Fenômenos AC eletrocinéticas Gerado por Estruturas microeletrodos

Nos últimos anos, a comunidade de laboratório em um chip adotou uma tecnologia empolgante conhecida como eletrocinética de corrente alternada. Esse conjunto de fenômenos pode ser usado para manipular partículas e fluidos na escala de mícrons a nanômetros de forma rápida e versátil, tornando-se rapidamente essencial para diversas aplicações em biochips. Neste vídeo, vamos abordar os fundamentos da eletrocinética de corrente alternada com detalhes suficientes para auxiliar outros cientistas e engenheiros que possam se beneficiar do uso desses fenômenos em suas pesquisas.

Olá, meu nome é Robert Hart e sou aluno de doutorado aqui na Drexel, no departamento de Engenharia Biomédica, Ciência e Sistemas de Saúde. Iniciaremos este vídeo com uma breve descrição da física por trás da eletrocinética em corrente alternada. Em seguida, passaremos para a fabricação do dispositivo e, finalmente, mostraremos alguns vídeos de eletrocinética em corrente alternada, explicando o que está acontecendo.

A primeira das três forças que descreveremos é conhecida como dieléctroforese. Aqui observamos um campo elétrico gerado entre dois eletrodos submersos. Se colocarmos uma partícula dielétrica nesse campo elétrico, ela se torna polarizada.

Como é possível observar, as cargas na partícula são equilibradas pelas cargas no interior do líquido. Se a partícula é mais ou menos polarizável do que o líquido pode ser determinado pelo fator MoSo clássico em um campo elétrico uniforme. As partículas experimentam uma força eletrocinética conhecida.

No entanto, em um campo elétrico não uniforme, como o mostrado aqui, partículas mais polarizáveis se movem em direção a regiões de alto campo elétrico, pois experimentam dieletroforese positiva; alterar a frequência para inverter a polarizabilidade resulta no efeito oposto, conhecido como dieletroforese negativa, e as partículas se afastam de regiões de alta intensidade de campo elétrico. A segunda força é a eletroosmose em corrente alternada, cuja base é a formação da dupla camada elétrica devido ao potencial elétrico. Na superfície, essa região é dividida em camada de Stern, que consiste em íons imóveis rigidamente ligados à superfície, e camada difusa, que contém íons que, embora ligados, ainda são livres para se mover lateralmente.

Se examinarmos um dos íons próximo à borda do eletrodo, observamos que ele sofre uma força de resfriamento proveniente do campo elétrico. A componente Y dessa força é equilibrada pela existência de cargas na superfície. Portanto, o íon sofre uma força lateral resultante direcionada para o centro do eletrodo; íons em ambos os lados do eletrodo se movem em massa em direção ao centro, em número suficiente para arrastar o fluido consigo.

A convergência desses dois fluxos faz com que o fluido no centro se mova para cima e surja um padrão rotacional do fluido. A inversão do potencial não afeta a direção do padrão do fluido porque os íons contrários também foram invertidos. O terceiro e último fenômeno é o efeito hidrotérmico de corrente alternada.

Quando um campo elétrico é aplicado a um líquido, o aquecimento JUUL provoca gradientes de temperatura. Conforme mostrado na simulação, as propriedades elétricas da água mudam. Como resultado, essas perturbações nas propriedades elétricas interagem com o campo elétrico, gerando uma força volumétrica.

O movimento resultante, como a eletroosmose em corrente alternada, é de natureza rotacional, apesar da diferença na origem. Mencionamos brevemente o efeito hidrotérmico em corrente alternada por completude, mas os efeitos do fenômeno hidrotérmico são sutis. Nas condições operacionais de nossos experimentos, a partir dos princípios matemáticos subjacentes a cada uma das três forças, foi criada uma simulação numérica por elementos finitos, que mostra a força combinada total atuando sobre uma partícula de poliestireno de dois mícrons. Em cada posição no canal, a simulação por elementos finitos que realizamos toma uma seção transversal bidimensional dos eletrodos e se concentra apenas em um deles.

A primeira simulação mostra um meio de baixa condutividade e avança de 100 hertz a um megahertz em baixas frequências. A eletroosmose C é dominante, como pode ser observado pelo padrão de força rotacional. À medida que avançamos, a dieletroforese positiva assume o controle, conforme ilustrado pelas forças atrativas que levam a cada canto do eletrodo.

