AC Elektrokinetik Olaylar Mikroelektrod Yapıları tarafından oluşturuldu

Son birkaç yılda, çip üstü laboratuvar topluluğu, AC Elektrokinetik olarak bilinen heyecan verici bir teknolojiyi benimsedi. Bu fenomen grubu, mikron ile nanometre ölçeğindeki partikülleri ve sıvıları hızlı ve çok yönlü dalgalar halinde manipüle etmek için kullanılabilir ve birçok biyochip uygulaması için hızla temel bir gereksinim haline gelmektedir. Bu videoda, AC elektrokinetiğin temellerini, bu fenomenleri araştırmalarında kullanmaktan fayda sağlayabilecek diğer bilim insanlarına ve mühendislere yardımcı olacak yeterli ayrıntıda inceleyeceğiz.

Merhaba, benim adım Robert Hart; Drexel'de Biyomedikal Mühendislik Bilimi ve Sağlık Sistemleri bölümünde doktora öğrencisiyim. Bu videoya AC elektrik kinetiğinin arkasındaki fiziğin kısa bir açıklamasıyla başlayacağız. Ardından cihaz üretim aşamasına geçeceğiz ve son olarak bazı AC elektrik kinetiği videoları göstererek neler olduğunu açıklayacağız.

Tanımlayacağımız üç kuvvetten ilki dielektroforez olarak bilinir. Burada, suya batırılmış iki elektrot arasında oluşturulan bir elektrik alan görülmektedir. Bu elektrik alanına dielektrik bir partikül yerleştirilirse, partikül polarize olur.

Görüldüğü üzere, parçacık üzerindeki yükler sıvı içindeki yüklerle dengelenmektedir. Parçacığın sıvıdan daha polarize edilebilir olup olmadığı veya daha az polarize edilebilir olduğu, tekdüze bir elektrik alanındaki MoSo faktörü ile belirlenebilir. Parçacıklar bilinen bir net kuvvet deneyimler.

Ancak, burada gösterilen gibi homojen olmayan bir elektrik alanında, daha polarize olabilir olan parçacıklar, pozitif dielektroforez deneyimledikleri için yüksek elektrik alanı bölgelerine doğru hareket ederler; frekansın değiştirilmesi polarize olabilirliği etkileyerek, negatif dielektroforez olarak bilinen ters etkiye yol açar ve parçacıklar yüksek elektrik alanı şiddeti olan bölgelerden uzaklaşırlar. İkinci kuvvet ise AC elektroozmostur; AC elektroozmosun temelinde, yüzeydeki elektrik potansiyeli nedeniyle oluşan elektrik çift katmanı yer alır. Bu bölge, yüzeye sıkıca bağlı hareketsiz iyonlardan oluşan Stern tabakası ve bağlı olmalarına rağmen hala yanal olarak hareket edebilen iyonları içeren yaygın tabaka şeklinde ikiye ayrılır.

Elektrotun kenarına yakın iyonlardan birini incelersek, elektrik alanından kaynaklanan bir soğutma kuvvetine maruz kaldığını gözlemleriz. Kuvvetin Y bileşeni, yüzeydeki yüklerin varlığı ile dengelenir. Bu nedenle, iyon elektrotun merkezine doğru yönlenmiş net bir yanal kuvvet hisseder; elektrotun her iki yanındaki iyonlar elektrotun merkezine doğru hareket eder ve akışkanı beraberinde sürükleyecek kadar sayıya ulaşırlar.

Bu iki akışın birleşmesi, merkezdeki sıvının yukarı doğru hareket etmesine neden olur ve döner bir sıvı deseni ortaya çıkar. Potansiyelin değiştirilmesi, karşı iyonlar da değiştiği için sıvı deseninin yönünü etkilemez. Üçüncü ve son fenomen ise AC hidrotermal etkidir.

Bir sıvıdan elektrik alanı geçirildiğinde, JUUL ısıtması sıcaklık gradyanlarına neden olur. Simülasyonda gösterildiği gibi, suyun elektriksel özellikleri değişir. Sonuç olarak, elektriksel özelliklerdeki bu sapmalar, bir gövde kuvveti oluşturmak üzere elektrik alanı ile etkileşime girer.

