Zjawiska elektrokinetyczne AC generowane przez struktury mikroelektrodowe

W ciągu ostatnich kilku lat środowisko zajmujące się systemami lab-on-a-chip przyjęło ekscytującą technologię znaną jako elektrokinetyka prądu przemiennego (AC Electrokinetics). Grupę tych zjawisk można wykorzystać do manipulowania cząstkami i płynami w skali od mikrometrów do nanometrów za pomocą szybkich i wszechstronnych fal, co szybko staje się niezbędne w wielu zastosowaniach biochipowych. W tym filmie omówimy podstawy elektrokinetyki AC z wystarczającą szczegółowością, aby pomóc innym naukowcom i inżynierom, którzy mogą odnieść korzyść z wykorzystania tych zjawisk w swoich badaniach.

Witam, nazywam się Robert Hart i jestem doktorantem na Drexel w departamencie Inżynierii Biomedycznej, Nauk o Zdrowiu i Systemach Zdrowia. Rozpoczniemy to nagranie od krótkiego opisu fizyki leżącej u podstaw elektrokinetyki prądu przemiennego (AC). Następnie przejdziemy do procesu wytwarzania urządzenia, a na koniec zaprezentujemy filmy z przebiegu elektrokinetyki AC i wyjaśnimy zachodzące zjawiska.

Pierwszą z trzech sił, które opiszemy, jest dielektroforeza. Tutaj widzimy pole elektryczne wytworzone między dwiema zanurzonymi elektrodami. Jeśli w tym polu elektrycznym znajdzie się cząstka dielektryczna, ulega ona polaryzacji.

Jak widać, ładunki na cząsteczce są równoważone przez ładunki w cieczy. To, czy cząsteczka jest bardziej, czy mniej polaryzowalna od cieczy, można określić za pomocą klasycznego czynnika MoSo w jednorodnym polu elektrycznym. Cząsteczki podlegają znanej sile nut.

Jednak w niejednorodnym polu elektrycznym, takim jak przedstawione tutaj, cząstki o większej polaryzowalności przemieszczają się w stronę obszarów o wysokim natężeniu pola elektrycznego, gdyż podlegają dodatniej dielektroforezie; zmiana częstotliwości w celu przełączenia polaryzowalności wywołuje efekt przeciwny, znany jako ujemna dielektroforeza, w wyniku której cząstki oddalają się od obszarów o wysokim natężeniu pola elektrycznego. Drugą siłą jest elektroosmoza AC, której podstawą jest tworzenie się podwójnej warstwy elektrycznej pod wpływem potencjału elektrycznego. Na powierzchni obszar ten dzieli się na warstwę Sterna, składającą się z nieruchomych jonów sztywno związanych z powierzchnią, oraz warstwę dyfuzyjną, która zawiera jony, które mimo związania mogą nadal przemieszczać się bocznie.

Analizując jeden z jonów znajdujących się w pobliżu krawędzi elektrody, zauważymy, że oddziałuje na niego siła chłodząca pochodząca z pola elektrycznego. Komponenta Y tej siły jest równoważona przez obecność ładunków na powierzchni. W rezultacie na jon działa wypadkowa siła boczna skierowana w stronę centrum elektrody; jony po obu stronach elektrody przemieszczają się i gromadzą w jej centrum w liczbie wystarczającej do pociągnięcia za sobą cieczy.

Zbieżność tych dwóch strumieni powoduje ruch cieczy w centrum w górę, w wyniku czego powstaje rotacyjny wzorzec przepływu. Zmiana potencjału nie wpływa na kierunek wzorca przepływu, ponieważ przeciwjony również uległy zamianie. Trzecim i ostatnim zjawiskiem jest AC-efekt hydrotermalny.

Gdy przez ciecz przepływa pole elektryczne, ogrzewanie w urządzeniu JUUL powoduje powstanie gradientów temperatury. Jak pokazano w symulacji, właściwości elektryczne wody ulegają zmianie. W rezultacie te zaburzenia właściwości elektrycznych oddziałują z polem elektrycznym, wywołując siłę objętościową.

