Génération et contrôle d’électrohydrodynamique coule dans les Solutions d’électrolytes aqueux
Summary
La rectification des voies de transport des ions est une méthode efficace pour générer des flux unidirectionnel ion-traîné électrohydrodynamique. En définissant une membrane échangeuse d’ions dans un canal d’écoulement, une condition électriquement polarisée est générée et provoque un écoulement du liquide à circuler lorsqu’un champ électrique est appliqué à l’extérieur.
Abstract
De conduire électrohydrodynamique (DHM) s’écoule dans des solutions aqueuses, la séparation des voies de transport cation et l’anion est essentielle car une force dirigée corps électrique doit être induite par des mouvements ioniques dans un liquide. En revanche, les charges positives et négatives s’attirent, et électroneutralité est maintenue partout dans les conditions d’équilibre. Par ailleurs, une augmentation dans une tension appliquée doit être supprimée pour éviter l’électrolyse de l’eau, ce qui provoque les solutions à devenir instable. Habituellement, DHM flux peuvent être induites dans des solutions non aqueuses en appliquant des tensions extrêmement élevées, tels que des dizaines de kV, d’injecter des charges électriques. Dans cette étude, deux méthodes sont introduits pour générer des flux de DHM induites par la séparation des charges électriques dans des solutions aqueuses, où deux phases liquides sont séparés par une membrane échangeuse d’ions. En raison d’une différence dans la mobilité ionique dans la membrane, la polarisation de concentration ionique est induite entre les deux côtés de la membrane. Dans cette étude, nous montrons deux méthodes. (i) l’assouplissement des gradients de concentration des ions s’effectue via un canal d’écoulement qui pénètre dans une membrane échangeuse d’ions, où le transport des espèces plus lents dans la membrane sélectivement devienne dominant dans le chenal d’écoulement. Il s’agit d’une force motrice pour générer un flux EHD dans le liquide. (ii) un long temps d’attente pour la diffusion des ions en passant à travers la membrane échangeuse d’ions permet la génération d’un flux ionique-traîné en appliquant extérieurement un champ électrique. Les ions concentrées dans un canal d’écoulement d’un 1 x 1 mm2 section déterminent la direction de l’écoulement du liquide, correspondant aux voies de transport électrophorétique. Dans les deux méthodes, la différence de tension électrique requise pour une génération de flux DHM est considérablement réduite à près de 2 V de rectifier les voies de transport des ions.
Introduction
Récemment, les techniques de contrôle de débit des liquides ont attiré beaucoup d’attention en raison de l’intérêt pour les applications des micro – et nanofluidiques dispositifs1,2,3,4,5, 6 , 7 , 8 , 9 , 10 , 11 , 12 , 13 , 14 , 15. dans les solutions polaires, tels que les solutions aqueuses et des liquides ioniques, des ions et particules chargées électriquement apportent habituellement sur des charges électriques dans le flux de liquides. Le transport de telles particules polarisées prévoit une expansion de diverses applications, comme la manipulation de la molécule unique6,10,11,13,14 , 15 , 16 , 17, ion diode dispositifs12,18et écoulement liquide contrôlent19,20,21,22. Flux DHM a été un phénomène applicable pour les systèmes de contrôle de flux liquide depuis l’invention de Stuetzer1,2 la pompe de frein ion. Melcher et Taylor3 a publié un article important dans lequel le cadre théorique du flux DHM a bien examiné et certaines expériences exceptionnelles ont également été démontrées. Saville4 et ses collègues de travail23,24 , contribua à l’essor suivant des technologies de l’EHD dans les liquides. Cependant, il y a quelques limitations à induire des flux liquides par des forces électriques, parce que des dizaines de kV devraient s’appliquer dans les liquides à injecter des charges électriques dans des solutions non polaires, tels que les huiles, à polariser les1,2 , 3. c’est un inconvénient pour les solutions aqueuses, parce que l’électrolyse de l’eau qui est induite par un potentiel électrique supérieur à 1,23 V modifie les caractéristiques des solutions et rend les solutions instable.
Dans les canaux micro – et nanofluidiques, des charges de surface des parois du canal provoquent la concentration des contre-ions qui induisent efficacement les flux électroosmotique (expressions du folklore) en vertu de l’application externe des champs électriques25,26,27 ,28,29. À l’aide d’expressions du folklore, des techniques de pompage liquides ont été appliquées dans des solutions aqueuses, en réduisant les tensions électriques30,31,32. En revanche, expressions du folklore est limité à être générée en micro – et nanospaces dans lequel les surfaces deviennent plus dominants que les volumes de liquide. Par ailleurs, selon le transport d’ions hautement concentrés très près des surfaces de mur, comme dans les couches doubles électriques, la limite de glissement seulement provoque l’écoulement du liquide, qui n’est peut-être pas suffisante pour en faire des gradients de pression7, 8 , 22 , 26 , 27. affiner, telle que les dimensions du canal et des concentrations salines, est requis pour les applications des expressions du folklore. En revanche, DHM coule animées par le corps des forces semblent être disponible pour le transport de masses et énergies si les tensions d’application peuvent être réduites afin d’éviter la dégradation de solvants. Récemment, certains chercheurs ont suggéré des applications de flux DHM avec basses tensions33,34,35,36. Bien que ces technologies n’ont pas encore été appliquées, les frontières sont censés développer.
