Generasjon og kontroll av Electrohydrodynamic renner i vandig elektrolytt-løsninger
Summary
Retting av ion transport er en effektiv metode for å generere en retningsbestemt ion-dratt electrohydrodynamic renn. Angir en ion-exchange membran i flyt kanal, en elektrisk polarisert tilstand genereres og forårsaker en flytende flyt å bli kjørt når et elektrisk felt brukes eksternt.
Abstract
Kjøre electrohydrodynamic (EHD) flyter i vandige løsninger, separasjon av kasjon og anion transport er viktig fordi en kontrollert elektrisk kroppen styrke skal bli indusert av ionisk bevegelser i væske. På den annen side, positive og negative kostnader tiltrekker hverandre, og electroneutrality opprettholdes overalt i forhold. Videre har en økning i en anvendt spenning skal skjules for å unngå vannelektrolyse, som forårsaker løsningene ustabil. Vanligvis kan EHD strømmer bli indusert i ikke-vandige løsninger ved å bruke svært høye spenninger, som titalls kV, å injisere elektrisk kostnader. I denne studien introduseres to metoder for å generere EHD strømmer av elektrisk ladning separasjonene i vandige løsninger, der to flytende faser er atskilt med en ion-exchange membran. På grunn av en forskjell i ioniske mobilitet i membranen, er ion konsentrasjon polarisering indusert mellom begge sider av membranen. I denne studien viser vi to metoder. (i) avslapning av ion konsentrasjon graderinger skjer via en flyt kanal som trenger en ion-exchange membran, der transport av tregere arter i membranen selektivt blir dominerende i flyt kanalen. Dette er en drivkraft til å generere en EHD flyt i væsken. (ii) en lang ventetid for spredningen av ioner passerer gjennom ion-exchange membranen kan genereringen av en ion-dratt flyt eksternt bruke et elektrisk felt. Ioner konsentrert i en flyt kanal for en 1 x 1 mm2 tverrsnitt bestemme retning på den flytende flyten, tilsvarer electrophoretic transport veier. I begge metoder, er strømstyrken forskjellen kreves for en EHD flyt generasjon drastisk redusert til nær 2 V av rette opp ion transport veier.
Introduction
Nylig, flytende flyt kontroll teknikker har tiltrukket seg mye oppmerksomhet på grunn av interessen i programmer av mikro- og nanofluidic enheter1,2,3,4,5, 6 , 7 , 8 , 9 , 10 , 11 , 12 , 13 , 14 , 15. i polar løsninger, som vandige løsninger og ioniske væsker, ioner og elektrisk ladede partikler vanligvis få elektrisk kostnader i væsken flyter. Transport av slik polariserte partikler gir en utvidelse av programmer, som enkelt-molekylet manipulasjon6,10,11,13,14 , 15 , 16 , 17, ion diode enheter12,18og flytende flyt kontroll19,20,21,22. EHD flyt er en gjeldende fenomen for flytende flyt kontrollsystemer siden Stuetzer1,2 oppfunnet ion dra pumpen. Melcher og Taylor3 publisert en viktig artikkel som teoretisk referanseramme EHD flyt var godt gjennomgått og noen fremragende eksperimenter ble også demonstrert. Saville4 og hans kolleger23,24 bidratt til følgende utvidelse EHD teknologier i væsker. Det var imidlertid noen begrensninger på inducing væske renner drevet av elektrisk styrker, fordi titalls kV må brukes i væsker å injisere elektrisk kostnader i ikke-polar løsninger, som oljer, Polarize dem1,2 , 3. Dette er en ulempe for vandige løsninger fordi vannelektrolyse som er indusert av en elektrisk potensial høyere enn 1,23 V endrer egenskapene til løsninger og gjør løsninger ustabil.
Mikro- og nanofluidic kanaler føre overflate kostnader kanal vegger konsentrasjonen av counterions som effektivt induserer electroosmotic renn (EOFs) under eksternt anvendt elektrisk felt25,26,27 ,28,29. Bruker EOFs, er noen flytende pumping teknikker brukt i vandige løsninger, redusere de elektriske spenninger30,31,32. På den annen side, er EOFs begrenset til genereres i mikro- og nanospaces der flater bli mer dominerende enn flytende volumer. Videre, avhengig av transport av svært konsentrert ioner svært nær overflatene, som i elektrisk doble lag, slip grensen bare forårsaker den flytende flyten, som ikke kanskje er tilstrekkelig til å gjøre press graderinger7, 8 , 22 , 26 , 27. Fininnstilling, som kanal dimensjoner og salt konsentrasjoner er nødvendig for programmer EOF. Derimot renner EHD drevet av kroppen styrker synes å være tilgjengelig for å transportere massene og energi hvis programmet spenninger kan reduseres for å unngå nedverdigende løsemidler. Nylig, noen forskere har antydet programmer EHD renner med lave spenninger33,34,35,36. Selv om disse teknologiene ikke har ennå blitt gjennomført, er grensene forventet å utvide.
