AC elektrokinetische Verschijnselen Gegenereerd door micro-elektrode Structures

In de afgelopen jaren heeft de lab-on-a-chipgemeenschap een opwindende technologie omarmd die bekend staat als AC-elektrokinetica. Deze groep fenomenen kan worden gebruikt om deeltjes en vloeistoffen op micron- tot nanometerschaal in snelle en veelzijdige golven te manipuleren, en wordt snel essentieel voor veel biochip-toepassingen. In deze video behandelen we de basisprincipes van AC-elektrokinetica in voldoende detail om andere wetenschappers en ingenieurs te helpen die baat kunnen hebben bij het gebruik van deze fenomenen in hun onderzoek.

Hallo, mijn naam is Robert Hart en ik ben een PhD-student hier bij Drexel in de afdeling Biomedical Engineering Science and Health Systems. We beginnen deze video met een korte beschrijving van de natuurkunde achter AC-elektrokinetica. Vervolgens gaan we over naar de fabricage van het apparaat en tot slot laten we enkele video's van AC-elektrokinetica zien en leggen we uit wat er gebeurt.

De eerste van de drie krachten die we zullen beschrijven staat bekend als dielektroforese. Hier zien we een elektrisch veld dat wordt opgewekt tussen twee ondergedompelde elektroden. Wanneer een diëlektrisch deeltje in dit elektrische veld wordt geplaatst, raakt dit gepolariseerd.

Zoals u kunt zien, worden de ladingen op het deeltje in evenwicht gehouden door de ladingen in de vloeistof. Of het deeltje meer of minder polariseerbaar is dan de vloeistof, kan worden bepaald door de klassieke MoSo-factor in een uniform elektrisch veld. De deeltjes ondervinden een bekende netto kracht.

In een niet-uniform elektrisch veld, zoals hier getoond, bewegen deeltjes die meer polariseerbaar zijn echter naar gebieden met een hoog elektrisch veld, aangezien zij een positieve dielektroforese ervaren; door de frequentie te wijzigen om de polariseerbaarheid om te keren, ontstaat het tegenovergestelde effect, bekend als negatieve dielektroforese, waarbij deeltjes weg bewegen van gebieden met een hoge elektrische veldsterkte. De tweede kracht is AC-elektro-osmose. De basis van AC-elektro-osmose is de vorming van de elektrische dubbellaag als gevolg van het elektrische potentiaal. Aan het oppervlak is deze regio verdeeld in de Stern-laag, die bestaat uit onbeweeglijke ionen die stevig aan het oppervlak zijn gebonden, en de diffuse laag, die ionen bevat die, hoewel gebonden, nog steeds in staat zijn om lateraal te bewegen.

Als we een van de ionen nabij de rand van de elektrode bestuderen, zien we dat er een koelkracht vanuit het elektrische veld op inwerkt. De Y-component van de kracht wordt in evenwicht gehouden door de aanwezigheid van ladingen aan het oppervlak. Bijgevolg ondervindt het ion een netto laterale kracht die naar het centrum van de elektrode is gericht; de ionen aan beide zijden van de elektrode bewegen zich in massa naar het centrum van de elektrode en zijn in voldoende aantal aanwezig om de vloeistof mee te sleuren.

De convergentie van deze twee stromingen zorgt ervoor dat de vloeistof in het centrum naar boven beweegt, waardoor er een rotationeel vloeistofpatroon ontstaat. Het omkeren van het potentiaal heeft geen invloed op de richting van het vloeistofpatroon, omdat de tegenionen eveneens zijn omgewisseld. Het derde en laatste fenomeen is het AC-hydrothermaal effect.

Wanneer een elektrisch veld door een vloeistof wordt geleid, veroorzaakt JUUL-verhitting temperatuurgradiënten. Zoals in de simulatie wordt getoond, veranderen de elektrische eigenschappen van water. Als gevolg hiervan treden er interacties op tussen deze verstoringen in de elektrische eigenschappen en het elektrisch veld, wat leidt tot een volumekracht.