AC elektro-ozmoza benzeyen ortaya çıkan hareket, kökenlerinin farklı doğasına rağmen yapısal olarak döneldir. Tamamlayıcı olması açısından AC hidrotermal etkiden kısaca bahsettik, ancak hidrotermal etkinin etkileri oldukça hafiftir. Deneylerimizin çalışma koşulları altında, üç kuvvetin her birinin arkasındaki matematiksel ilkelerden yola çıkarak, iki mikronluk bir polistiren partiküle etki eden toplam bileşke kuvveti gösteren bir sonlu elemanlar sayısal simülasyonu oluşturulmuştur. Çalıştırdığımız sonlu elemanlar simülasyonu, kanalın her bir konumunda elektrotların iki boyutlu bir kesitini alır ve yalnızca bir tanesini merkezler.

İlk simülasyon, düşük iletkenlikli ortamı göstermekte ve düşük frekanslarda 100 hertz'den bir megahertz'e doğru ilerlemektedir. Rotasyonel kuvvet düzeninden görülebileceği üzere, AC elektroosmoz baskındır. İlerledikçe, her bir elektrot köşesine yönelen çekici kuvvetlerin gösterdiği gibi, pozitif dielektroforez hakim olmaya başlar.

Frekans bir eşiğin üzerine çıktıkça, pozitif DEP'nin etkisi negatif DEP'ye boyun eğer ve partiküller, yerçekimi kuvvetiyle dengelendikleri belirli bir yüksekliğe kadar itilirler. Şimdi, aynı frekansları yüksek iletkenlikte uygulayacağız. Yüksek iletkenlikte, AC elektrosmotik kuvvet genellikle düşük iletkenliktekinden daha zayıftır ve tepe hız daha yüksek bir frekansta meydana gelir.

Ayrıca, iletkenlik çok yüksek olduğu için pozitif DEP'nin oluşmadığını unutmayın. AC elektroozmos, daha yüksek iletkenlik ve daha yüksek voltaj ile doğrudan negatif DEP'ye yer bırakır. Elektrodermal etki çok daha net bir şekilde gösterilecektir.

Bu bölümde, cihaz üretimi ve montajından bahsedeceğiz. Cihazların kendileri, bir alt tabaka üzerine desenlemiş altın elektrotlardan oluşur. Bu örnekte alt tabaka olarak cam kullanılmıştır.

Bunu başarmak için bir ıslak aşındırma yöntemi göstereceğiz, ancak yaygın olarak bilinen liftoff prosedürü de rutin olarak kullanılır ve daha sonra gösterilecektir. Kullandığımız dört tasarım; paralel interdigitated, paralel castellated, potansiyel kuyu ve quadruple tasarımlarıdır. İşlemin kısa bir açıklaması şöyledir.

İlk olarak, cam substrat üzerine bir krom ve altın tabakası kaplanır. Ardından, substrat fotoresist ile kaplanır ve elektrot deseni, UV temas pozlaması ile maskeden substrata aktarılır.

Pozlama ve geliştirme işlemlerinden sonra, krom ve altın katmanları aşındırılarak uzaklaştırılır ve fotoresist sökülür. İyi bir yapışma elde etmek için cam lamlar çok temiz olmalıdır. Bu işlem genellikle sülfürik asit ve hidrojen peroksitten oluşan ısıtılmış piranha çözeltisi ile gerçekleştirilir.

Bu tehlikeli kombinasyonla çalışırken büyük özen gösterilmelidir. Temizlendikten sonra altlıklar kurutulur ve metal biriktirme işlemine hazır hale getirilir. Bu adım, bir elektron demeti evaporatöründe gerçekleştirilir.

Cam lamlar, biriktirme koşullarına dayanacak şekilde özel olarak tasarlanmış kapaklı bantlı numune tutucuya yerleştirilir. Ardından, numuneler makineye yüklenir ve vakumlanır. İşlem, sırasıyla yaklaşık 20 ve 200 nanometre kalınlığında sonuçlanan iki dakikalık kısa bir krom biriktirme ve 30 dakikalık bir altın biriktirme aşamasından oluşur.

