マイクロ電極の構造によって生成されたAC動電現象

ここ数年、ラボ・オン・チップのコミュニティでは、AC電気動力学（AC Electrokinetics）として知られる刺激的な技術が取り入れられています。一連の現象を用いることで、ミクロンからナノメートルスケールの粒子や流体を、迅速かつ多用途な波として操作することができ、多くのバイオチップへの応用において不可欠なものとなりつつあります。このビデオでは、自身の研究にこれらの現象を活用したいと考えている他の科学者や技術者の役に立つよう、AC電気動力学の基礎について詳細に解説します。

こんにちは。私はロバート・ハートです。ドレクセル大学の生物医学工学科学・ヘルスシステム学科の博士課程に在籍しています。このビデオでは、まずAC電場動力学の背後にある物理学的原理について簡潔に説明します。次に、デバイスの作製について詳しく解説し、最後にAC電場動力学のビデオ映像とともに、そこで何が起きているのかを説明します。

説明する3つの力の最初の1つは、誘電泳動として知られています。ここでは、浸漬された2つの電極間に生成された電界を示しています。この電界に誘電体粒子を置くと、粒子は分極します。

見ての通り、粒子の電荷は液体内の電荷によって相殺されています。粒子が液体よりも分極しやすいか、あるいは分極しにくいかは、一様な電場における古典的なMoSo係数によって決定できます。粒子には既知の正味の力が作用します。

しかし、ここに示されているような不均一電界においては、分極率の高い粒子は正の誘電泳動を受けるため、電界強度の高い領域へと移動します。周波数を変更して分極性を切り替えると、負の誘電泳動として知られる逆の効果が生じ、粒子は電界強度の高い領域から遠ざかります。2つ目の力はAC電気浸透流であり、AC電気浸透流の根幹には、電位による電気二重層の形成があります。表面において、この領域は、表面に強固に結合して移動できないイオンからなるシュテルン層と、結合してはいるものの側方向への移動が可能なイオンを含む拡散層に分かれています。

電極の端付近にあるイオンの一つを調べると、電場から冷却力を受けていることがわかります。力のY成分は、表面に電荷が存在することで相殺されます。したがって、イオンは電極の中心に向かう正味の側方力を受けます。電極の両側にあるイオンは電極の中心に向かって移動し、流体を一緒に引きずるのに十分な数のイオンが集まります。

これら2つの流れが合流することで、中心部の流体が上方へ移動し、回転流パターンが現れます。電位を切り替えても、対イオンも同時に切り替わるため、流体パターンの方向に影響はありません。3つ目の最後の現象は、AC水熱効果です。

液体に電場を印加すると、JUUL加熱によって温度勾配が生じます。シミュレーションに示されているように、水の電気的特性が変化します。その結果、これらの電気的特性の摂動が電場と相互作用し、体積力が生じます。

結果として生じるAC電気浸透のような運動は、その起源が異なるにもかかわらず、本質的に回転性です。完全を期すためにAC熱水効果について簡潔に言及しましたが、熱水効果の影響はわずかです。我々の実験の動作条件下において、3つの力のそれぞれに背後にある数学的原理に基づき、有限要素数値シミュレーションを作成しました。これにより、チャネル内の各位置で2 µmのポリスチレン粒子に作用する全合力が示されます。実行した有限要素シミュレーションでは、電極の2次元断面を取り、そのうちの1つにのみ焦点を当てています。

最初のシミュレーションでは、低導電率培地を用いて、低周波数の100 hertzから1 megahertzまで変化させます。回転力のパターンからわかるように、AC電気浸透が支配的となります。さらに周波数を上げると、各電極のコーナーに向かう吸引力によって示されるように、正の誘電泳動が支配的になります。

周波数がしきい値を超えて増加すると、正のDEPが負のDEPによる影響を受け、粒子はある一定の高さまで反発し、そこで重力と均衡します。次に、高導電率条件下で同様の周波数走査を行います。高導電率では、一般にAC電気浸透力は低導電率のときよりも弱くなり、ピーク速度はより高い周波数で現れます。

また、導電率が高すぎるため、正のDEPは発生しないことに注意してください。導電率と電圧が高くなると、AC電気浸透流から直接、負のDEPへと移行します。これにより、電気皮膚効果がより明確に示されます。

このセクションでは、デバイスの作製と組み立てについて説明します。デバイス本体は、基板上にパターン形成された金電極で構成されています。本手法では、基板にガラスを使用します。

これを実現するためのウェットエッチング法を紹介しますが、一般的によく知られているリフトオフ法も日常的に使用されており、後ほど紹介します。使用する4つのデザインは、平行インターディジテート型、平行キャステレーション型、ポテンシャルウェル型、およびクアドラプル型です。プロセスの概要は以下の通りです。