De resulterende beweging, vergelijkbaar met AC-elektro-osmose, is rotationeel van aard, ondanks de verschillende oorsprong ervan. We hebben het AC-hydrothermale effect kort aanstipt ter volledigheid, maar de effecten van het hydrothermale effect zijn subtiel. Op basis van de wiskundige principes achter elk van de drie krachten is een numerieke eindige-elementensimulatie gemaakt, die de totale gecombineerde kracht laat zien die inwerkt op een 2 µm polystyreen-deeltje onder de bedrijfsomstandigheden van onze experimenten. Voor elke positie in het kanaal neemt de door ons uitgevoerde eindige-elementensimulatie een tweedimensionale dwarsdoorsnede van de elektroden en centreert deze zich op slechts één elektrode.

De eerste simulatie toont media met een lage geleidbaarheid en vordert bij lage frequenties van 100 hertz naar één megahertz. AC-elektro-osmose is dominant, wat kan worden gezien aan het rotatiekrachtenpatroon. Naarmate we vorderen, neemt positieve dielektroforese het over, zoals geïllustreerd door de aantrekkingskrachten die naar elke elektrodehoek leiden.

Wanneer de frequentie een bepaalde drempelwaarde overschrijdt, weegt positieve DEP op tegen negatieve DEP en worden deeltjes afgestoten tot een bepaalde hoogte waar ze in evenwicht zijn met de zwaartekracht. Vervolgens zullen we dezelfde frequenties doorlopen bij een hoge conductiviteit. Bij een hoge conductiviteit is de AC-elektroforetische kracht over het algemeen minder sterk dan bij een lage conductiviteit en treedt de pieksnelheid op bij een hogere frequentie.

Let ook op dat er geen positieve DEP optreedt omdat de geleidbaarheid te hoog is. AC-elektro-osmose gaat bij een hogere geleidbaarheid en een hogere spanning direct over in negatieve DEP. Het elektrodermale effect zal veel duidelijker zichtbaar zijn.

In dit gedeelte bespreken we de fabricage en assemblage van de apparaten. De apparaten zelf bestaan uit gouden elektroden die op een substraat zijn gepatroneerd. In dit geval glas.

We laten een nat-etsmethode zien om dit te bereiken, maar de bekende liftoff-procedure wordt ook routinematig gebruikt en zal later worden getoond. De vier ontwerpen die we gebruiken zijn parallel interdigitated, parallel castellated, potential well en quadruple. Een korte beschrijving van het proces is als volgt.

Ten eerste worden een laag chroom en goud afgezet op het glazen substraat. Vervolgens wordt het substraat gecoat met fotolak en wordt het elektrodepatroon van het masker op het substraat overgebracht middels UV-contactbelichting.

Na de ontwikkeling worden het chroom en het goud weggeëtst en wordt de fotolak verwijderd. Voor een goede hechting moeten de glasplaatjes zeer schoon zijn. Dit gebeurt gewoonlijk met een verhitte piranha-oplossing, die bestaat uit zwavelzuur en waterstofperoxide.

Er moet uiterste voorzichtigheid in acht worden genomen bij het werken met deze gevaarlijke combinatie. Na het reinigen worden de substraten gedroogd en zijn ze klaar voor de metaaldepositie. Deze stap wordt uitgevoerd in een elektronenstraalevaporator.

De glazen objectglaasjes worden geplaatst op de monsterhouder met tape op de dop, die speciaal is ontworpen om de depositiecondities te weerstaan. Vervolgens worden de monsters in de machine geplaatst en wordt er vacuüm getrokken. Het proces bestaat uit een korte depositie van chroom gedurende twee minuten en een depositie van goud gedurende 30 minuten, wat resulteert in een dikte van respectievelijk ongeveer 20 en 200 nanometers.

