توليد ومراقبة اليكتروهيدروديناميك التدفقات في حلول الكهرباء المائية
Summary
تصحيح مسارات النقل أيون طريقة فعالة لتوليد تدفقات اليكتروهيدروديناميك جر أيون واحد ثنائي الاتجاه. بواسطة تعيين غشاء تبادل الأيوني في قناة تدفق، يتم إنشاء شرط مستقطب كهربائياً ويؤدي إلى تدفق سائل لتكون مدفوعة عند تطبيق مجال الكهربائي خارجياً.
Abstract
محرك اليكتروهيدروديناميك (EHD) التدفقات في المحاليل، الفصل بين مسارات النقل الموجبة وشاردة ضروري لأن قوة جسم كهربائية موجهة لتكون الناجمة عن الالتماسات الأيونية في السائل. من ناحية أخرى، رسوم الإيجابية والسلبية تجذب بعضها البعض، والحفاظ على اليكترونيوتراليتي في كل مكان في ظروف التوازن. وعلاوة على ذلك، بزيادة جهد المطبق منعها لتجنب التحليل الكهربائي الماء، الذي يؤدي إلى الحلول لتصبح غير مستقرة. عادة، يمكن أن يتسبب تدفقات EHD في المحاليل غير بتطبيق الفولتية عالية للغاية، مثل عشرات كيلو فولت، لحقن رسوم الكهرباء. في هذه الدراسة، يتم عرض طريقتين لتوليد تدفقات EHD الناجمة عن فصل الشحن الكهربائي في المحاليل، حيث مرحلتين السائلة تكون مفصولة غشاء تبادل الأيوني. بسبب اختلاف في الحركة الأيونية في الغشاء، هو فعل الاستقطاب تركيز أيون بين جانبي الغشاء. في هذه الدراسة، ونظهر طريقتين. (ط) تخفيف تركيز أيون التدرجات يحدث عبر قناة تدفق التي تخترق غشاء تبادل الأيوني، حيث يصبح نقل الأنواع أبطأ في الغشاء بشكل انتقائي المهيمنة في قناة التدفق. وهذا قوة دافعة لتوليد تدفق EHD في السائل. وقت الانتظار (ثانيا) منذ فترة طويلة لنشر أيونات يمر عبر غشاء التبادل الأيوني يمكن توليد تدفق سحب أيون بتطبيق حقل كهربائي خارجياً. أيونات تتركز في قناة تدفق شريحة2 مم 1 × 1 تحدد اتجاه تدفق السائل، المقابلة لمسارات النقل الغرواني الكهربي. في كلتا الطريقتين، يتم تقليل الفرق الجهد الكهربائي اللازم لتوليد تدفق EHD جذريا إلى قرب 2 الخامس بتصحيح مسارات النقل أيون.
Introduction
في الآونة الأخيرة، وتقنيات مراقبة تدفق السائل اجتذبت الكثير من الاهتمام بسبب الاهتمام بالتطبيقات من الصغر ونانوفلويديك الأجهزة1،2،3،،من45، 6 , 7 , 8 , 9 , 10 , 11 , 12 , 13 , 14 , 15-في حلول القطبية، مثل المحاليل والسوائل الأيونية، الأيونات والجسيمات المشحونة كهربائياً تجلب عادة عن الشحنات الكهربائية في تدفق السائل. نقل هذه الجزيئات المستقطبة يوفر توسع في تطبيقات مختلفة، مثل التلاعب جزيء واحد6،10،11،،من1314 , 15 , 16 , 17وأيون أجهزة أشباه الموصلات12،18، وتدفق السائل التحكم19،20،،من2122. تدفق EHD تم ظاهرة المطبقة لنظم التحكم في تدفق السائل منذ1،ستويتزير2 اخترع مضخة السحب أيون. ميلتشر وتايلور3 مقالا هامة التي تم استعراض الإطار النظري لتدفق EHD جيدا وكما أظهرت بعض التجارب غير المسددة. سافيل4 و23،زملاء له24 ساهمت في توسيع نطاق التكنولوجيات EHD في السوائل التالية. ومع ذلك، كانت هناك بعض القيود لحفز التدفقات السائلة مدفوعا بالقوى الكهربائية، لأن عشرات كيلو فولت يجب أن يطبق في السوائل لحقن الشحنات الكهربائية في حلول غير القطبية، مثل الزيوت، استقطاب منهم1،2 , 3-هذا وضع غير مؤات للمحاليل للتحليل الكهربائي الماء الذي فعل الجهد الكهربائي أعلى من 1.23 V تغيير خصائص الحلول ويجعل الحلول غير مستقرة.