Ruch wynikający z elektroosmozy AC ma charakter rotacyjny, pomimo innego pochodzenia. Wspomnieliśmy krótko o hydrotermicznym efekcie AC dla pełności obrazu, jednak skutki tego efektu są subtelne. W warunkach pracy naszych eksperymentów, na podstawie zasad matematycznych stojących za każdą z trzech sił, stworzono numeryczną symulację metodą elementów skończonych, która pokazuje całkowitą wypadkową siłę działającą na dwumikronową cząstkę polistyrenową. W każdym położeniu w kanale uruchomiona przez nas symulacja elementów skończonych przyjmuje dwuwymiarowy przekrój poprzeczny elektrod i koncentruje się tylko na jednej z nich.

Pierwsza symulacja przedstawia medium o niskiej przewodności i przebiega od 100 hertz do jednego megahertza w zakresie niskich częstotliwości. Dominuje AC elektroosmoza, co można zaobserwować po wzorcu siły rotacyjnej. W miarę postępu procesu zaczyna dominować pozytywna dielektroforeza, co ilustrują siły przyciągania prowadzące do każdego z narożników elektrod.

W miarę wzrostu częstotliwości powyżej pewnego progu, dodatnia DEP ustępuje miejsca ujemnej DEP, a cząstki są odpychane na określoną wysokość, na której są równoważone przez siłę grawitacji. Teraz przeanalizujemy te same częstotliwości przy wysokiej przewodności. Przy wysokiej przewodności siła elektroosmozy AC jest zazwyczaj słabsza niż przy niskiej przewodności, a prędkość maksymalna występuje przy wyższej częstotliwości.

Należy również zauważyć, że nie występuje dodatnia dielektroforeza (DEP), ponieważ przewodność jest zbyt wysoka. Elektroosmoza prądu przemiennego (AC) ustępuje bezpośrednio ujemnej DEP przy wyższej przewodności i wyższym napięciu. Efekt elektrodermalny będzie wówczas znacznie wyraźniej widoczny.

W tej sekcji omówimy wytwarzanie i montaż urządzeń. Same urządzenia składają się z elektrod złotych naniesionych na podłoże, którym w tym przypadku jest szkło.

Przedstawimy metodę trawienia na mokro w celu osiągnięcia tego rezultatu, jednak powszechnie znana procedura liftoff jest również rutynowo stosowana i zostanie pokazana w dalszej części. Cztery wykorzystywane przez nas projekty to: równoległe interdigitated, równoległe castellated, studnia potencjału oraz quadruple. Krótki opis procesu przedstawia się następująco.

Najpierw na szklaną podstawkę nanosi się warstwę chromu i złota. Następnie podstawkę pokrywa się fotorezystem, a wzór elektrod przenosi się z maski na podstawkę za pomocą naświetlania kontaktowego UV.

Po wywołaniu, chrom i złoto zostają wytrawione, a fotorezyst usunięty. Aby zapewnić dobrą adhezję, szkiełka przedmiotowe muszą być bardzo czyste. Zazwyczaj osiąga się to za pomocą podgrzanego roztworu piranha, który składa się z kwasu siarkowego i nadtlenku wodoru.

Pracując z tą niebezpieczną kombinacją, należy zachować szczególną ostrożność. Po oczyszczeniu podłoża są suszone i przygotowane do osadzania metalu. Krok ten jest wykonywany w ewaporatorze wiązkowym.

Szkiełka przedmiotowe umieszcza się w uchwycie do próbek z zaklejonymi krawędziami, który jest specjalnie dostosowany do warunków nanoszenia warstw. Następnie próbki są ładowane do urządzenia, a w komorze wytwarzana jest próżnia. Proces składa się z krótkiego, dwuminutowego nanoszenia chromu oraz 30-minutowego nanoszenia złota, co pozwala na uzyskanie warstw o grubości odpowiednio około 20 i 200 nanometrów.

Po usunięciu próbek wyraźnie widoczna jest złota powierzchnia. Fotolitografia rozpoczyna się od nałożenia fotorezstu za pomocą urządzenia do powlekania wirowego. Fotorezst jest napatywany na podłoże, które znajduje się na uchwycie wewnątrz urządzenia.