Wanneer de monsters worden verwijderd, is het goudoppervlak duidelijk zichtbaar. Fotolithografie begint met het aanbrengen van een coating van fotoresist met behulp van een spin-coater. De fotoresist wordt gepipetteerd op het substraat, dat op een chuck in de machine is geplaatst.

Een consistente laag fotolak wordt gecreëerd door het glas op een specifieke snelheid te spinnen, waardoor het grootste deel van de overtollige fotolak wordt verwijderd. Dit proces wordt gevolgd door een soft bake van twee minuten bij 100 °C. Dit hardt de fotolak uit en bereidt deze voor op de UV-belichting. Vervolgens wordt het fotomasker in contact gebracht met ons substraat en gedurende ongeveer acht seconden blootgesteld aan UV-licht.

Hiermee wordt het patroon overgebracht op de fotolak. De ontwikkelingsstap verwijdert alle delen van de fotolak die aan licht zijn blootgesteld. Hiermee is de fotolithografiefase voltooid en kunnen we beginnen met het etsen van goud en chroom.

De gebieden op ons substraat die tijdens het ontwikkelingsproces zijn blootgesteld, kunnen nu worden geëtst. De fotolak beschermt de rest van het oppervlak effectief, maar zoals bij alle stappen moet de etstijd zorgvuldig worden gecontroleerd. Hier zien we de substraten worden geplaatst in de donkere, op jodium gebaseerde goudetser.

Na het spoelen met water wordt het chroom verwijderd met het chroometsmiddel. Let op de transformatie die plaatsvindt wanneer het glas weer transparant is geworden. Zodra het chroom is verwijderd, laat een vergelijking tussen de geëtste en ongeëtste substraten de resultaten zien.

Een snelle inspectie onder de microscoop laat het succes van het proces zien. Hier zien we een succesvol vervaardigd apparaat met gemaakte elektrische verbindingen. Daarnaast bevindt zich een PDMS-kanaal met slangverbindingen.

Wanneer het PDMS-kanaal op een apparaat wordt geplaatst, ontstaat er een zeer effectieve afdichting met het glas, waardoor er vloeistof door het kanaal kan stromen. Dit wordt zorgvuldig met een pincet uitgevoerd. Aangezien vingerafdrukken en stof een goede hechting kunnen belemmeren, kunnen de tegenovergestelde zijden van het pincet worden gebruikt om een goede bevestiging te waarborgen. Vullen.

Het kanaal wordt gemaakt door een spuit aan één zijde te bevestigen, de andere zijde in een suspensie van polystyreen microsferen te plaatsen en een lichte zuigkracht uit te oefenen. Zodra het in de microscoop is geplaatst en is gefocust, worden de elektrische verbindingen met de functiegenerator gemaakt. Nu de monsters zijn geladen en de verbindingen zijn gemaakt, zijn de apparaten klaar voor een experiment.

Alle experimentele video's die we zullen tonen, bestaan uit het injecteren van een waterige suspensie van twee micron polystyreen microsferen in het kanaal en het aanbrengen van een signaal op de elektroden. Aanvankelijk zijn de deeltjes willekeurig verdeeld en vertonen ze brownse beweging. Wanneer het killer-signaal wordt aangebracht, lijnen de deeltjes zich snel uit in het centrum van de elektrode.

Houd er rekening mee dat we, aangezien we een AC-veld gebruiken, geen KIC-kracht waarnemen. Dit fascinerende gedrag is te wijten aan de gegenereerde vloeistofpatronen en de aantrekkingskrachten van dielektroforese. Naarmate de frequentie toeneemt, beginnen de deeltjes zich over de breedte van de elektrode te verspreiden.

Wanneer de AC-elektro-osmotische snelheid afneemt en dielektroforese bij 56 kilohertz het overneemt, migreren de deeltjes naar de rand van de elektrode. Terwijl de AC-elektro-osmotische krachten wegvallen, overheerst de positieve dielektroforese. Zoals in dit diagram wordt getoond, zet dit gedrag zich voort bij 100 kilohertz en zijn de deeltjes nu stevig vastgezet aan de rand van de elektrode.