I tidligere studier gjennomført vi også eksperimentelle og teoretiske arbeidet på EHD flyter i vandige løsninger37,38,39,40. Det ble antatt at retting av ion transport var effektivt til å generere elektrisk ladet løsninger som forårsaker elektrisk kroppen styrker under elektrisk felt. Bruker en ion-exchange membran og en flyt kanal krysse membranen, kunne vi korrigere ioniske strømninger. Når du bruker en anion exchange membran, kasjoner konsentrert i flyten dratt løsemidlene og utviklet en EHD flyt37,38,39. En forskjell i mobilitet ion arter var en viktig faktor da skiller kationisk og anionic strøm. Ion-exchange membraner jobbet effektivt for å modulere mobilitet på grunn av ion selektivitet. Ion transport fenomener ble også undersøkt ser over ionisk nåværende tetthet påvirket av anvendt elektrisk felt41. Disse studiene har vært fruktbart for utvikle manipulasjon teknikker for enkelt molekyler, nemlig mikro- og nanopartikler, som bevegelser er sterkt påvirket av termiske fluktuasjoner11,16,17 . EOFs og EHD renn er forventet å rekke presise flyt metoder i tillegg trykket graderinger.
I denne studien viser vi to metoder for å kjøre EHD flyter i vandige løsninger. Først brukes en NaOH løsning til en fungerende væske til å kjøre en EHD flyt37,38,39. En anion exchange membran skiller væsken i to deler. En polydimethylsiloxane (PDMS) flyt kanal med et tverrsnitt av 1 x 1 mm og en lengde på 3 mm trenger membranen. Ved å bruke en elektrisk potensialet i 2.2 V, er electrophoretic transport av Na+, H+og OH− ioner indusert langs elektrisk felt. En anion exchange membran og en flyt kanal arbeide effektivt for å skille ion transport veier, der anioner nesten kun passerer gjennom membranen og kasjoner konsentrere seg i flyt kanalen, selv om begge arter vanligvis bevege seg, opprettholde electroneutrality. Dermed medfører slik tilstand ikke en pådriver for flytende strømmer. Denne strukturen er avgjørende for å generere en EHD flyt som trafikkflyten fart når på 1 mm/s i kanalen fordi Høykonsentrert kasjoner akselerert av eksterne elektrisk felt dra løsemiddel molekyler. EHD renn er observert og spilt inn med et mikroskop og et høyhastighets kamera som vist i figur 1. Andre konsentrasjon forskjell to flytende faser med en ion-exchange membran forårsaker en elektrisk polarisert tilstand skal genereres krysset en ion-exchange membran40. I denne studien finner vi viktigheten av en betydelig ventetid til equilibrate ion distribusjoner og en tilsvarende elektriske potensial, som foretrekke betingelser gjelder for en kropp kraft i en væske. Krysset ion-exchange membranen, er en svakt polarisert tilstand oppnådd. I en slik tilstand, et eksternt anvendt elektrisk felt induserer retningsbestemt ion transport som genererer en kroppen styrke i en væske og resultatet momentum overføring fra ionene til løsemiddelet utvikler en EHD flyt.
Som nevnt ovenfor, de nåværende enhetene lykkes i å drastisk redusere anvendt spenning forskjellen til noen volt, og dermed er denne metoden kan brukes for vandige løsninger, selv om konvensjonell elektrisk ladning injection metoder kreves av kV og er begrenset til et program ikke-vandige løsninger.
Protocol
Representative Results
Discussion
Formålet med denne studien var å skille kasjoner og anioner i vandige løsninger romlige distribusjoner og transport tall. Bruker en anion exchange membran, kan transport av anioner og kasjoner rettes i membranen og i flyt kanal som trenger membranen, henholdsvis. Alternativt en cation exchange membran som skilte høy og lav konsentrasjon løsninger arbeidet for å generere elektrisk polarisert løsninger etter en betydelig ventetid. Resultatet rektifiserte ioniske strøm lyktes i å redusere anvendt spenning å induse…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Forfatterne har ingen takk.
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).