في قنوات نانوفلويديك والصغرى، يسبب التهم السطحية لجدران القناة تركيز كونتيريونس التي تحفز فعالية تدفقات اليكتروسموتيك (EOFs) تحت المجالات الكهربائية تطبيق خارجياً25،26،27 ،،من2829. باستخدام EOFs، طبقت بعض تقنيات ضخ السائل في المحاليل، خفض الفولتية الكهربائية30،،من3132. من ناحية أخرى، تقتصر EOFs التي يتم إنشاؤها في الصغر والتي تصبح المناطق السطحية الغالبة أكثر من حجم السائل نانوسباسيس. وعلاوة على ذلك، تبعاً لنقل أيونات مركزة بشكل كبير جداً قرب الجدار السطوح، مثل الكهربائية في الطبقات المزدوجة، الحدود كشف إلا يتسبب تدفق السائل، الذي قد لا يكون كافياً لجعل الضغط التدرجات7، 8 , 22 , 26 , 27-غرامة ضبط، مثل أبعاد القناة وتركيزات الملح، مطلوب للتطبيقات لأشكال التعبير الفولكلوري. وفي المقابل، EHD التدفقات مدفوعة بهيئة القوات يبدو أن تكون متاحة للجماهير وطاقات النقل إذا يمكن تخفيض الفولتية التطبيق لتجنب اللاإنسانية المذيبات. في الآونة الأخيرة، اقترح بعض الباحثين تطبيقات تدفقات EHD مع الفولتية المنخفضة33،34،،من3536. على الرغم من أن هذه التكنولوجيات لم تنفذ حتى الآن، من المتوقع الحدود توسيع.
في دراسات سابقة، وقد أجرينا أيضا الأعمال التجريبية والنظرية المتعلقة بتدفقات EHD في المحاليل37،38،،من3940. كان من المفترض أن تصحيح مسارات النقل أيون كان فعالاً لتوليد حلول مشحونة كهربائياً تسبب قوات هيئة الكهرباء تحت المجالات الكهربائية. باستخدام غشاء تبادل الأيوني وقناة تدفق عبور الغشاء، كنا قادرين على تصحيح التيارات الأيونية. عند تطبيق غشاء تبادل شاردة، والكاتيونات تتركز في التدفق قناة جر المذيبات ووضعها EHD تدفق37،،من3839. اختلاف في تنقل الأنواع أيون كان عاملاً مهما عند فصل التيارات أنيونى والموجبة. فعالية عمل أغشية التبادل الأيوني تعدل في التنقل بسبب الانتقائية أيون. كما تم التحقيق أيون النقل الظواهر من وجهة نظر الأيونية الكثافة الحالية التي تتأثر بالمجالات الكهربائية التطبيقية41. هذه الدراسات كانت مثمرة لتطوير تقنيات التلاعب للجزيئات واحدة، إلا وهي الصغرى وجسيمات نانوية، الاقتراحات التي تتأثر بشدة بالتقلبات الحرارية11،16،17 . من المتوقع أن توسيع نطاق مجموعة متنوعة أساليب مراقبة تدفق دقيق، فضلا عن الضغط التدرجات EOFs وتدفقات EHD.