Wanneer de frequentie verder wordt verhoogd naar 250 kilohertz, beginnen de deeltjes zich over de opening heen op te lijnen en ontstaat het zogenaamde parelkettinggedrag, dat wordt veroorzaakt door deeltjes-deeltjesinteracties; bij 500 kilohertz worden deeltjes afgestoten van de elektrode-rand omdat negatieve DEP overheerst. Dit kan worden verklaard door de Clausius-Mossotti-factor, die bij een frequentieverhoging van positief naar negatief verandert, wat een overgang veroorzaakt van positieve dielektroforese naar negatieve dielektroforese bij één megahertz. Negatieve DEP bevindt zich nabij zijn maximale waarde en deeltjes worden boven de elektrode geleveerd.

Een toename van de geleidbaarheid veroorzaakt een belangrijke verandering in de CM-factor. Zoals u kunt zien, is er geen positieve DEP meer, wat het gedrag van de deeltjes drastisch verandert. Houd hier rekening mee wanneer we door hetzelfde frequentiebereik scannen; wanneer we een signaal van 1 kHz toepassen, draaien de deeltjes buiten het vlak langs de rand van de elektrode.

Het bovenaanzicht via de microscoop laat enkel een laterale beweging van de deeltjes zien, zoals gedemonstreerd in deze animatie. Dit aanzicht, waarin de deeltjes heen en weer bewegen, maskeert de werkelijke beweging van de deeltjes wanneer deze van opzij worden bekeken. De werkelijke aard van hun beweging kan eenvoudiger worden waargenomen.

Ze draaien in feite in een baan; de reden dat ze dit doen en niet gevangen raken in het centrum van elke elektrode, is vermoedelijk omdat de DEP-component is omgekeerd. Naarmate de frequentie verder toeneemt, beginnen deeltjes samen te klonteren terwijl ze dezelfde orbitale beweging behouden. Dit klonteren is het gevolg van de interactie tussen deeltjes onderling.

Men vermoedt dat de oorsprong van deze interactie ligt bij de geringe vervormingen van het elektrische veld die door de deeltjes zelf worden veroorzaakt. De vervormingen rondom de deeltjes creëren DEP-krachten, die nabijgelegen deeltjes aantrekken. Wanneer we de frequentie verder verhogen, vindt er bij ongeveer 250 kilohertz een dramatische verandering plaats.

Deeltjes stoppen grotendeels hun orbitale beweging en vormen pro, wat een andere manifestatie is van de interactie tussen deeltjes. Uiteindelijk, wanneer de frequentie nog verder stijgt tot één megahertz, drijft de afstoting door negatieve DEP de deeltjes omhoog en uit het brandvlak van de microscoop.

Vervolgens tonen we een gegoten electrodesysteem dat werkt bij een lage geleidbaarheid. Dit electrodeontwerp is vergelijkbaar met dat van het vorige type in die zin dat het interdigitaal is, maar de rechte vingers zijn vervangen door een complexere vorm. Bij één kilohertz vindt de particuulcollectie plaats in het centrum van de kruispunten en er wordt snel een ruitvorm gevormd.

Naarmate de frequentie toeneemt, zien we dezelfde verspreiding van de verzamelde deeltjes. Terwijl de AC-elektro-osmose begint af te nemen en DEP het overneemt, zorgt een frequentie van 56 kilohertz, zoals eerder gezien, ervoor dat de deeltjes langzaam naar de rand van de elektrode migreren. Opvallend is dat bijna alle deeltjes naar één zijde bewegen, wat mogelijk te wijten is aan een zekere hydrostatische druk.

Ze bewegen veel sneller. Bij 100 kilohertz is een CEO bijna volledig verdwenen. Bij 250 kilohertz beginnen de deeltjes pro-ketens te vormen.