À medida que a frequência aumenta além de um limiar, a DEP positiva passa a influenciar a DEP negativa e as partículas serão repelidas até uma certa altura onde ficam equilibradas pela força da gravidade. Agora, vamos repetir as mesmas frequências com alta condutividade. Em alta condutividade, a força eletrosmótica CA é geralmente menos intensa do que na baixa condutividade, e a velocidade máxima ocorre em uma frequência mais elevada.

Além disso, observe que não há DEP positiva porque a condutividade é muito alta. A eletroosmose CA cede diretamente lugar à DEP negativa com condutividade e tensão mais elevadas. O efeito eletrodérmico será mostrado de forma muito mais clara.

Nesta seção, discutiremos a fabricação e montagem do dispositivo. Os dispositivos consistem em eletrodos de ouro depositados sobre um substrato. Neste caso, vidro.

Mostraremos um método de ataque úmido para alcançar isso, mas o conhecido procedimento de liftoff também é usado rotineiramente e será mostrado posteriormente. Os quatro designs que estamos utilizando são interdigitados paralelos, castelados paralelos, poço de potencial e quádruplo. Uma breve descrição do processo é a seguinte.

Primeiro, uma camada de cromo e ouro é depositada sobre o substrato de vidro. Em seguida, o substrato é revestido com fotoresina e o padrão do eletrodo é transferido da máscara para o substrato. Com exposição ultravioleta por contato.

Após o desenvolvimento, o cromo e o ouro são removidos por ataque químico e o fotoresiste é retirado. Para uma boa adesão, as lâminas de vidro devem estar muito limpas. Isso é comumente feito com solução de piranha aquecida, que consiste em ácido sulfúrico e peróxido de hidrogênio.

Deve-se ter grande cuidado ao trabalhar com essa combinação perigosa. Após a limpeza, os substratos são secados e ficam prontos para a deposição de metal. Este passo é realizado em um evaporador por feixe de elétrons.

As lâminas de vidro são colocadas no porta-amostras com a tampa aderida à fita, que é especialmente adequada para suportar as condições de deposição. Em seguida, as amostras são carregadas na máquina e submetidas à vácuo. O processo consiste em uma breve deposição de cromo por dois minutos e uma deposição de ouro por 30 minutos, resultando em aproximadamente 20 e 200 nanômetros, respectivamente.

Quando as amostras são removidas, a superfície de ouro é claramente visível. A fotolitografia começa com a aplicação de uma camada de resistência fotossensível utilizando uma centrífuga de revestimento. A resistência fotossensível é pipetada sobre o substrato, que está posicionado sobre um porta-amostras dentro da máquina.

Uma camada uniforme de resistência fotográfica é criada girando o vidro em uma velocidade específica, o que remove a maior parte do excesso de resistência fotográfica. Esse processo é seguido por uma pré-secagem de dois minutos a 100 graus C. Isso endurece a resistência fotográfica e a prepara para a exposição à luz UV. Em seguida, a máscara fotográfica é colocada em contato com nosso substrato e exposta à luz UV por aproximadamente oito segundos.

Isso transfere o padrão para a resistência fotográfica. A etapa de revelação remove todas as áreas da resistência fotográfica que foram expostas à luz. Este processo conclui a etapa de fotolitografia e estamos prontos para a gravação de ouro e cromo.

Essas áreas em nosso substrato que foram expostas no processo de desenvolvimento agora estão livres para serem gravadas. A resistência fotográfica protege efetivamente o restante da superfície, mas, como em todos os passos, o tempo de gravação deve ser cuidadosamente controlado. Aqui vemos os substratos sendo colocados na gravação de ouro à base de iodo escuro.

Após a lavagem com água, o cromo é removido com a gravação do cromo. Observe a transformação que ocorre, pois o vidro torna-se transparente novamente. Uma vez removido o cromo, uma comparação entre os substratos gravados e não gravados mostra os resultados.

Uma inspeção rápida ao microscópio mostra o sucesso do processo. Aqui vemos um dispositivo fabricado com sucesso, com conexões elétricas realizadas. Ao lado dele, encontra-se um canal PD DS com conexões de tubos.