Jednorodna warstwa fotorezystu jest tworzona poprzez wirowanie szkła z określoną prędkością, co usuwa większość nadmiaru fotorezystu. Proces ten jest kontynuowany poprzez wstępne wygrzewanie (soft bake) przez dwie minuty w temperaturze 100 °C. Powoduje to utwardzenie fotorezystu i przygotowuje go do naświetlania UV. Następnie maskę fotolitograficzną przykłada się do podłoża i naświetla światłem UV przez około osiem sekund.

Dzięki temu wzór zostaje przeniesiony na fotorezyst. Etap wywoływania usuwa wszystkie obszary fotorezystu, które zostały naświetlone. Proces ten kończy etap fotolitografii, a próbka jest gotowa do trawienia złota i chromu.

Obszary na naszym podłożu, które zostały odsłonięte podczas procesu wywoływania, mogą teraz zostać poddane trawieniu. Fotorezyst skutecznie chroni resztę powierzchni, jednak, jak w każdym innym etapie, należy starannie kontrolować czas trawienia. Tutaj widzimy umieszczanie podłoży w ciemności w roztworze do trawienia złota na bazie jodu.

Po płukaniu wodą, chrom jest usuwany poprzez trawienie chromu. Należy zwrócić uwagę na zachodzącą przemianę, w wyniku której szkło ponownie stało się przezroczyste. Po usunięciu chromu porównanie podłoży trawionych i nietrawionych pozwala ocenić uzyskane wyniki.

Szybka inspekcja pod mikroskopem potwierdza powodzenie procesu. Widoczny jest tutaj pomyślnie wykonany układ z ustanowionymi połączeniami elektrycznymi. Obok niego znajduje się kanał PDMS z podłączonymi rurkami.

Kiedy kanał PDMS zostaje umieszczony na urządzeniu, tworzy się bardzo szczelne połączenie ze szkłem, co umożliwia przepływ cieczy przez kanał. Czynność tę wykonuje się ostrożnie za pomocą pęsety. Ponieważ odciski palców i kurz mogą utrudnić odpowiednią adhezję, do zapewnienia dobrego przylegania można użyć przeciwległych końców pęsety. Napełnianie.

Kanał tworzy się poprzez podłączenie strzykawki do jednej strony, umieszczenie drugiej strony w zawiesinie mikrosfer polistyrenowych i zastosowanie delikatnego ssania. Po umieszczeniu układu pod mikroskopem i ustawieniu ostrości, wykonuje się połączenia elektryczne z generatorem funkcji. Po załadowaniu próbek i wykonaniu połączeń urządzenia są gotowe do przeprowadzenia eksperymentu.

Wszystkie prezentowane filmy eksperymentalne przedstawiają wstrzykiwanie wodnej zawiesiny dwumikronowych mikrosfer polistyrenowych do kanału oraz przyłożenie sygnału do elektrod. Początkowo cząstki są rozłożone losowo i wykazują ruchy Browna. Po przyłożeniu sygnału jednoczęstotliwościowego cząstki szybko ustawiają się w centrum elektrody.

Należy pamiętać, że ze względu na zastosowanie pola prądu przemiennego (AC), nie obserwujemy siły KIC. To fascynujące zjawisko wynika z generowanych wzorów przepływu cieczy, a także z sił przyciągania charakterystycznych dla dielektroforezy. Wraz ze wzrostem częstotliwości cząsteczki zaczynają rozprzestrzeniać się wzdłuż szerokości elektrody.

Wraz ze spadkiem prędkości elektroosmozy AC i początkiem dominacji dielektroforezy przy 56 kHz, cząsteczki migrują w stronę krawędzi elektrody. Dzieje się tak, gdy siły elektroosmozy AC zanikają, a przeważa dodatnia dielektroforeza. Jak pokazano na tym schemacie, zjawisko to utrzymuje się przy 100 kHz, a cząsteczki są teraz trwale przytwierdzone do krawędzi elektrody.