まず、ガラス基板上にクロムと金の層を堆積させます。次に、基板にフォトレジストを塗布し、UVコンタクト露光を用いて、マスクから基板へ電極パターンを転写します。

現像後、クロムと金をエッチングして除去し、フォトレジストを剥離します。良好な密着性を得るためには、ガラススライドを非常に清潔な状態にする必要があります。これは通常、硫酸と過酸化水素からなる加熱ピラニア溶液を用いて行われます。

この危険な組み合わせを扱う際は、細心の注意を払う必要があります。洗浄後、基板を乾燥させ、金属蒸着の準備をします。この工程は電子ビーム蒸着装置で行います。

ガラススライドを、蒸着条件に耐えるよう特別に設計されたテープ付きのサンプルホルダーにセットします。次に、サンプルを装置にロードし、真空排気を行います。この工程は、2分間の短いクロム蒸着と30分間の金蒸着で構成され、それぞれ約20 nmおよび200 nmの厚さで堆積させます。

サンプルを取り出すと、金表面がはっきりと見えます。フォトリソグラフィーは、スピンコーターを用いてフォトレジストを塗布することから始まります。装置内のチャックに固定した基板上に、ピペットでフォトレジストを滴下します。

ガラスを特定の速度で回転させることで、余分なフォトレジストの大部分が除去され、均一なフォトレジスト層が形成されます。続いて、100 °Cで2分間のソフトベークを行います。これによりフォトレジストが硬化し、UV露光への準備が整います。次に、フォトマスクを基板に密着させ、約8秒間UV光を照射します。

これにより、パターンがフォトレジストに転写されます。現像ステップでは、光に曝露されたフォトレジストのすべての領域が除去されます。この工程でフォトリソグラフィ段階が完了し、金およびクロムのエッチング準備が整います。

現像工程で露出した基板上の領域は、これでエッチング可能な状態になります。フォトレジストが表面のその他の部分を効果的に保護しますが、他のすべての工程と同様に、エッチング時間は慎重に制御する必要があります。ここでは、基板を遮光下でヨウ素ベースの金エッチング液に浸漬させる様子を示しています。

水で洗浄した後、クロムエッチングによってクロムを除去します。ガラスが再び透明になる変化に注目してください。クロムの除去後、エッチング済み基板と未エッチング基板を比較して、その結果を確認します。

顕微鏡下で迅速に検査し、プロセスの成否を確認します。ここでは、電気的接続が完了し、作製に成功したデバイスを確認できます。その隣には、チューブ接続がなされたPDMSチャネルがあります。

PDMSチャネルをデバイス上に配置すると、ガラスとの間に非常に効果的なシールが形成され、チャネル内を液体が流れるようになります。この操作はピンセットを用いて慎重に行います。指紋やほこりは良好な接着を妨げる可能性があるため、確実な貼り付けを行うためにピンセットの反対側を使用することがあります。充填。

シリンジを一方に取り付け、もう一方をポリスチレンマイクロスフェア懸濁液に浸し、緩やかに吸引することでチャネルを作成します。顕微鏡下に設置して焦点を合わせた後、ファンクションジェネレータに電気的に接続します。サンプルを充填し、接続を完了させることで、デバイスは実験準備が整ったことになります。

これから提示するすべての実験動画では、2 µmのポリスチレン微小球の水性懸濁液をチャネルに注入し、電極に信号を印加しています。初期状態では、粒子はランダムに分布し、ブラウン運動を示します。信号が印加されると、粒子は速やかに電極の中心に整列します。

AC電場を使用しているため、KIC力は作用していないことに留意してください。この興味深い挙動は、生成される流体パターンおよび誘電泳動による引力によるものです。周波数を上げると、粒子は電極の幅に沿って広がり始めます。

56 kHzでAC電気浸透流の速度が低下し、誘電泳動が支配的になると、粒子は電極の端へと移動します。AC電気浸透力は消失し、正の誘電泳動が優勢になります。この図に示すように、この挙動は100 kHzでも継続し、粒子は電極の端にしっかりと固定されます。

周波数をさらに250 kHzまで上げると、粒子がギャップ間に沿って配列し始め、いわゆるパールチェーン挙動が生じます。500 kHzでは、粒子間相互作用により粒子が電極端から反発されます。これは、周波数の上昇に伴い正から負に変化するクラウジウス-モソッティ（Clausius-Mossotti）係数によって説明でき、1 MHzでは正の誘電泳動から負の誘電泳動への移行が起こります。負の誘電泳動が最大値付近に達し、粒子は電極の上方に浮遊します。

導電率の増加により、CM因子の重要な変化が生じます。ご覧の通り、正のDEP（誘電泳動）が見られなくなり、粒子の挙動が劇的に変化します。同じ周波数範囲を掃引する際にこの点に留意してください。1 kHzの信号を印加すると、粒子は電極端に沿って平面外を周回します。