Quando o canal de PDMS é colocado sobre um dispositivo, forma-se um selo muito eficaz com o vidro, permitindo que o líquido flua através do canal. Isso é feito cuidadosamente com uma pinça. Como impressões digitais e poeira podem impedir uma boa adesão, os lados opostos da pinça podem ser utilizados para garantir uma fixação adequada. Preenchimento.

O canal é formado ao conectar uma seringa a um dos lados, colocando o outro em uma suspensão de microesferas de poliestireno e aplicando sucção suave. Uma vez posicionado no microscópio e focalizado, as conexões elétricas são feitas com o gerador de funções. Com as amostras carregadas e as conexões realizadas, os dispositivos estão agora prontos para um experimento.

Todos os vídeos experimentais que mostraremos consistem na injeção de uma suspensão aquosa de microesferas de poliestireno de dois mícrons no canal e na aplicação de um sinal aos eletrodos. Inicialmente, as partículas estão distribuídas aleatoriamente e exibem movimento browniano. Quando o sinal é aplicado, as partículas se alinham rapidamente no centro do eletrodo.

Vale lembrar que, como estamos utilizando um campo CA, não estamos observando a força KIC. Esse comportamento fascinante é devido aos padrões de fluido gerados, bem como às forças atrativas da dieléctroforese. À medida que a frequência aumenta, as partículas começam a se espalhar ao longo da largura do eletrodo.

À medida que a velocidade eletro-osmótica de corrente alternada diminui e a dieloforese começa a predominar em 56 quilohertz, as partículas migram para a borda do eletrodo. Quando as forças eletro-osmóticas de corrente alternada desaparecem e a dieloforese positiva se torna predominante. Como mostrado neste diagrama, esse comportamento continua em 100 quilohertz e as partículas estão agora firmemente fixadas à borda do eletrodo.

Quando a frequência é aumentada ainda mais para 250 quilohertz, as partículas começam a se alinhar ao longo do espaço e ocorre o chamado comportamento de cadeia de pérolas, que é causado por interações entre partículas; a 500 quilohertz, as partículas são repelidas da borda do eletrodo, já que a DEP negativa predomina. Isso pode ser explicado pelo fator de Clausius-Mossotti, que muda de positivo para negativo com o aumento da frequência, provocando uma transição da dieléctroforese positiva para a dieléctroforese negativa a um megahertz. A DEP negativa está próxima de seu valor máximo e as partículas são levitadas acima do eletrodo.

Um aumento na condutividade causa uma mudança importante no fator CM. Como é possível observar, não há mais DEP positivo, o que altera drasticamente o comportamento das partículas. Tenha isso em mente enquanto percorremos a mesma faixa de frequência, quando aplicamos um sinal de um quilohertz, as partículas orbitam fora do plano ao longo da borda do eletrodo.

A vista superior fornecida pelo microscópio mostra apenas o movimento lateral das partículas, conforme demonstrado nesta animação. Esta vista, que mostra as partículas se movendo para frente e para trás, oculta o movimento real das partículas quando vistas de lado. A natureza real de seu movimento pode ser mais facilmente observada.

Na verdade, eles estão orbitando; acredita-se que a razão pela qual orbitam e não ficam aprisionados no centro de cada eletrodo seja porque o componente de DEP é invertido. À medida que a frequência continua a aumentar, as partículas começam a coalescer em aglomerados, mantendo ao mesmo tempo o mesmo movimento orbital. Esse aglomeramento deve-se à interação entre partículas.

Acredita-se que as origens dessa interação se devam às leves distorções do campo elétrico causadas pelas próprias partículas. As distorções ao redor das partículas geram forças de DEP, que atraem partículas próximas. Ao continuarmos aumentando a frequência, ocorre uma mudança drástica em aproximadamente 250 quilohertz.

As partículas interrompem em grande parte o movimento orbital e formam uma nova manifestação da interação entre partículas. Eventualmente, à medida que a frequência aumenta ainda mais, nesse ponto, a repulsão de um megahertz devido à DEP negativa impulsiona as partículas para cima e para fora do plano focal do microscópio.

