דור ובקרה של Electrohydrodynamic זורם בפתרונות אלקטרוליט מימית
Summary
תיקון יון תחבורה מסלולים היא שיטה יעילה כדי ליצור אחד-directional גרר-יון electrohydrodynamic זורם. על-ידי הגדרת ממברנה של יונים ערוץ הזרימה, תנאי מקוטב חשמלית נוצרת וגורם על זרימת הנוזל הולך להיות מגורש כאשר שדה חשמלי חיצוני מוחל.
Abstract
לנהוג electrohydrodynamic (EHD) זורם פתרונות מימית, ההפרדה של מסלולים תחבורה הקטיון, אניון חיוני כי כוח גוף חשמלי מכוון חייב להיגרם על ידי תנועות יוניים בנוזל. מצד שני, מטענים חיוביים ושליליים מושכים אחד את השני, electroneutrality נשמרת בכל מקום ב שיווי משקל התנאים. יתר על כן, עלייה מתח המופעל צריך לדכא להימנע אלקטרוליזה של מים, מה שגורם הפתרונות לחוסר יציבות. בדרך כלל, זורם EHD יכולה להיגרם במתן פתרונות שאינם-מימית על-ידי החלת מתח גבוה במיוחד, כמו עשרות kV, להזריק מטענים חשמליים. במחקר זה, שתי השיטות הם הציגו לייצר תזרימי EHD המושרה על ידי מטען חשמלי הפרדות בפתרונות מימית, ובו שני שלבים נוזלי מופרדים באמצעות קרום יונים. בשל הבדל בניידות יוניים ממברנה, יון ריכוז קיטוב מושרה בין שני צידי הקרום. במחקר זה, נדגים שתי שיטות. (i) ההרפיה של מעברי צבע ריכוז יון מתרחשת דרך ערוץ הזרימה החודר של קרום יונים, כאשר התעבורה של המין איטי ממברנה באופן סלקטיבי הופך דומיננטי בתעלה זרימה. זהו הכוח המניע ליצור תזרים EHD בתוך הנוזל. (ii) ארוך זמן ההמתנה עבור פעפוע של יונים עובר דרך קרום יונים מאפשר את הדור של תזרים גרר-יון על-ידי החלת שדה חשמלי חיצוני. יונים מרוכזים ערוץ הזרימה של חתך רוחב2 מ”מ 1 x 1 לקבוע את הכיוון של זרימת נוזלי, המקביל מסלולים תחבורה electrophoretic. בשתי השיטות, ההבדל מתח חשמלי נדרש לדור זרימה EHD התקצר ל סמוך 2 V על ידי ומתקן המסלולים תחבורה יון.
Introduction
לאחרונה, זרימת הנוזל בקרת טכניקות משכו תשומת לב רבה בגלל עניין היישומים של מיקרו – ו nanofluidic התקנים1,2,3,4,5, 6 , 7 , 8 , 9 , 10 , 11 , 12 , 13 , 14 , 15. בפתרונות קוטבי, כגון פתרונות מימית ונוזלים יוניים, יונים, חשמלית חלקיקים טעונים בדרך כלל מביא על מטענים חשמליים בפעולות הזרמת נוזלי. התעבורה של חלקיקים כאלה מקוטב מספק הרחבה של יישומים שונים, כגון מולקולה בודדת מניפולציה6,10,11,13,14 , 15 , 16 , 17יון דיודה התקנים12,18, זרימת הנוזל לשלוט19,20,21,22. זרימה EHD כבר תופעה ישימה עבור מערכות בקרת זרימת הנוזל מאז Stuetzer1,2 המציא את המשאבה גרירה יון. מלצ’ר ו טיילור3 פרסם מאמר חשוב בו למסגרת התיאורטית של זרימה EHD נבדקה היטב, ניסויים יוצא מן הכלל היו גם הדגימו. סאביל4 23,שלו לעבודה24 תרמו להרחבת הבאים EHD טכנולוגיות נוזלים. עם זאת, היו מספר מגבלות על גרימת זורם נוזל מונע על ידי כוחות חשמליים, כי עשרות kV צריך להיות מיושם נוזלים כדי להזריק מטענים חשמליים בפתרונות לא קוטביים, כגון שמנים, כדי polarize אותם1,2 , 3. זה חיסרון לפתרונות מימית כי אלקטרוליזה מים זה הנגרמת על ידי פוטנציאל חשמלי גבוה יותר מאשר 1.23 V שינוי המאפיינים של פתרונות והופכת את הפתרונות לא יציב.
מיקרו – nanofluidic ערוצים, חיובים משטח של ערוץ חומות לגרום את הריכוז של counterions זה ביעילות זירוז זורם electroosmotic (EOFs) תחת שדות חשמליים חיצוני25,26,27 28, ,29. שימוש EOFs, כמה טכניקות שאיבת נוזל הוחלו בפתרונות מימית, הפחתת מתחים חשמליים31,30,, או32. מצד שני, EOFs מוגבלות הנוצר micro – ו nanospaces שבו פני שטחים להיות דומיננטי יותר מאשר אמצעי אחסון נוזלי. יתר על כן, בהתאם הובלת יונים מרוכז מאוד ליד הקירות, כגון בשכבות חשמלי כפול, הגבול להחליק רק גורמת את זרימת הנוזל, וייתכן שזה לא מספיק לגרום לחץ מעברי צבע7, 8 , 22 , 26 , 27. בסדר כוונון, כגון ערוץ מידות וריכוזי מלח, נדרש עבור היישומים של EOF. לעומת זאת, EHD זורם מונעים ע י הגוף כוחות נראה להיות זמין להסעת ההמונים ואת האנרגיות אם החשמלי יישום יכול להיות מופחת כדי להימנע משפילים ממיסים. לאחרונה, יש חוקרים הציעו יישומים תזרימי EHD עם מתח נמוך33,34,35,36. למרות טכנולוגיות אלה עדיין לא יושמו, הגבולות צפויים להרחיב.
