AC Электрокинетические явления Создано с помощью Микроэлектродные Структуры

За последние несколько лет сообщество специалистов по лабораториям на чипе освоило перспективную технологию, известную как AC-электрокинетика. Эта группа явлений позволяет манипулировать частицами и жидкостями в масштабе от микро- до нанометров с помощью быстрых и универсальных волн, и она быстро становится незаменимой для многих приложений на биочипах. В этом видео мы подробно разберем основы AC-электрокинетики, чтобы помочь другим ученым и инженерам, которым использование этих явлений может быть полезно в их исследованиях.

Здравствуйте, меня зовут Роберт Харт, я аспирант кафедры биомедицинской инженерной науки и систем здравоохранения в Университете Дрексель. Мы начнем это видео с краткого описания физических принципов переменного тока в электрокинетике. Затем мы перейдем к изготовлению устройства и, наконец, покажем несколько видеороликов с демонстрацией электрокинетики под воздействием переменного тока и объясним происходящие процессы.

Первая из трех сил, которые мы опишем, называется диэлектрофорезом. Здесь показано электрическое поле, создаваемое между двумя погруженными электродами. Если в это электрическое поле поместить диэлектрическую частицу, она поляризуется.

Как видно, заряды на частице сбалансированы зарядами в жидкости. Определить, является ли частица более или менее поляризуемой, чем жидкость, можно по классическому фактору MoSo в однородном электрическом поле. На частицы действует известная чистая сила.

Однако в неоднородном электрическом поле, подобном представленному здесь, частицы с более высокой поляризуемостью перемещаются в области высокой напряженности электрического поля, испытывая положительный диэлектрофорез; изменение частоты для переключения поляризуемости приводит к противоположному эффекту, известному как отрицательный диэлектрофорез, при котором частицы удаляются от областей высокой напряженности электрического поля. Второй силой является AC-электроосмос; в основе AC-электроосмоса лежит формирование двойного электрического слоя под воздействием электрического потенциала. На поверхности эта область делится на слой Штерна, состоящий из неподвижных ионов, жестко связанных с поверхностью, и диффузный слой, содержащий ионы, которые, будучи связанными, все еще могут свободно перемещаться латерально.

Если рассмотреть один из ионов у края электрода, можно заметить, что он подвергается воздействию кулоновской силы электрического поля. Y-компонента этой силы уравновешивается наличием зарядов на поверхности. Таким образом, на ион действует результирующая боковая сила, направленная к центру электрода; ионы по обе стороны электрода перемещаются и скапливаются в его центре в достаточном количестве, чтобы увлечь за собой жидкость.

Слияние этих двух потоков приводит к перемещению жидкости в центре вверх, в результате чего возникает ротационный характер течения. Переключение потенциала не влияет на направление этого паттерна, поскольку противоионы также сменяются. Третьим и последним явлением является переменный гидротермальный эффект.

При пропускании электрического поля через жидкость нагрев в устройстве JUUL вызывает температурные градиенты. Как показано на симуляции, электрические свойства воды изменяются. В результате эти возмущения электрических свойств взаимодействуют с электрическим полем, создавая объемную силу.

Результирующее движение, подобно AC-электроосмосу, носит вращательный характер, несмотря на иную природу его возникновения. Для полноты картины мы кратко упомянули AC-гидротермальный эффект, однако его влияние незначительно. С учетом условий проведения наших экспериментов, на основе математических принципов каждой из трех сил было создано конечно-элементное численное моделирование, которое демонстрирует суммарную силу, воздействующую на полистирольную частицу размером 2 µm. В каждой точке канала выполненное нами конечно-элементное моделирование использует двумерный поперечный разрез электродов и фокусируется только на одном из них.

Первая симуляция демонстрирует среду с низкой проводимостью и охватывает диапазон частот от 100 hertz до одного мегагерца. Преобладает AC-электроосмос, что видно по характеру вращательной силы. По мере увеличения частоты начинают доминировать положительные диэлектрофоретические силы, что иллюстрируется силами притяжения, направленными к каждому углу электрода.