في هذه الدراسة، ونظهر طريقتين لمحرك الأقراص EHD التدفقات في المحاليل. أولاً، يتم استخدام حلاً هيدروكسيد الصوديوم لسائل العامل لمحرك الأقراص EHD تدفق37،،من3839. يفصل غشاء تبادل شاردة السائل إلى قسمين. قناة تدفق بولي دايمثيل سيلوكسان (PDMS) مع شريحة من 1 × 1 مم وطولها 3 ملم تخترق الغشاء. عن طريق تطبيق الجهد الكهربائي من 2.2 الخامس، فعل النقل الغرواني الكهربي نا+، ح+وأيونات OH− على طول الحقول الكهربائية. غشاء تبادل شاردة وقناة لتدفق العمل بفعالية لفصل مسارات النقل أيون، حيث الأنيونات المهيمن تمر عبر الغشاء وتركيز الكاتيونات في قناة التدفق، وعلى الرغم من أن كلا من الأنواع عادة التحرك في اتجاهين متعاكسين، الحفاظ اليكترونيوتراليتي. وهكذا، مثل هذا شرط لا يسبب قوة دافعة للتدفقات السائلة. هذا الهيكل حاسم لتوليد تدفق EHD سرعة التدفق الذي يصل إلى حدود 1 مم/s في القناة لأن التركز الشديد للاتصالات إلى التعجيل بالمجالات الكهربائية الخارجية سحب جزيئات المذيبات. لاحظ تدفقات EHD وتسجيلها باستخدام مجهر وكاميرا عالية السرعة كما هو مبين في الشكل 1. ثانيا، فرق تركيز بين مرحلتين السائل مفصولة غشاء تبادل الأيوني يسبب شرط مستقطب كهربائياً إلى إنشاء معبر غشاء تبادل الأيوني40. وفي هذه الدراسة، نجد أهمية وقت الانتظار طويل حجته توزيعات أيون والجهد كهربائي مقابلة، التي تسبب الظروف الأفضل لتطبيقه على قوة جسم في سائل. عبور غشاء التبادل الأيوني، ويتحقق شرط ضعيفة استقطاب. في مثل هذه حالة، مجال الكهربائي تطبيق خارجياً يدفع النقل أيون الاتجاه الذي يولد قوة جسم في سائل، ونتيجة لذلك نقل الزخم من الأيونات المذيب يطور تدفقا EHD.
كما ذكر أعلاه، الأجهزة الحالية تنجح في تخفيض جذري فرق الجهد المطبق على فولت قليلة، وبالتالي هذا الأسلوب يمكن أن تستخدم للمحاليل، على الرغم من أن أساليب حقن تهمة الكهربائية التقليدية تتطلب عشرات كيلو فولت و تقتصر على تطبيق حلول غير المائية.
Protocol
Representative Results
Discussion
وكان الغرض من هذه الدراسة لفصل الكاتيونات والانيونات في المحاليل من حيث التوزيع المكاني وأرقام النقل. استخدام غشاء تبادل شاردة، يمكن تصحيحه بنقل الأنيونات والاتصالات في الغشاء وفي قناة تدفق التي تخترق الغشاء، على التوالي. بدلاً من ذلك، عملت غشاء تبادل الأيونات الموجبة التي تفصل العالية …
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
المؤلفين قد لا إعلامات.
Materials
| Sylgard 184 | Dow Corning Corp. | 3097366-0516, 3097358-1004 | PDMS |
| Acetone | Wako Pure Chemical Industries, Ltd. | 012-00343 | |
| Ethanol | Wako Pure Chemical Industries, Ltd. | 054-00461 | |
| 0.1 mol/L Sodium Hydroxide Solution | Wako Pure Chemical Industries, Ltd. | 196-02195 | |
| Pottasium Chloride | Wako Pure Chemical Industries, Ltd. | 163-03545 | |
| Tris-EDTA buffer 100x concentrate | Sigma-Aldrich Co. LLC. | T9285-10014L | |
| 2.93 μm polystyrene particle | Merck KGaA | L300 Rouge | Tracer particle |
| 1.01 μm polystyrene particle | Merck KGaA | K100(23716) | Tracer particle |
| Anion exchange membrane | ASTOM Corp. | Neosepta AHA | |
| Gold (Au) | Furuuchi Chemical Corp. | AUT-13301X | Sputtering target metal |
| Titanium | Furuuchi Chemical Corp. | TIT-72301X | Sputtering target metal |
| Chromium | Furuuchi Chemical Corp. | CRT-24301X | Sputtering target metal |
| Hight-speed CMOS camera | Keyence Corp. | VW-600M | |
| Microscope | Keyence Corp. | VW-9000 | |
| Data logger | Keyence Corp. | NR-500, NR-HA08 | |
| Laser displacement meter | Keyence Corp. | LK-G5000, LK-H008W | |
| PIV and PTV software | DITECT Co. Ltd. | Flownizer 2D | |
| Potentiostat | AMTEK Inc. | VersaSTAT4 | |
| Inverted microscope | Olympus Corp. | IX73 | |
| High-speed CMOS camera | Andor Technology Ltd. | Zyla 5.5 sCMOS | |
| Function generator | NF Corp. | WF1945B | |
| Function generator | NF Corp. | WF1973 | |
| Ultrasonic cleaner | AS ONE Corp. | AS22GTU | |
| Rotary pump | ULVAC, Inc. | G-100S | Degas liquid PDMS |
| Rotary pump | ULVAC, Inc. | GLD-201A | Sputtering |
| Molecular diffusion pump | ULVAC, Inc. | VPC-400 | Sputtering |
References
- Stuetzer, O. M. Ion drag pressure generation. Journal of Applied Physics. 30, 984-994 (1959).
