Generation og kontrol af Electrohydrodynamic flyder i vandig elektrolyt løsninger
Summary
Berigtigelse af ion transport veje er en effektiv metode til at generere en-directional ion-trukket electrohydrodynamic strømme. Ved at angive en ion-udveksling membran i en flow-kanal, en elektrisk polariseret betingelse er genereret og forårsager en flydende flow til at blive drevet når et elektrisk felt anvendes eksternt.
Abstract
At drive electrohydrodynamic (EHD) flyder i vandige opløsninger, adskillelse af kation og anion transport veje er vigtigt fordi en styret elektriske kroppen kraft skal være fremkaldt af Ioniske bevægelser i væske. På den anden side, positive og negative afgifter tiltrækker hinanden, og electroneutrality vedligeholdes overalt i ligevægtsforhold. En forøgelse af en anvendt spænding har desuden at være undertrykt for at undgå vand elektrolyse, som forårsager løsninger bliver ustabil. Normalt, kan EHD strømme være fremkaldt i ikke-vandige opløsninger ved at anvende ekstremt høje spændinger, som titusinder af kV, at injicere elektriske afgifter. I denne undersøgelse introduceres to metoder til at generere EHD strømme induceret af elektrisk ladning separationer i vandige opløsninger, hvor to flydende faser er adskilt af en ion-udveksling membran. På grund af en forskel i de Ioniske mobilitet i membranen induceret ion koncentration polarisering mellem begge sider af membranen. I denne undersøgelse vise vi to metoder. (i) en lempelse af ion koncentration forløb opstår via en flow-kanal, der trænger en ion-udveksling membran, hvor transport af den langsommere arter i membranen selektivt bliver dominerende i flow-kanal. Dette er en drivkraft for at generere en EHD flow i væsken. (ii) en lang ventetid til udbredelse af ioner passerer gennem ion-udveksling membran gør det muligt for generation af en ion-trukket strøm af eksternt anvender et elektrisk felt. Ioner koncentreret i en flow-kanal med en 1 x 1 mm2 tværsnit bestemme retningen af væskestrømmen, svarende til elektroforese transport veje. I begge metoder er den elektriske spændingsforskel kræves for en EHD flow generation drastisk reduceret til nær 2 V af rektifikation ion transport veje.
Introduction
For nylig, flydende flow kontrolteknikker har tiltrukket stor opmærksomhed på grund af interessen for anvendelser af mikro- og nanofluidic enheder1,2,3,4,5, 6 , 7 , 8 , 9 , 10 , 11 , 12 , 13 , 14 , 15. i polar løsninger, såsom vandige opløsninger og ioniske væsker, ioner og elektrisk ladede partikler som regel bringe om elektriske afgifter i flydende strømme. Transport af sådanne polariseret partikler giver en udvidelse af forskellige applikationer, som enkelt-molekyle manipulation6,10,11,13,14 , 15 , 16 , 17, ion diode enheder12,18, og flydende flow kontrol19,20,21,22. EHD strømmen har været et gældende fænomen for flydende flow kontrolsystemer siden Stuetzer1,2 opfundet ion træk pumpe. Melcher og Taylor3 udgivet en vigtig artikel, hvor den teoretiske ramme for EHD flow var godt gennemgået og nogle udestående eksperimenter blev også demonstreret. Saville4 og hans kolleger23,24 bidraget til den følgende vækst for EHD teknologier i væsker. Der var dog nogle begrænsninger at inducere flydende strømme drevet af elektriske kræfter, fordi snese kV skal anvendes i væsker til at injicere elektriske afgifter i ikke-polære løsninger, såsom olier, at polarisere dem1,2 , 3. Dette er en ulempe for vandige opløsninger, fordi vand elektrolyse, som er foranlediget af et elektrisk potentiale højere end 1,23 V ændrer Karakteristik af løsninger og gør løsningerne ustabil.
I mikro- og nanofluidic kanaler forårsage overfladeladninger af kanalen væggene koncentrationen af counterions, der effektivt inducerer elektroosmotisk strømme (EOFs) under eksternt anvendt elektriske felter25,26,27 ,28,29. Ved hjælp af EOFs, har nogle flydende pumpning teknikker været anvendt i vandige opløsninger, reducere elektriske spændinger30,31,32. På den anden side er EOFs begrænset til at blive genereret i mikro- og nanospaces, hvor overfladen områder bliver mere dominerende end flydende diskenheder. Desuden, afhængig af transport af stærkt koncentreret ioner meget nær vægflader, såsom i elektrisk dobbelt lag, slip grænsen kun forårsager den flydende flow, hvilket ikke måske er tilstrækkelig til at gøre presset gradienter7, 8 , 22 , 26 , 27. finjustering, såsom at kanal dimensioner og salt koncentrationer, der kræves for anvendelser af EOF. Derimod flyder EHD drevet af kroppen kræfter synes at være til rådighed til at transportere masserne og energier, hvis ansøgning spændinger kan reduceres for at undgå nedværdigende opløsningsmidler. For nylig, har nogle forskere foreslået programmer for EHD strømme med lave spændinger33,34,35,36. Selv om disse teknologier ikke er endnu blevet gennemført, forventes grænserne at udvide.