De negatieve DEP die ontstaat door de verschuiving naar 500 kilohertz dwingt de deeltjes weg van de rand van de elektrode. Een verdere verhoging van de frequentie naar één megahertz zorgt ervoor dat deeltjes omhoog bewegen en uit het brandvlak treden, omdat ze nog sterker worden afgestoten door negatieve dielektroforese. Vervolgens tonen we een gecastelleerd elektrodetype dat werkt bij een hoge geleidbaarheid.

Het rotatiepatroon dat met dit type elektrode wordt gegenereerd, is het meest uitgesproken bij de binnenhoeken van de elektrode, en dit is waar deeltjes uiteindelijk naartoe migreren. Het hakhak-gedrag in ruitvorm dat we eerder zagen, komt hier niet voor omdat er bij deze geleidbaarheid geen positieve dielektroforese optreedt. Naarmate de frequentie toeneemt, neemt de vloeistofsnelheid langzaam af.

Omdat de AC-electro-osmotische krachten wegvallen bij 56 kilohertz, is de beweging zeer traag en beginnen deeltjes op sommige plaatsen te klonteren en parelketens te vormen bij 100 kilohertz. Parelketens zijn duidelijk zichtbaar. Naarmate de frequentie langzaam wordt verhoogd, vloeien klonten deeltjes samen en vormen ze X-vormen in elke hoek.

Ten slotte, bij één megahertz, worden de pro-ketens overwonnen door negatieve DEP en worden deeltjes van het oppervlak afgestoten. Het Quadruple-ontwerp dat hier wordt getoond, veroorzaakt een gebied met een lage elektrische veldsterkte in het centrum van het elektrodepatroon en is ontworpen om negatieve dielectroforese te gebruiken voor het focussen van deeltjes. Wanneer we 10 volt op de elektroden zetten, zien we een dramatische focussering van deeltjes.

We versnellen de tijd een beetje zodat we kunnen zien hoe de deeltjes er in evenwicht uitzien. Als we het voltage verlagen naar one volt, zien we dat het gefocuste gebied begint uit te breiden. Naarmate dielectroforese aan kracht verliest ten opzichte van de brownse beweging, zorgt het opnieuw verhogen van het voltage ervoor dat de deeltjes weer naar het midden bewegen.

Net als bij het quadrupoolpatroon creëert de potentiaalput gebieden met een laag elektrisch veld om deeltjes te vangen. De elektroden zijn onderling versprongen (interdigitated), waardoor andere effecten die we al hebben gezien hier ook kunnen worden waargenomen. Wanneer de signalen worden aangelegd, zien we een snelle vangst van deeltjes als gevolg van CEO en DEP.

Het interessantere effect is echter wat er in de holle vierkanten gebeurt. Deeltjes worden hier na verloop van tijd verzameld door negatieve dielektroforese. We zien ook enige ophoping aan weerszijden van de potentiaalput in de vorm van driehoeken.

We hebben zojuist enkele van de vele interessante natuurkundige principes achter AC-elektrokinetica laten zien, hoe deze apparaten gefabriceerd kunnen worden en hoe experimentele resultaten kunnen worden geïnterpreteerd op basis van numerieke simulaties en de onderliggende fysica. Deze fenomenen, die betrekking hebben op bewegende deeltjes, zijn vrij moeilijk te begrijpen zonder visuele hulpmiddelen. AC-elektrokinetische fenomenen kunnen in veel onderzoeksgebieden worden toegepast.

Bijvoorbeeld het verzamelen van deeltjes voor biosensortoepassingen, het scheiden van deeltjes met verschillende eigenschappen zoals grootte en vorm voor monsterverwerking en actief mengen voor de verbetering van assays. We hopen dat deze video wetenschappers en ingenieurs helpt bij het gebruiken en vervaardigen van AC-elektrische kinetische apparaten, een van de belangrijkste en snelst groeiende gebieden binnen de lab-on-a-chip gemeenschap. Dat is alles.

Bedankt voor het kijken en veel succes met uw experimenten.