Em seguida, mostraremos um tipo de eletrodo com matriz entrelaçada operando em baixa condutividade. Este design de eletrodo é semelhante ao do último tipo, por ser interdigitado, mas os dedos retos foram substituídos por uma forma mais complexa. A um quilohertz, a coleta de partículas ocorre no centro das interseções e forma rapidamente um formato de losango.

À medida que a frequência aumenta, observamos a mesma dispersão das partículas coletadas. À medida que a eletroosmose alternada começa a diminuir e a DEP assume o controle, como antes, 56 quilohertz faz com que as partículas migrem lentamente para a borda do eletrodo. Curiosamente, quase todas as partículas se movem para um lado, o que pode ser devido a alguma pressão hidrostática.

Eles se movem muito mais rapidamente. A 100 quilohertz, o CEO praticamente desapareceu. A 250 quilohertz, as partículas começam a formar cadeias próprias.

A DEP negativa causada pela mudança para 500 quilohertz força as partículas para longe da borda do eletrodo. Aumentar ainda mais a frequência para um megahertz faz com que as partículas se movam para cima, saindo do plano focal, já que são repelidas com maior intensidade pela dieléctroforese negativa. Em seguida, mostraremos um tipo de eletrodo castelado operando em alta condutividade.

O padrão rotacional gerado com este tipo de eletrodo ocorre de maneira mais acentuada nos cantos internos dos eletrodos, e é nesses locais que as partículas acabam migrando. O comportamento de corte em formato de losango que observamos anteriormente não existe aqui, pois não há dieléctroforese positiva nesta condutividade. À medida que a frequência aumenta, a velocidade do fluido diminui lentamente.

Como as forças de eletroosmose CA desaparecem em 56 quilohertz, o movimento é muito lento e, em alguns locais, as partículas começam a se aglomerar e formar cadeias de pérolas em 100 quilohertz. As cadeias de pérolas são bastante nítidas. Lentamente, à medida que a frequência aumenta, aglomerados de partículas se fundem e formam formatos em X em cada um dos cantos.

Finalmente, em um megahertz, as cadeias pró são superadas pela DEP negativa e as partículas são repelidas da superfície. O design quádruplo mostrado aqui cria uma região de baixa intensidade de campo elétrico no centro do padrão de eletrodos e é projetado para usar dieletroforese negativa para focalizar partículas. Quando aplicamos 10 volts aos eletrodos, observamos uma focalização acentuada das partículas.

Vamos acelerar um pouco o tempo para que possamos ver como as partículas se apresentam em equilíbrio. Se reduzirmos a tensão para um volt, observamos a área focalizada começar a se expandir. À medida que a dieletroforese perde força frente à movimentação browniana, aumentar novamente a tensão faz com que as partículas voltem a se mover em direção ao centro.

Como no padrão quádruplo, o poço de potencial cria regiões de baixo campo elétrico para aprisionar partículas. Os eletrodos são interdigitados, de modo que outros efeitos já observados também podem ser vistos aqui. Quando os sinais são aplicados, observa-se o aprisionamento rápido de partículas devido ao CEO e ao DEP.

O efeito mais interessante, no entanto, é o que está ocorrendo nos quadrados ocos. As partículas aqui estão sendo coletadas devido à dieletroforese negativa após certo tempo ter decorrido. Também observamos alguma coleta em ambos os lados do poço de potencial, com a forma de triângulos.

Acabamos de mostrar alguns dos muitos aspectos interessantes da física por trás da eletrocinética em corrente alternada, como fabricar esses dispositivos e como interpretar os resultados experimentais com base em simulações numéricas e na física subjacente. Esses fenômenos, que envolvem o movimento de partículas, são bastante difíceis de compreender sem auxílios visuais. Os fenômenos eletrocinéticos em corrente alternada podem ser utilizados em diversas áreas de pesquisa.

Por exemplo, coleta de partículas para aplicações em biossensores, separação de partículas com propriedades diferentes, como tamanho e forma, para processamento de amostras e mistura ativa para melhoria de ensaios. Esperamos que este vídeo ajude cientistas e engenheiros a utilizar e fabricar dispositivos de cinética elétrica em corrente alternada, uma das áreas mais importantes e em crescimento da comunidade de laboratório em um chip. Bem, é isso aí.

Obrigado por assistir e boa sorte com seus experimentos.