При увеличении частоты за определенным порогом положительный DEP уравновешивается отрицательным DEP, и частицы отталкиваются до определенной высоты, где они уравновешиваются силой тяжести. Теперь мы разберем те же частоты при высокой проводимости. При высокой проводимости сила электроосмоса переменного тока, как правило, ниже, чем при низкой проводимости, а пиковая скорость достигается при более высокой частоте.

Также следует отметить, что положительного диэлектрофореза (DEP) не наблюдается из-за слишком высокой проводимости. При более высокой проводимости и более высоком напряжении электроосмос переменного тока сменяется непосредственно отрицательным DEP. В этом случае электродермальный эффект будет проявлен гораздо четче.

В данном разделе мы обсудим изготовление и сборку устройств. Сами устройства состоят из золотых электродов, нанесенных на подложку. В данном случае в качестве подложки используется стекло.

Мы продемонстрируем метод мокрого травления для достижения этого результата, однако широко известная процедура «лифтоффа» также регулярно используется и будет показана позже. Мы используем четыре варианта конструкции: параллельные интердигитальные, параллельные кастеллированные, потенциальную яму и квадрупольные. Краткое описание процесса приведено ниже.

Сначала на стеклянную подложку наносят слои хрома и золота. Затем подложку покрывают фоторезистом и переносят рисунок электродов с маски на подложку с помощью УФ-экспонирования в контактном режиме.

После проявления хром и золото подвергаются травлению, а фоторезист удаляется. Для обеспечения хорошей адгезии стеклянные подложки должны быть очень чистыми. Обычно это достигается с помощью нагретого раствора «пираньи», который состоит из серной кислоты и перекиси водорода.

При работе с этим опасным сочетанием веществ следует соблюдать крайнюю осторожность. После очистки подложки высушивают, после чего они готовы к осаждению металла. Данный этап выполняется в испарителе с электронно-лучевым нагревом.

Стеклянные предметные стекла помещают в держатель для образцов с использованием специализированной ленты, которая устойчива к условиям напыления. Затем образцы загружают в установку и создают вакуум. Процесс состоит из короткого двухминутного напыления хрома и 30-минутного напыления золота, в результате чего получаются слои толщиной примерно 20 и 200 nanometers соответственно.

После извлечения образцов становится отчетливо видна золотая поверхность. Фотолитография начинается с нанесения фоторезиста с помощью установки для центрифужного нанесения. Фоторезист наносят пипеткой на подложку, которая закреплена на патроне установки.

Равномерный слой фоторезиста создается путем центрифугирования стекла на определенной скорости, что позволяет удалить большую часть избыточного фоторезиста. Затем следует мягкий дозапек в течение двух минут при 100 °C. Это отверждает фоторезист и подготавливает его к УФ-экспонированию. Далее фотошаблон прижимают к подложке и подвергают воздействию УФ-излучения примерно в течение восьми секунд.

Это переносит рисунок на фоторезист. На этапе проявления удаляются все области фоторезиста, которые подвергались воздействию света. Таким образом завершается стадия фотолитографии, и мы готовы к травлению золота и хрома.

Участки подложки, открытые в процессе проявления, теперь готовы к травлению. Фоторезист эффективно защищает остальную часть поверхности, однако, как и на всех этапах, время травления должно строго контролироваться. Здесь показано помещение подложек в темный раствор для травления золота на основе йода.

После промывки водой хром удаляют с помощью травления хрома. Обратите внимание на происходящую трансформацию: стекло снова стало прозрачным. После удаления хрома проводится сравнение травленых и нетравленых подложек для оценки результатов.

Быстрый осмотр под микроскопом подтверждает успех процесса. Здесь мы видим успешно изготовленное устройство с выполненными электрическими соединениями. Рядом с ним расположен канал PDDS с трубчатыми соединениями.