Dans des études précédentes, nous avons également mené des travaux expérimentaux et théoriques sur les flux de JEP en solutions aqueuses37,38,39,40. Il a été supposé que la rectification des voies de transport ionique était efficace pour générer des solutions chargées électriquement qui provoquent les forces électriques corps sous des champs électriques. En utilisant une membrane échangeuse d’ions et un canal de flux traversant la membrane, nous étions en mesure de rectifier les courants ioniques. Lorsque vous appliquez une membrane échangeuse d’anions, cations concentrent dans le flux canal traîné les solvants et mis au point un DHM flux37,38,39. Une différence dans la mobilité des espèces ioniques a été un facteur important en séparant les courants cationiques et anioniques. Les membranes échangeuses d’ions a travaillé efficacement pour moduler la mobilité en raison de la sélectivité ionique. Phénomènes de transport ionique ont aussi été examinées sous l’angle de la densité de courant ionique, influencée par des champs électriques appliqués41. Ces études ont été fructueux pour les techniques de manipulation en développement pour des molécules simples, à savoir, micro – et nanoparticules, dont les mouvements sont fortement affectées par les fluctuations thermiques11,16,17 . Expressions du folklore et des flux de DHM devraient élargir la variété des méthodes de contrôle de flux précis ainsi que des gradients de pression.
Dans cette étude, nous montrons deux méthodes pour lecteur DHM coulées dans des solutions aqueuses. Tout d’abord, une solution de NaOH est utilisée pour un fluide de travail pour exciter un DHM flux37,38,39. Une membrane échangeuse d’anions sépare le liquide en deux parties. Un canal d’écoulement de polydiméthylsiloxane (PDMS) avec une section de 1 x 1 mm et une longueur de 3 mm pénètre la membrane. En appliquant un potentiel électrique de 2.2 V, le transport électrophorétique de Na+H+et des ions OH− est induit dans les champs électriques. Une membrane échangeuse d’anions et un canal d’écoulement fonctionnent efficacement pour séparer les voies de transport ionique, où les anions dominante traversent la membrane et cations se concentrent dans le chenal d’écoulement, bien que les deux espèces se déplacent habituellement dans des directions opposées, maintenir l’électroneutralité. Ainsi, une telle condition ne provoque pas une force motrice pour le flux de liquides. Cette structure est cruciale pour générer un flux de DHM dont la vitesse de débit atteint l’ordre de 1 mm/s dans le chenal car très concentré cations accélérées par des champs électriques externes glisser molécules de solvant. DHM flux sont observées et enregistrées à l’aide d’un microscope et une caméra à grande vitesse tel qu’illustré à la Figure 1. Deuxièmement, une différence de concentration entre deux phases liquides séparés par une membrane échangeuse d’ions provoque une condition électriquement polarisée à générer traversant une de membrane échangeuse d’ions40. Dans cette étude, nous constatons l’importance d’un temps d’attente considérable s’équilibrer la répartition ionique et un potentiel électrique correspondant, qui causent des conditions préférables d’appliquer une force de corps dans un liquide. En traversant la membrane échangeuse d’ions, une condition faiblement polarisée est atteint. Dans une telle condition, un champ électrique externe induit des transports ioniques directionnelle qui génère une force de corps dans un liquide, et en conséquence, le transfert d’impulsion par les ions au solvant développe un flux DHM.
Comme mentionné ci-dessus, les dispositifs actuels parviennent à diminuer drastiquement la différence de tension appliquée à quelques volts, et donc cette méthode est utilisable pour des solutions aqueuses, bien que les méthodes d’injection de charge électrique conventionnelle exige des dizaines de kV et se limitent à une demande pour des solutions non aqueuses.
Protocol
Representative Results
Discussion
Le but de cette étude était de séparer les cations et les anions dans des solutions aqueuses en ce qui concerne les distributions spatiales et les nombres de transport. À l’aide d’une membrane échangeuse d’anions, le transport des anions et des cations pourrait être corrigé dans la membrane et dans un canal d’écoulement qui pénètre la membrane, respectivement. Par ailleurs, une membrane échangeuse de cations qui séparait haute et basse des solutions de concentration a travaillé pour générer des sol…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Les auteurs n’ont aucuns accusés de réception.
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).