顕微鏡による上面図では、このアニメーションで示されているように、粒子の横方向の動きのみが見えます。粒子が前後に移動しているように見えるこの視点では、側面から見たときの粒子の真の動きが隠れています。粒子の運動の真の性質は、より容易に観察することが可能です。

実際には、粒子は軌道運動を行っています。粒子が中心に捉われず軌道上にある理由は、DEP成分が反転しているためと考えられています。周波数がさらに上昇すると、粒子は同じ軌道運動を維持したまま凝集し始めます。この凝集は、粒子間の相互作用によるものです。

この相互作用の起源は、粒子自体によって引き起こされるわずかな電界の歪みによるものと考えられています。粒子周辺の歪みがDEP力を生じさせ、これにより近接する粒子が引き寄せられます。さらに周波数を上げていくと、約250 kilohertzで劇的な変化が起こります。

粒子は大部分が軌道運動を停止し、粒子間相互作用の別の現れであるプロチェンジを形成します。最終的に、周波数がさらに高くなると、1 MHzの時点で、負のDEPによる反発力が粒子を上方に押し上げ、顕微鏡の焦点面から外へ追い出します。

次に、低導電率で動作するキャスト電極タイプについて説明します。この電極設計は、インターディジテーション構造である点は前述のタイプと同様ですが、直線状のフィンガー部分がより複雑な形状に置き換えられています。1 kHzにおいて、粒子の捕捉は交差部分の中心で起こり、急速にダイヤモンド形状を形成します。

周波数が上昇するにつれて、収集された粒子に同様の分散が見られます。AC電気浸透流が減衰し、DEPが支配的になると、以前と同様に 56 kHz で粒子が電極端へゆっくりと移動します。興味深いことに、ほとんどすべての粒子が片側に移動しており、これはある種の静水圧によるものである可能性があります。

それらはより速く移動します。100 kHzでは、CEOはほぼ完全に消失しています。250 kHzになると、粒子が鎖状に形成され始めます。

周波数を500 kHzに移行させることで生じる負のDEPにより、粒子は電極端から遠ざけられます。さらに周波数を1 MHzまで上げると、負の誘電泳動による反発力がさらに強まり、粒子が焦点面から上方に移動します。次に、高導電性で動作するキャステレーション電極について説明します。

この電極タイプで生成される回転パターンは、内側の電極コーナーで最も顕著に現れ、最終的に粒子はこの場所に集積します。この電導度では正の誘電泳動が起こらないため、先に見たダイヤモンド形状のチョッピング挙動はここでは現れません。周波数が高くなるにつれて、流速は緩やかに減少します。

AC電気浸透力は56 kHzで減衰するため、動きは非常に緩やかになり、100 kHzでは粒子が集積してパールチェーンを形成し始める箇所が現れます。パールチェーンは非常に明瞭に観察されます。周波数を徐々に上げていくと、粒子の凝集塊が合体し、各コーナーでX字型を形成します。

最終的に、1 MHzでは、プロテイン鎖は負のDEPに打ち勝たれ、粒子は表面から反発されます。ここに示すクアドラプル設計は、電極パターンの中心に電界強度の低い領域を作り出し、負の誘電泳動を利用して粒子を集中させるように設計されています。電極に10 Vを印加すると、劇的な粒子の集束が確認できます。

粒子の平衡状態での様子を確認するため、時間を少し早めて進めます。電圧を1 Vまで下げると、集束領域が広がり始めるのがわかります。誘電泳動がブラウン運動に負けると、再び電圧を上げることで粒子が中心に向かって戻っていきます。

四重極パターンと同様に、ポテンシャルウェルは粒子を捕捉するために電界強度の低い領域を形成します。電極はインターデジタル構造であるため、これまでに見てきた他の現象もここで観察することができます。信号を印加すると、CEOおよびDEPによって粒子が急速に捕捉されるのがわかります。

しかし、より興味深い現象は、中空の正方形内で起こっています。一定時間が経過すると、ここでは負のダイエレクトロフォレシスによって粒子が収集されます。また、ポテンシャルウェルの両側には、三角形の形状で粒子が収集されているのが確認できます。

これまで、AC電気動力学の背後にある多くの興味深い物理学、これらのデバイスの作製方法、および数値シミュレーションと基礎物理学に基づいた実験結果の解釈方法について説明しました。粒子の移動を扱うこれらの現象は、視覚的な補助なしに理解することは非常に困難です。AC電気動力学現象は、多くの研究分野で利用することが可能です。

例えば、バイオセンサへの応用を目的とした粒子の回収、サンプル処理のためのサイズや形状などの異なる特性を持つ粒子の分離、およびアッセイ改善のための能動的混合などが挙げられます。このビデオが、ラボオンチップコミュニティにおいて最も重要で成長している分野の一つである、交流電場駆動デバイス（AC electric kinetic devices）の利用および作製に取り組む科学者やエンジニアの方々の役に立つことを願っています。以上となります。

ご視聴ありがとうございました。皆様の実験の成功をお祈りいたします。