Когда канал из PDMS помещается на устройство, между ним и стеклом создается очень эффективное уплотнение, что позволяет жидкости протекать по каналу. Эта операция аккуратно выполняется с помощью пинцета. Поскольку отпечатки пальцев и пыль могут препятствовать надежному прилипанию, для обеспечения качественного закрепления рекомендуется использовать противоположные стороны пинцета.Заполнение.

Канал формируется путем присоединения шприца к одной стороне, погружения другой стороны в суспензию полистироловых микросфер и создания слабого разрежения. После установки в микроскоп и настройки фокуса устанавливаются электрические соединения с генератором функций. После загрузки образцов и подключения устройств система готова к проведению эксперимента.

Все демонстрируемые нами экспериментальные видео состоят из введения в канал водной суспензии полистирольных микросфер размером 2 мкм и подачи сигнала на электроды. Первоначально частицы распределены случайным образом и совершают броуновское движение. При подаче сигнала с одним киллером частицы быстро выстраиваются в центре электрода.

Имейте в виду, что поскольку мы используем переменное электрическое поле, эффект KIC не наблюдается. Это интересное поведение обусловлено как создаваемыми структурами потоков жидкости, так и силами притяжения, возникающими при диэлектрофорезе. При увеличении частоты частицы начинают распределяться по всей ширине электрода.

По мере того как скорость АС-электроосмоса снижается и на частоте 56 килогерц начинает преобладать диэлектрофорез, частицы мигрируют к краю электрода. Вследствие этого силы АС-электроосмоса затухают и доминирует положительный диэлектрофорез. Как показано на данной схеме, такое поведение сохраняется и при 100 килогерц, в результате чего частицы прочно фиксируются у края электрода.

При дальнейшем увеличении частоты до 250 килогерц частицы начинают выстраиваться поперек зазора, что приводит к так называемому поведению в виде «жемчужных цепочек», вызванному взаимодействиями между частицами; при 500 килогерц частицы отталкиваются от края электрода, так как начинает преобладать отрицательный DEP. Это объясняется фактором Клаузиуса-Моссотти, который при увеличении частоты меняется с положительного на отрицательный, вызывая переход от положительного диэлектрофореза к отрицательному диэлектрофорезу. При одной мегагерц отрицательный DEP приближается к своему максимальному значению, и частицы левитируют над электродом.

Увеличение проводимости вызывает значительное изменение фактора CM. Как видно, положительный DEP больше не наблюдается, что кардинально меняет поведение частиц. Учитывайте это при сканировании того же диапазона частот: при подаче сигнала с частотой 1 kHz частицы выходят из плоскости, двигаясь вдоль края электрода.

Вид сверху, полученный с помощью микроскопа, демонстрирует только латеральное перемещение частиц, как показано на этой анимации. Этот ракурс, при котором частицы движутся вперед и назад, скрывает истинную траекторию их движения при взгляде сбоку. При таком подходе истинная природа их движения становится более очевидной.

Фактически они движутся по орбите; считается, что причина такого орбитального движения и отсутствие захвата в центре каждого электрода заключается в изменении знака компонента DEP. При дальнейшем увеличении частоты частицы начинают слипаться в комки, сохраняя при этом то же орбитальное движение. Такое слипание обусловлено взаимодействием частиц друг с другом.

Считается, что истоки этого взаимодействия обусловлены небольшими искажениями электрического поля, вызванными самими частицами. Искажения вокруг частиц создают силы DEP, которые притягивают соседние частицы. По мере дальнейшего увеличения частоты, примерно при 250 килогерцах, происходит резкое изменение.

Частицы практически прекращают орбитальное движение и начинают формировать структуры, что является еще одним проявлением взаимодействия частиц друг с другом. Со временем, по мере дальнейшего повышения частоты, при достижении 1 МГц отталкивание, вызванное отрицательным DEP, выталкивает частицы вверх и за пределы фокальной плоскости микроскопа.

Далее мы продемонстрируем электрод с литым покрытием, работающий при низкой проводимости. Конструкция этого электрода схожа с предыдущим типом, так как он также является интердигитальным, однако прямые «пальцы» здесь заменены на более сложную форму. На частоте 1 кГц сбор частиц происходит в центре пересечений и быстро приводит к формированию фигуры в форме ромба.