Gdy częstotliwość zostanie dalej zwiększona do 250 kilohertz, cząstki zaczynają ustawiać się w linii w poprzek szczeliny i pojawia się tak zwane zachowanie w formie łańcucha pereł, wywołane oddziaływaniami między cząstkami; przy 500 kilohertz cząstki są odpychane od krawędzi elektrody, ponieważ dominuje negatywna DEP. Można to wyjaśnić czynnikiem Clausiusa-Mossotiego, który wraz ze wzrostem częstotliwości zmienia wartość z dodatniej na ujemną, powodując przejście z dodatniej dielektroforezy do negatywnej dielektroforezy. Przy jednej megahertz negatywna DEP osiąga wartość bliską maksimum, a cząstki lewitują nad elektrodą.

Wzrost przewodnictwa powoduje istotną zmianę współczynnika CM. Jak widać, nie występuje już dodatnia DEP, co drastycznie zmienia zachowanie cząsteczek. Należy o tym pamiętać podczas skanowania tego samego zakresu częstotliwości; przy zastosowaniu sygnału o częstotliwości 1 kHz cząsteczki orbitują poza płaszczyzną wzdłuż krawędzi elektrody.

Widok z góry uzyskany za pomocą mikroskopu pokazuje jedynie boczny ruch cząstek, co zdemonstrowano w tej animacji. Ten widok, w którym cząstki poruszają się w przód i w tył, maskuje rzeczywisty ruch cząstek widoczny z boku. Prawdziwy charakter ich ruchu może zostać dostrzeżony znacznie łatwiej.

W rzeczywistości krążą one po orbitach; uważa się, że powodem, dla którego krążą, a nie zostają uwięzione w centrum każdej elektrody, jest odwrócenie składowej DEP. W miarę dalszego wzrostu częstotliwości cząsteczki zaczynają łączyć się w skupiska, zachowując ten sam ruch orbitalny. To skupianie się wynika z oddziaływań międzycząsteczkowych.

Uważa się, że źródłem tej oddziaływania są niewielkie zniekształcenia pola elektrycznego wywołane przez same cząstki. Zniekształcenia wokół cząstek generują siły DEP, które przyciągają pobliskie cząstki. Wraz z dalszym zwiększaniem częstotliwości, przy około 250 kilohertz następuje gwałtowna zmiana.

Cząsteczki w znacznym stopniu zatrzymują ruch orbitalny i tworzą zmiany, które są kolejnym przejawem oddziaływań między cząsteczkami. Ostatecznie, gdy częstotliwość staje się jeszcze wyższa, przy wartości 1 MHz odpychanie wynikające z ujemnej DEP wypycha cząsteczki w górę i poza płaszczyznę ogniskową mikroskopu.

Następnie zaprezentujemy typ elektrody odlewanej pracującej przy niskim przewodnictwie. Konstrukcja tej elektrody jest podobna do poprzedniego typu pod względem przeplatania palców, jednak proste palce zastąpiono bardziej złożonym kształtem. Przy częstotliwości 1 kHz gromadzenie cząstek odbywa się w centrach przecięć i szybko formuje kształt rombu.

Wraz ze wzrostem częstotliwości obserwujemy podobne rozproszenie zebranych cząstek. W momencie, gdy elektroosmoza AC zaczyna zanikać, a dominuje DEP, podobnie jak wcześniej, częstotliwość 56 kHz powoduje powolną migrację cząstek w kierunku krawędzi elektrody. Co ciekawe, niemal wszystkie cząstki przemieszczają się na jedną stronę, co może być spowodowane ciśnieniem hydrostatycznym.

Poruszają się one znacznie szybciej. Przy 100 kilohertz CEO niemal całkowicie znika. Przy 250 kilohertz cząsteczki zaczynają tworzyć łańcuchy pro.

Ujemna DEP wywołana zmianą częstotliwości na 500 kilohertz odpycha cząsteczki od krawędzi elektrody. Dalsze zwiększenie częstotliwości do jednego megahertza powoduje przemieszczanie się cząsteczek w górę, poza płaszczyznę ogniskową, w wyniku jeszcze silniejszego odpychania przez ujemną dielektroforezę. Następnie zaprezentujemy typ elektrody ząbkowanej pracującej przy wysokiej przewodności.

