura del loro movimento può essere osservata più facilmente.

In realtà, orbitano attorno al centro; si ritiene che non siano intrappolati al centro di ciascun elettrodo a causa dell'inversione del componente di DEP. Quando la frequenza continua ad aumentare, le particelle iniziano ad aggregarsi in grumi mantenendo lo stesso movimento orbitale. Questo raggruppamento è dovuto all'interazione tra particelle.

Si ritiene che l'origine di questa interazione sia dovuta alle lievi distorsioni del campo elettrico causate dalle stesse particelle. Le distorsioni attorno alle particelle generano forze di DEP, che attraggono le particelle vicine. Proseguendo con l'aumento della frequenza, si verifica un cambiamento drammatico a circa 250 chilohertz.

Le particelle interrompono in gran parte il moto orbitale e formano un cambiamento, un'altra manifestazione dell'interazione tra particelle. Alla fine, quando la frequenza aumenta ulteriormente, a questo punto un megahertz di repulsione dovuta alla DEP negativa spinge le particelle verso l'alto e fuori dal piano focale del microscopio.

Successivamente, mostreremo un elettrodo di tipo cast elated che funziona a bassa conducibilità. Questa progettazione dell'elettrodo è simile a quella del tipo precedente poiché è interdigitata, ma le dita dritte sono state sostituite con una forma più complessa. A un chilohertz, il recupero delle particelle avviene al centro delle intersezioni e forma rapidamente una figura a diamante.

All'aumentare della frequenza, osserviamo la stessa dispersione delle particelle raccolte. Mentre l'elettroosmosi in corrente alternata inizia a diminuire e prende il sopravvento la dielettroforesi, come in precedenza, 56 chilohertz causa una lenta migrazione delle particelle verso il bordo dell'elettrodo. In modo interessante, quasi tutte le particelle si spostano da un lato, fenomeno che potrebbe essere dovuto a una certa pressione idrostatica.

Si muovono molto più velocemente. A 100 chilohertz, come CEO è quasi completamente scomparsa. A 250 chilohertz, le particelle iniziano a formare catene pro.

La DEP negativa causata dal passaggio a 500 kilohertz spinge le particelle lontano dal bordo dell'elettrodo. Aumentando ulteriormente la frequenza fino a un megahertz, le particelle si spostano verso l'alto, uscendo dal piano focale, poiché vengono respinte ancora di più dalla dielettroforesi negativa. Successivamente, mostreremo un tipo di elettrodo merlato in funzionamento ad alta conducibilità.

Il modello rotazionale generato con questo tipo di elettrodo si manifesta in modo più evidente negli angoli interni degli elettrodi, e proprio in questi punti le particelle finiscono per migrare. Il comportamento di frammentazione a forma di rombo osservato in precedenza non è presente in questo caso, poiché non si verifica dielettroforesi positiva a questa conducibilità. All'aumentare della frequenza, la velocità del fluido diminuisce gradualmente.

Poiché le forze di elettro-osmosi in corrente alternata si attenuano a 56 kilohertz, il movimento è molto lento e in alcuni punti le particelle iniziano ad aggregarsi e a formare catene di perle a 100 kilohertz. Le catene di perle sono abbastanza evidenti. Aumentando lentamente la frequenza, gli aggregati di particelle si fondono e formano strutture a forma di X in corrispondenza di ciascun angolo.

Infine, a un megahertz, le catene proteiche sono soggette a DEP negativa e le particelle vengono respinte dalla superficie. La progettazione quadrupla mostrata qui crea un'area di bassa intensità del campo elettrico al centro del pattern degli elettrodi ed è concepita per utilizzare la dielettroforesi negativa al fine di focalizzare le particelle. Quando applichiamo 10 volt agli elettrodi, osserviamo una marcata focalizzazione delle particelle.

Accelereremo leggermente il tempo in modo da poter osservare l'aspetto delle particelle a equilibrio raggiunto. Riducendo la tensione a un volt, vediamo l'area focalizzata iniziare ad espandersi. Man mano che la dielettroforesi perde efficacia rispetto al moto browniano, un nuovo aumento della tensione provoca il ritorno delle particelle verso il centro.

Come nel caso del motivo quadruplo, il pozzo di potenziale crea aree a basso campo elettrico al fine di intrappolare le particelle. Gli elettrodi sono interdigitati, quindi anche qui possono essere osservati altri effetti già visti in precedenza. Quando vengono applicati i segnali, si osserva un rapido intrappolamento delle particelle dovuto a CEO e DEP.

L'effetto più interessante, tuttavia, è ciò che accade nei quadrati cavi. Le particelle qui vengono raccolte a causa della dielettroforesi negativa dopo un certo periodo di tempo. Osserviamo inoltre una certa raccolta su entrambi i lati del pozzo di potenziale, con una forma triangolare.

Abbiamo appena illustrato alcuni degli aspetti fisici più interessanti alla base dell'elettrocinetica in corrente alternata, come realizzare questi dispositivi e come interpretare i risultati sperimentali sulla base di simulazioni numeriche e della fisica sottostante. Questi fenomeni, che riguardano il movimento di particelle, sono piuttosto difficili da comprendere senza l'ausilio di supporti visivi. I fenomeni elettrocinetici in corrente alternata possono essere utilizzati in molti settori della ricerca.

Ad esempio, la raccolta di particelle per applicazioni di biosensori, la separazione di particelle con proprietà diverse come dimensione e forma per l'elaborazione dei campioni e il mescolamento attivo per il miglioramento dei saggi. Speriamo che questo video aiuti scienziati e ingegneri a utilizzare e realizzare dispositivi basati sulla cinetica elettrica in corrente alternata, uno dei settori più importanti e in crescita della comunità "lab on a chip". Bene, questo è tutto.

Grazie per aver guardato e buona fortuna con i vostri esperimenti.