Numuneler çıkarıldığında, altın yüzey net bir şekilde görülür. Fotolitografi, bir spin kaplama cihazı kullanılarak fotoresist kaplaması ile başlar. Fotoresist, makine içindeki bir mandren üzerinde yer alan substratın üzerine pipetle aktarılır.

Cam, fazla fotoresistin büyük bir kısmını uzaklaştıran belirli bir hızda döndürülerek tutarlı bir fotoresist tabakası oluşturulur. Bu işlemi, 100 °C'de iki dakika süren bir yumuşak pişirme (soft bake) takip eder. Bu işlem fotoresisti sertleştirir ve UV Pozlama için hazırlar. Ardından, fotomaske substratla temas ettirilir ve yaklaşık sekiz saniye boyunca UV ışığına maruz bırakılır.

Bu işlem, deseni fotoresist tabakasına aktarır. Geliştirme adımı, ışığa maruz kalmış tüm fotoresist bölgelerini temizler. Bu işlemle fotolitografi aşaması tamamlanır ve altın ile krom aşındırma işlemine hazır hale gelinir.

Alt tabakamızdaki geliştirme sürecinde açığa çıkan alanlar artık aşındırılmaya hazırdır. Fotoresist yüzeyin geri kalanını etkili bir şekilde korur, ancak diğer tüm adımlarda olduğu gibi, aşındırma süresi dikkatle kontrol edilmelidir. Burada, alt tabakaların karanlıkta, iyot bazlı altın aşındırma çözeltisine yerleştirildiğini görüyoruz.

Su ile durulandıktan sonra, krom tabakası krom aşındırma işlemi ile uzaklaştırılır. Camın yeniden şeffaf hale gelmesiyle gerçekleşen dönüşüme dikkat edin. Krom uzaklaştırıldıktan sonra, aşındırılmış alt tabakaların aşındırılmamış olanlarla karşılaştırılması sonuçları ortaya koyar.

Mikroskop altında yapılacak hızlı bir inceleme, işlemin başarısını gösterir. Burada, elektrik bağlantıları yapılmış, başarıyla üretilmiş bir cihaz görüyoruz. Yanında ise tüp bağlantıları olan bir PD DS kanalı yer almaktadır.

PDMS kanal bir cihaza yerleştirildiğinde, camla birlikte oldukça etkili bir sızdırmazlık sağlanır ve sıvı kanal boyunca akabilir. Bu işlem bir penset yardımıyla dikkatlice gerçekleştirilir. Parmak izleri ve tozlar yapışmayı engelleyebileceği için, iyi bir tutunma sağlamak adına pensetin karşı uçları kullanılabilir. Doldurma.

Kanal, bir uca şırınga takılıp diğer ucu polistiren mikroküre süspansiyonuna yerleştirilip hafif vakum uygulanmasıyla oluşturulur. Mikroskoba yerleştirilip odaklama yapıldıktan sonra, fonksiyon jeneratörüne elektriksel bağlantılar gerçekleştirilir. Numuneler yüklendiğinde ve bağlantılar yapıldığında, cihazlar artık bir deney için hazırdır.

Göstereceğimiz tüm deneysel videolar, iki mikronluk polistiren mikrokürelerin sulu bir süspansiyonunun kanala enjekte edilmesinden ve elektrotlara bir sinyal uygulanmasından oluşmaktadır. Başlangıçta parçacıklar rastgele dağılmış durumdadır ve Brown hareketi sergilerler. Bir killer sinyali uygulandığında, parçacıklar hızla elektrodun merkezinde hizalanır.

AC alan kullandığımız için KIC kuvvetına tanık olmadığımızı unutmayın. Bu büyüleyici davranış, oluşturulan akışkan kalıplarının yanı sıra dielektroforezin çekici kuvvetlerinden kaynaklanmaktadır. Frekans artırıldıkça, partiküller elektrot genişliği boyunca yayılmaya başlar.

AC elektroosmotik hız azalıp 56 kHz'de dielektroforez baskın hale geldikçe, partiküller elektrot kenarına doğru göç eder. AC elektroosmoz kuvvetleri sönümlenir ve pozitif dielektroforez hakim olur. Bu diyagramda gösterildiği üzere, bu davranış 100 kHz'de devam eder ve partiküller artık elektrot kenarına sıkıca tutunmuş durumdadır.