Wzorzec rotacyjny generowany przy tym typie elektrody występuje najintensywniej w wewnętrznych narożnikach elektrod i to właśnie tam ostatecznie migrują cząsteczki. Zachowanie polegające na „siekaniu” w kształcie rombu, które zaobserwowano wcześniej, nie występuje w tym przypadku, ponieważ przy tym poziomie przewodności nie dochodzi do dodatniej dielektroforezy. Wraz ze wzrostem częstotliwości prędkość przepływu cieczy powoli maleje.

Ponieważ siły elektroosmozy AC zanikają przy 56 kHz, ruch jest bardzo powolny, a w niektórych miejscach cząsteczki zaczynają się skupiać i tworzyć łańcuchy perłowe przy 100 kHz. Łańcuchy perłowe są wyraźnie widoczne. Wraz z powolnym zwiększaniem częstotliwości, skupiska cząsteczek łączą się i tworzą kształty litery X w każdym z narożników.

Wreszcie, przy częstotliwości jednego megaherca, łańcuchy pro są pokonywane przez ujemne DEP, a cząsteczki są odpychane od powierzchni. Przedstawiona tutaj konstrukcja czterokrotna powoduje powstanie obszaru niskiego natężenia pola elektrycznego w centrum wzoru elektrod i jest zaprojektowana tak, aby wykorzystać ujemną dielektroforezę do ogniskowania cząsteczek. Po przyłożeniu 10 volt do elektrod obserwujemy gwałtowne ogniskowanie cząsteczek.

Przyspieszymy nieco czas, aby zobaczyć, jak wyglądają cząsteczki w stanie równowagi. Po obniżeniu napięcia do 1 V zauważymy, że obszar ogniskowania zaczyna się rozszerzać. W miarę jak dielektroforeza ustępuje ruchom Browna, ponowne zwiększenie napięcia powoduje, że cząsteczki ponownie przemieszczają się w stronę centrum.

Podobnie jak w układzie czterobiegunowym, studnia potencjału tworzy obszary niskiego pola elektrycznego w celu uwięzienia cząstek. Elektrody są rozmieszczone naprzemiennie, dzięki czemu można tu zaobserwować również inne efekty, które omawialiśmy wcześniej. Po przyłożeniu sygnałów obserwujemy szybkie uwięzienie cząstek wynikające z CEO i DEP.

Bardziej interesującym efektem jest jednak to, co dzieje się w pustych kwadratach. Po pewnym czasie cząstki gromadzą się tutaj w wyniku negatywnej dielektroforezy. Obserwujemy również gromadzenie się cząstek po obu stronach studni potencjału w kształcie trójkątów.

Przedstawiliśmy właśnie część wielu interesujących zjawisk fizycznych leżących u podstaw elektrokinetyki prądu przemiennego (AC), sposób wytwarzania tych urządzeń oraz metodę interpretacji wyników eksperymentalnych w oparciu o symulacje numeryczne i podstawy fizyczne. Zjawiska te, dotyczące ruchu cząsteczek, są dość trudne do zrozumienia bez pomocy wizualnej. Zjawiska elektrokinetyczne AC mogą znaleźć zastosowanie w wielu obszarach badawczych.

Na przykład gromadzenie cząsteczek do zastosowań w biosensorach, rozdzielanie cząsteczek o różnych właściwościach, takich jak rozmiar i kształt, w celu przetwarzania próbek oraz aktywne mieszanie w celu usprawnienia analizy. Mamy nadzieję, że ten film pomoże naukowcom i inżynierom w użytkowaniu i wytwarzaniu urządzeń elektrokinetycznych AC, które stanowią jeden z najważniejszych i najszybciej rozwijających się obszarów w społeczności laboratorium na chipie. To wszystko.

Dziękujemy za oglądanie i życzymy powodzenia w przeprowadzaniu eksperymentów.