I tidligere undersøgelser, har vi også gennemført eksperimentelle og teoretiske arbejde på EHD strømme i vandige opløsninger37,38,39,40. Det var meningen, at berigtigelse af ion transport veje var effektiv til at generere elektrisk ladede løsninger, der forårsager elektriske organ styrker under elektriske felter. Ved hjælp af en ion-udveksling membran og en flow-kanal krydser membranen, kunne vi afhjælpe ionisk strømninger. Når du anvender en anion-udveksling membran, kationer koncentreret i strømmen kanal trukket opløsningsmidler og udviklet en EHD flow37,38,39. En forskel i mobilitet af ion arter var en vigtig faktor, når adskiller de kationiske- og anionbyttere strømninger. Ion-udveksling membraner arbejdede effektivt til at modulere mobilitet på grund af ion selektivitet. Ion transport fænomener blev også undersøgt fra synspunkt af Ioniske strømtæthed påvirket af anvendt elektriske felter41. Disse undersøgelser har været frugtbar for udviklingslandene manipulation teknikker til enkelt molekyler, nemlig mikro- og nanopartikler, hvis beslutningsforslag er stærkt påvirket af termisk udsving11,16,17 . EOFs og EHD strømme forventes at udvide række præcise flow kontrolmetoder samt presset gradienter.
I denne undersøgelse vise vi to metoder til at drive EHD strømme i vandige opløsninger. Først, en NaOH opløsningen anvendes til en arbejdsfluidet til at drive en EHD flow37,38,39. En anion-exchange membran adskiller væsken i to dele. En Polydimethylsiloxan (PDMS) flow kanaler med et tværsnit på 1 x 1 mm og en længde på 3 mm trænger membranen. Ved at anvende en elektrisk potentiale af 2.2 V, er elektroforese transport Na+, H+og OH− ioner induceret langs elektriske felter. En anion-exchange membran og en flow-kanal arbejde effektivt for at adskille den ion transport veje, hvor anioner overvejende passere gennem membranen og kationer koncentrere sig i flow-kanal, selv om begge arter normalt flyttes i modsatte retninger, vedligeholdelse af electroneutrality. Sådan en tilstand forårsager således ikke en drivkraft for flydende strømme. Denne struktur er afgørende for at generere en EHD flow hvis flow hastighed når størrelsesordenen 1 mm/s i kanalen fordi stærkt koncentreret kationer fremskyndet af ydre elektriske felter træk solvent molekyler. EHD strømme er observeret og registreret ved hjælp af et mikroskop og en højhastighedskamera, som vist i figur 1. For det andet en koncentration forskel mellem to flydende faser adskilt af en ion-udveksling membran forårsager en elektrisk polariseret betingelse skal genereres krydser en ion-udveksling membran40. I denne undersøgelse finder vi betydningen af en betydelig ventetid til Reagensglasset ion distributioner og en tilsvarende elektrisk potentiale, som forårsager at foretrække betingelser gælde for en krop styrke i en væske. Krydse ionbytning membran, er et svagt polariseret tilstand opnået. I en sådan tilstand, et eksternt anvendt elektrisk felt inducerer retningsbestemt ion transport, der genererer en krop styrke i en væske, og som følge heraf momentum overførsel fra ioner til opløsningsmidlet udvikler en EHD flow.
Som nævnt ovenfor, de nuværende enheder lykkes i drastisk faldende anvendt spændingsforskel til et par volt, og denne metode er derfor kan anvendes for vandige opløsninger, selv om de konventionelle elektriske ladning injektion metoder krævede snesevis af kV og er begrænset til en ansøgning om ikke-vandige opløsninger.
Protocol
Representative Results
Discussion
Formålet med denne undersøgelse var at adskille kationer og anioner i vandige opløsninger med hensyn til rumlige distributioner og transporttal. Ved hjælp af en anion-udveksling membran, kunne transport af anioner og kationer blive udbedret i membranen og en flow-kanal, der trænger membran, henholdsvis. Alternativt, en kationbytter membran, der skilte høj og lav koncentration løsninger arbejdede hen til frembringe elektrisk polariseret løsninger efter en betydelig ventetid. Som følge heraf rektificeret ionisk st…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Forfatterne har ingen anerkendelser.
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 |
Riferimenti
- 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).