במחקרים קודמים, ערכנו גם עבודה ניסיוני ותיאורטי על זורם EHD פתרונות מימית37,38,39,40. זה היה אמור כי תיקון מסלולים תחבורה יון היה יעיל ליצירת פתרונות הטעונים חשמלית שגורמים כוחות גוף חשמלי תחת שדות חשמליים. על ידי שימוש של ממברנה חילוף יונים וערוץ הזרימה חוצה את הקרום, הצלחנו לתקן את זרמי יוניים. בשעת החלת של אניון החלפת ממברנה, קטיונים מרוכז בזרם ערוץ גרר את ממיסים ופיתח של EHD זרימה37,38,39. הבדלי הניידות של מינים יון היה גורם חשוב להפריד את הזרמים cationic ו anionic. ממברנות יונים עבד ביעילות כדי לווסת את הניידות בשל יון סלקטיביות. יון תחבורה תופעות נחקרו גם מנקודת המבט של צפיפות זרם יוניים מושפע שדות חשמליים יישומית41. מחקרים אלו היו רווחי בשביל לפתח טכניקות מניפולציה עבור מולקולות יחיד, כלומר, מיקרו – ו חלקיקים, תנועות אשר מושפעים מאוד תנודות תרמי11,16,17 . EOFs וזורמת EHD צפויים להרחיב את מגוון שיטות בקרת זרימה מדויקים, כמו גם לחץ מעברי צבע.
במחקר זה, נדגים שתי שיטות כדי נסיעה זורם EHD בפתרונות מימית. ראשית, פתרון NaOH משמש עבור נוזל עובד לנהוג על EHD זרימה37,38,39. אניון החלפת ממברנה מפרידה את הנוזל לשני חלקים. ערוץ הזרימה polydimethylsiloxane (PDMS) עם חתך רוחב של 1 x 1 מ מ, באורך של 3 מ מ חודר את הממברנה. על-ידי החלת פוטנציאל חשמלי של 2.2 V, הובלת electrophoretic Na+H+, הו− יונים מושרה לאורך השדות החשמלי. ממברנה של אניון-exchange וערוץ הזרימה לעבוד ביעילות כדי להפריד בין המסלולים תחבורה יון, איפה אניונים דומיננטית לעבור דרך הקרום ו קטיונים להתרכז בתעלה זרימה, למרות בשני המינים בדרך כלל לנוע בכיוונים מנוגדים, שמירה על electroneutrality. לפיכך, תנאי כזה אינו גורם הכוח המניע של נוזלי זורם. מבנה זה הוא קריטי כדי לייצר תזרים EHD מהירות הזרימה של מי מגיע גודל 1 מ/s בערוץ כי המרוכזת קטיונים מואצת של שדות חשמליים חיצוני גרור מולקולות הממס. זורם EHD נצפתה והקליט באמצעות מיקרוסקופ ומצלמה במהירות גבוהה כפי שמוצג באיור1. שנית, ריכוז ההבדל בין שני שלבים נוזלי מופרדים באמצעות קרום-יונים גורמת תנאי חשמלית מקוטב שיווצר חוצה ממברנה של יונים40. במחקר זה, אנו מוצאים את החשיבות של זמן ההמתנה ניכר equilibrate יון הפצות, פוטנציאל חשמלי המתאים, אשר גורמים עדיף התנאים להחלת כוח הגוף בנוזל. חציית הקרום יונים, תנאי בחולשה מקוטב מושגת. במצב כזה, שדה חשמלי חיצוני המניע תחבורה יון כיוונית שיוצר כוח הגוף בנוזל, כתוצאה מכך, העברת המומנטום של היונים הממס מפתחת תזרים EHD.
כפי שהוזכר לעיל, המכשירים נוכח להצליח באופן דרסטי הפחתת הפרש מתח המופעל עבור כמה וולט, ולכן שיטה זו הוא יכול לשמש עבור פתרונות מימית, למרות השיטות הזרקת קונבנציונאלי מטען חשמלי נדרש עשרות kV, מוגבלות ליישום פתרונות שאינם-מימית.
Protocol
Representative Results
Discussion
מטרתו של מחקר זה היתה נפרדים קטיונים, אניונים בפתרונות מימית במונחים של הפצות המרחבי ומספרים תחבורה. באמצעות ממברנה של אניון-exchange, התעבורה של אניונים ו קטיונים יכול לתקן את הקרום, ערוץ הזרימה חודר את הממברנה, בהתאמה. לחלופין, קרום קטיון שהפרידו גבוה ונמוך ריכוז פתרונות עבד כדי ליצור פתרונו…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
המחברים יש אין התודות.
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).