Frekans daha da artırılarak 250 kilohertz'e çıkarıldığında, parçacıklar boşluk boyunca dizilmeye başlar ve 500 kilohertz'de parçacık-parçacık etkileşimlerinden kaynaklanan, "inci kolye" davranışı olarak adlandırılan durum görülür; negatif DEP baskın hale geldiğinde parçacıklar elektrot kenarından itilir. Bu durum, frekans artışıyla birlikte pozitiften negatife dönen ve bir megahertz'de pozitif dielektroforezden negatif dielektroforeze geçişe neden olan Clausius-Mossotti faktörü ile açıklanabilir. Negatif DEP maksimum değerine yakındır ve parçacıklar elektrot üzerinde asılı kalır.

İletkenlikteki artış, CM faktöründe önemli bir değişikliğe neden olur. Gördüğünüz üzere, artık pozitif DEP yoktur ve bu durum partikül davranışını kökten değiştirir. Aynı frekans aralığını tararken bunu aklınızda bulundurun; bir kilohertz sinyal uyguladığımızda partiküller elektrot kenarı boyunca düzlem dışına doğru yörüngeler çizer.

Mikroskobun sağladığı üst görünüm, bu animasyonda gösterildiği gibi yalnızca yanal partikül hareketini sergilemektedir. Partiküllerin ileri geri hareket ettiğini gösteren bu görünüm, yan taraftan bakıldığında görülen gerçek partikül hareketini gizlemektedir. Hareketlerinin gerçek doğası daha kolay görülebilir.

Aslında yörüngede hareket etmektedirler; merkezde hapsolmak yerine yörünge çizdikleri yönündeki inanış, DEP bileşeninin tersine dönmesinden kaynaklanmaktadır. Frekans artmaya devam ettikçe, parçacıklar aynı yörünge hareketini korurken kümeler oluşturarak birleşmeye başlar. Bu kümelenme, parçacıklar arası etkileşimden kaynaklanmaktadır.

Bu etkileşimin kökenlerinin, parçacıkların kendilerinin neden olduğu hafif elektrik alanı bozulmalarından kaynaklandığı düşünülmektedir. Parçacıkların etrafındaki bozulmalar, yakındaki parçacıkları çeken DEP kuvvetleri oluşturur. Frekansı artırmaya devam ettikçe, yaklaşık 250 kilohertz'de dramatik bir değişim meydana gelir.

Parçacıklar büyük ölçüde yörüngesel hareketi durdurur ve parçacık-parçacık etkileşiminin bir başka göstergesi olan pro değişimini oluştururlar. Sonunda, frekans daha da yükseldiğinde, bu noktada, bir megahertz değerinde negatif DEP kaynaklı itme kuvveti parçacıkları yukarıya ve mikroskop odak düzleminin dışına doğru iter.

Ardından, düşük iletkenlikte çalışan döküm yükseltilmiş elektrot tipini göstereceğiz. Bu elektrot tasarımı, interdigite (birbirine geçmiş) yapısı bakımından son tipinkine benzerdir, ancak düz parmakların yerini daha karmaşık bir şekil almıştır. Bir kilohertz değerinde, partikül toplama işlemi kesişim noktalarının merkezinde gerçekleşir ve hızla elmas şeklinde bir yapı oluşturur.

Frekans arttıkça, toplanan partiküllerde benzer bir yayılma görüyoruz. AC elektroozmoz etkisi azalmaya ve DEP baskın hale gelmeye başladığında, daha önce olduğu gibi 56 kilohertz partiküllerin yavaşça elektrot kenarına doğru göç etmesine neden olur. İlginç bir şekilde, partiküllerin neredeyse tamamı bir tarafa doğru hareket eder; bu durum bazı hidrostatik basınç etkilerinden kaynaklanıyor olabilir.

Çok daha hızlı hareket ederler. 100 kilohertz'de CEO neredeyse tamamen kaybolmuştur. 250 kilohertz'de ise partiküller pro zincirler oluşturmaya başlar.