- Stuetzer, O. M. Ion drag pumps. Journal of Applied Physics. 31, 136-146 (1960).
- Melcher, J. R., Taylor, G. I. Electrohydrodynamics: A review of the role of interfacial shear stresses. Annual Review of Fluid Mechanics. 1, 111-146 (1969).
- Saville, D. A. Electrohydrodynamics: The Taylor-Melcher leaky dielectric model. Annual Review of Fluid Mechanics. 29, 27-64 (1997).
- Stein, D., Kruithof, M., Dekker, C. Surface-charge-governed ion transport in nanofluidic channels. Physical Review Letters. 93, 035901 (2004).
- Dekker, C. Solid-state nanopores. Nature Nanotechnology. 2, 209-215 (2007).
- Schoch, R. B., Han, J., Renaud, P. Transport phenomena in nanofluidics. Reviews of Modern Physics. 80, 839-883 (2008).
- Iverson, B. D., Garimella, S. V. Recent advances in microscale pumping technologies: A review and evaluation. Microfluidics and Nanofluidics. 5, 145-174 (2008).
- Sparreboom, W., van den Berg, A., Eijkel, J. C. T. Principles and applications of nanofluidic transport. Nature Nanotechnology. 4, 713-720 (2009).
- Venkatesan, B. M., Bashir, R. Nanopore sensors for nucleic acid analysis. Nature Nanotechnology. 6, 615-624 (2011).
- Uehara, S., Shintaku, H., Kawano, S. Electrokinetic flow dynamics of weakly aggregated λDNA confined in nanochannels. Journal of Fluids Engineering. 133, 121203 (2011).
- Guan, W., Reed, M. A. Electric field modulation of the membrane potential in solid-state ion channels. Nano Letters. 12, 6441-6447 (2012).
- Yasui, T., et al. DNA manipulation and separation in sublithographic-scale nanowire array. ACS Nano. 7, 3029-3035 (2013).
- Ren, Y., et al. Particle rotational trapping on a floating electrode by rotating induced-charge electroosmosis. Biomicrofluidics. 10, 054103 (2016).
- Ren, Y., et al. Flexible particle flow-focusing in microchannel driven by droplet-directed induced-charge electroosmosis. ELECTROPHORESIS. 39, 597-607 (2018).
- Qian, W., Doi, K., Uehara, S., Morita, K., Kawano, S. Theoretical study of the transpore velocity control of single-stranded DNA. International Journal of Molecular Sciences. 15, 13817-13832 (2014).
- Qian, W., Doi, K., Kawano, S. Effect of polymer length and salt concentration on the transport of ssDNA in nanofluidic channels. Biophysical Journal. 112, 838-849 (2017).
- Liu, W., et al. A universal design of field-effect-tunable microfluidic ion diode based on a gating cation-exchange nanoporous membrane. Physics of Fluids. 29, 112001 (2017).
- Liu, W., et al. Control of two-phase flow in microfluidics using out-of-phase electroconvective streaming. Physics of Fluids. 29, 112002 (2017).
- Osman, O. O., Shintaku, H., Kawano, S. Development of micro-vibrating flow pumps using MEMS technologies. Microfluidics and Nanofluidics. 13, 703-713 (2012).