При увеличении частоты мы наблюдаем аналогичное рассеивание собранных частиц. По мере затухания AC-электроосмоса и усиления влияния DEP, как и ранее, частота 56 килогерц приводит к медленной миграции частиц к краю электрода. Примечательно, что почти все частицы перемещаются в одну сторону, что может быть обусловлено воздействием гидростатического давления.

Они движутся гораздо быстрее. При 100 килогерцах CEO практически полностью исчезает. При 250 килогерцах частицы начинают образовывать цепочки.

Отрицательный DEP, вызванный переходом на 500 килогерц, выталкивает частицы от края электрода. Дальнейшее увеличение частоты до одного мегагерца приводит к тому, что частицы перемещаются вверх, выходя из фокальной плоскости, так как они еще сильнее отталкиваются в результате отрицательного диэлектрофореза. Далее мы продемонстрируем работу зубчатого электрода при высокой электропроводности.

Схема вращения, создаваемая электродом такого типа, наиболее выражена у внутренних углов электрода, и именно сюда в конечном итоге мигрируют частицы. Эффект «рубки» в форме ромба, который наблюдался ранее, здесь отсутствует, так как при данной проводимости положительный диэлектрофорез не проявляется. При увеличении частоты скорость жидкости постепенно снижается.

Поскольку силы AC-электроосмоса затухают при 56 килогерц, движение происходит очень медленно, и в некоторых местах частицы начинают слипаться, образуя «жемчужные цепочки» при 100 килогерц. Жемчужные цепочки видны достаточно отчетливо. По мере постепенного увеличения частоты скопления частиц сливаются и образуют X-образные фигуры в каждом из углов.

Наконец, при частоте один мегагерц преобладают силы отрицательного DEP, и частицы отталкиваются от поверхности. Представленная здесь четырехполюсная конструкция создает область низкой напряженности электрического поля в центре структуры электродов и предназначена для фокусировки частиц с помощью отрицательного диэлектрофореза. При подаче 10 вольт на электроды наблюдается интенсивная фокусировка частиц.

Мы немного ускорим время, чтобы увидеть, как выглядят частицы в состоянии равновесия. Если снизить напряжение до одного вольта, мы заметим, что область фокусировки начинает расширяться. По мере того как диэлектрофорез уступает место броуновскому движению, повторное повышение напряжения заставляет частицы снова смещаться к центру.

Подобно квадрупольной ловушке, потенциальная яма создает области с низким значением электрического поля для захвата частиц. Электроды имеют переплетенную структуру, поэтому здесь также могут наблюдаться другие эффекты, которые мы уже рассматривали. При подаче сигналов наблюдается быстрый захват частиц за счет CEO и DEP.

Однако более интересным является эффект, наблюдаемый в полых квадратах. Спустя некоторое время частицы здесь начинают скапливаться вследствие отрицательного диэлектрофореза. Мы также видим скопления в форме треугольников по обе стороны от потенциальной ямы.

Мы только что продемонстрировали некоторые из многочисленных интересных физических аспектов переменного тока в электрокинетике, способы изготовления этих устройств, а также методы интерпретации экспериментальных результатов на основе численного моделирования и фундаментальных физических принципов. Эти явления, связанные с движением частиц, довольно сложно понять без наглядных пособий. Электрокинетические явления под действием переменного тока могут быть применены во многих областях исследований.

Например, сбор частиц для применения в биосенсорах, разделение частиц с различными свойствами, такими как размер и форма, для обработки образцов, а также активное перемешивание для улучшения качества анализа. Мы надеемся, что это видео поможет ученым и инженерам использовать и создавать устройства на основе переменного электрического кинетического воздействия — одной из наиболее значимых и развивающихся областей в сообществе «лабораторий на чипе». На этом всё.

Благодарим за просмотр и желаем успехов в ваших экспериментах.