500 kilohertz'e geçişin neden olduğu negatif DEP, partikülleri elektrot kenarından uzaklaştırır. Frekansın daha da artırılarak bir megahertz'e çıkarılması, negatif dielektroforez nedeniyle partiküllerin daha fazla itilmesiyle odak düzleminin dışına, yukarı doğru hareket etmelerine yol açar. Sırada, yüksek iletkenlikte çalışan tırtıklı bir elektrot tipini göstereceğiz.

Bu elektrot tipiyle oluşturulan rotasyonel örüntü, en belirgin şekilde iç elektrot köşelerinde meydana gelir ve partiküller nihayetinde bu bölgelere göç eder. Daha önce gördüğümüz elmas şeklinde kesme davranışı, bu iletkenlikte pozitif dielektroforez olmadığı için burada görülmez. Frekans arttıkça, akışkan hızı yavaşça azalır.

AC elektroozmoz kuvvetleri 56 kilohertz'de etkisini yitirdiğinden, hareket çok yavaştır ve bazı bölgelerde partiküller 100 kilohertz'de kümelenmeye ve inci zincirleri oluşturmaya başlar. İnci zincirleri oldukça belirgindir. Frekans yavaşça artırıldığında, partikül kümeleri birleşerek her bir köşede X şekilleri oluşturur.

Son olarak, bir megahertz'de, pro zincirler negatif DEP tarafından etkisiz hale getirilir ve partiküller yüzeyden itilir. Burada gösterilen Dörtlü tasarım, elektrot deseninin merkezinde düşük elektrik alanı şiddetine sahip bir alan oluşturur ve partikülleri odaklamak için negatif dielektroforezi kullanacak şekilde tasarlanmıştır. Elektrotlara 10 volt uyguladığımızda, belirgin bir partikül odaklanması gözlemliyoruz.

Parçacıkların dengedeki görünümünü görebilmek için zamanı biraz hızlandıracağız. Voltajı bir volta düşürdüğümüzde, odaklanmış alanın genişlemeye başladığını görürüz. Dielektroforez, Brown hareketi karşısında etkisini yitirdikçe, voltajın yeniden artırılması parçacıkların tekrar merkeze doğru hareket etmesine neden olur.

Dörtlü desen gibi, potansiyel kuyusu da parçacıkları hapsetmek için düşük elektrik alanı bölgeleri oluşturur. Elektrotlar birbirine geçmiş (interdigitated) yapıdadır, böylece daha önce gördüğümüz diğer etkiler burada da gözlemlenebilir. Sinyaller uygulandığında, CEO ve DEP nedeniyle parçacıkların hızla hapsolduğu görülür.

Ancak daha ilginç olan etki, içi boş karelerde meydana gelendir. Belirli bir süre geçtikten sonra, buradaki partiküller negatif dielektroforez nedeniyle toplanmaktadır. Ayrıca, potansiyel kuyusunun her iki yanında üçgen şeklinde bazı birikimler de görülmektedir.

AC elektrokinetiğinin ardındaki birçok ilgi çekici fizik olgusundan bazılarını, bu cihazların nasıl üretileceğini ve deneysel sonuçların sayısal simülasyonlar ile temel fizik prensipleri temelinde nasıl yorumlanacağını göstermiş olduk. Hareket eden parçacıklarla ilgili olan bu fenomenlerin görsel yardımcılar olmadan anlaşılması oldukça zordur. AC elektrokinetik fenomenler, birçok araştırma alanında kullanılabilir.

Örneğin, biyosensör uygulamaları için partikül toplama, numune işleme için boyut ve şekil gibi farklı özelliklere sahip partiküllerin ayrıştırılması ve analiz geliştirme için aktif karıştırma gibi işlemler gerçekleştirilebilir. Bu videonun, bilim insanlarının ve mühendislerin, lab-on-a-chip topluluğunun en önemli ve büyüyen alanlarından biri olan AC elektrik kinetik cihazlarını kullanmalarına ve üretmelerine yardımcı olmasını umuyoruz. Evet, işte bu kadar.

İzlediğiniz için teşekkürler, deneylerinizde başarılar dileriz.