- Osman, O. O., Shirai, A., Kawano, S. A numerical study on the performance of micro-vibrating flow pumps using the immersed boundary method. Microfluidics and Nanofluidics. 19, 595-608 (2015).
- Daiguji, H. Ion transport in nanofluidic channels. Chemical Society Reviews Home. 39, 901-911 (2010).
- Ristenpart, W. D., Aksay, I. A., Saville, D. A. Assembly of colloidal aggregates by electrohydrodynamic flow: Kinetic experiments and scaling analysis. Physical Review E. 69, 021405 (2004).
- Ristenpart, W. D., Aksay, I. A., Saville, D. A. Electrohydrodynamic flow around a colloidal particle near an electrode with an oscillating potential. Journal of Fluid Mechanics. 575, 83-109 (2007).
- Schoch, R. B., Hann, J., Renaud, P. Effect of the surface charge on ion transport through nanoslits. Physics of Fluids. 17, 100604 (2005).
- Ross, D., Johnson, T. J., Locascio, L. E. Imaging of electroosmotic flow in plastic microchannels. Analytical Chemistry. 73, 2509-2515 (2001).
- Hsieh, S. -. S., Lin, H. -. C., Lin, C. -. Y. Electroosmotic flow velocity measurements in a square microchannel. Colloid and Polymer Science. 284, 1275-1286 (2006).
- Rubinstein, I., Zaltzman, B. Electro-osmotically induced convection at a permselective membrane. Physical Review E. 62, 2238-2251 (2000).
- Bard, A. J., Faulkner, L. R. . Electrochemical methods, 2nd ed. , 362-363 (2001).
- Brask, A., Goranović, G., Jensen, M. J., Bruus, H. A novel electro-osmotic pump design for nonconducting liquids: theoretical analysis of flow rate-pressure characteristics and stability. Journal of Micromechanics and Microengineering. 15, 883-891 (2005).
- Takamura, Y., et al. Low-voltage electroosmosis pump for stand-alone microfluidics devices. Electrophoresis. 24, 185-192 (2003).
- Zeng, S., Chen, C. -. H., Mikkelsen, J. C., Santiago, J. G. Fabrication and characterization of electroosmotic micropumps. Sensors and Actuators B: Chemical. 79, 107-114 (2001).
- Bhaumik, S. K., Roy, R., Chakraborty, S., DasGupta, S. Low-voltage electrohydrodynamic micropumping of emulsions. Sensors and Actuators B: Chemical. 193, 288-293 (2014).
- El Moctar, A. O., Aubry, N., Batton, J. Electro-hydrodynamic micro-fluidic mixer. Lab on a Chip. 3, 273-280 (2003).
- Bart, S. F., Tavrow, L. S., Mehregany, M., Lang, J. H. Microfabricated electrohydrodynamic pumps. Sensors and Actuators A: Physical. 21, 193-197 (1990).
- Ashikhmin, I. A., Stishkov, Y. K. Effect of insulating walls on the structure of electrodynamic flows in a channel. Technical Physics. 57, 1181-1187 (2012).
- Yano, A., Doi, K., Kawano, S. Observation of electrohydrodynamic flow through a pore in ion-exchange membrane. International Journal of Chemical Engineering and Applications. 6, 254-257 (2015).
- Doi, K., Yano, A., Kawano, S. Electrohydrodynamic flow through a 1 mm2 cross-section pore placed in an ion-exchange membrane. The Journal of Physical Chemistry B. 119, 228-237 (2015).
- Yano, A., Shirai, H., Imoto, M., Doi, K., Kawano, S. Concentration dependence of cation-induced electrohydrodynamic flow passing through an anion exchange membrane. Japanese Journal of Applied Physics. 56, 097201 (2017).
- Nagura, R., Doi, K., Kawano, S. Characterisation of microparticle transport driven by ionic current conditions in electrically polarized aqueous solutions. Micro & Nano Letters. 12, 526-531 (2017).
- Doi, K., et al. Nonequilibrium ionic response of biased mechanically controllable break junction (MCBJ) electrodes. The Journal of Physical Chemistry C. 118, 3758-3765 (2014).
