Поколения и контроль над Электрогидродинамическое потоков в водный электролит решения
Summary
Исправление путей переноса ионов является эффективным методом для создания потоков однонаправленный тащили Ион Электрогидродинамическое. Устанавливая ионообменные мембраны в канале потока, электрически поляризационные состояния создается и вызывает поток жидкости управляться внешне применяется электрическое поле.
Abstract
Диск Электрогидродинамическое (ЭГД) потоков в водных растворах, разделение катион и анион транспортных путей имеет важное значение потому, что режиссер электрические тело силы индуцированных ионных движений в жидкости. С другой стороны положительные и отрицательные заряды притягиваются друг к другу, и электронейтральности поддерживается повсюду в условиях равновесия. Кроме того увеличение приложенного напряжения должен быть подавлены избежать электролиза воды, что приводит решения становятся нестабильными. Обычно ЭГД потоков может быть наведено в неводных растворах, применяя чрезвычайно высоких напряжений, таких как десятки кв, придать электрических зарядов. В этом исследовании вводятся два методы генерировать потоки ЭГД, вызванного электрического заряда цветоделения в водных растворах, где две жидкой фазы разделяются ионообменные мембраны. Из-за разницы в ионной подвижности в мембране ионная концентрация поляризации индуцируется между обеими сторонами мембраны. В этом исследовании мы демонстрируем два метода. (i релаксации градиенты концентрации ионов происходит через канал потока, который проникает ионообменные мембраны, где транспорта медленнее видов в мембране выборочно становится доминирующим в канале потока. Это является движущей силой для создания ЭГД потока жидкости. (ii) долгое время ожидания для диффузии ионов, проходя через мембраны ионообменные позволяет создавать поток ионов тащили применяя внешнего электрического поля. Ионов, сосредоточены в канале потока 1 x 1 мм2 сечения определяют направление потока жидкости, соответствующий электрофоретической транспортных путей. В обоих методах разница электрического напряжения, необходимые для потока поколения ЭГД резко уменьшается до вблизи 2 V путем исправления путей переноса ионов.
Introduction
Недавно методы контроля потока жидкости привлекли большое внимание из-за интереса в приложениях микро – и nanofluidic устройств,12,3,4,5, 6 , 7 , 8 , 9 , 10 , 11 , 12 , 13 , 14 , 15. в полярных решений, таких как водные растворы и ионных жидкостей, ионов и электрически заряженных частиц обычно приносят об электрических зарядов в жидких потоков. Перевозка таких поляризованных частиц обеспечивает расширение различных приложений, таких как сингл молекула манипуляции6,10,11,13,14 , 15 , 16 , 17, ионный диод устройства12,18и жидкий поток управления19,20,,2122. ЭГД поток был применимым явление для систем контроля расхода жидкости Stuetzer1,2 изобрел Ион перетащить насоса. Melcher и Тейлор3 опубликовал важную статью в котором теоретические основы ЭГД потока хорошо рассмотрел и некоторые выдающиеся эксперименты были также продемонстрированы. Савиль4 и его коллеги23,24 способствовали следующие расширения ЭГД технологий в жидкости. Однако существуют некоторые ограничения, чтобы заставить жидких потоков, обусловлен электрических сил, потому что десятки кв должны применяться в жидкости придать электрических зарядов в неполярных решений, таких как масла, чтобы поляризовать их1,2 , 3. это недостаток для водных растворов, потому что электролиз воды, которая индуцируется электрический потенциал, выше, чем 1.23 V меняет характеристики решений и делает решения нестабильной.
В микро – и nanofluidic каналы поверхности обвинения стенок канала вызывают концентрации counterions, которые эффективно стимулировать потоки Электроосмотическое (ВФ) под внешне прикладной электрического поля25,26,27 ,,2829. С помощью ВФ, некоторые жидкие насосных методы применялись в водных растворах, уменьшение электрического напряжения30,,3132. С другой стороны ВФ ограничены создаются в микро – и nanospaces, в котором площади поверхности становятся более доминирующей чем жидкий томов. Кроме того в зависимости от транспорта высокой концентрации ионов очень вблизи поверхности стен, таких как в электрических двойных слоев, границы скольжения только вызывает потока жидкости, которая не может быть достаточно, чтобы сделать давление градиенты7, 8 , 22 , 26 , 27. Тонкая настройка, таким образом, чтобы размеры канала и концентрация соли, не требуется для приложений EOF. В отличие от ЭГД потоков определяется органом, которую силы, как представляется, быть доступны для транспортировки массы и энергии, если приложения напряжения может быть сокращены, чтобы избежать унижающего достоинство растворителей. Недавно некоторые исследователи предложили приложений ЭГД потоков с низким напряжением33,34,35,36. Хотя эти технологии еще не были выполнены, границы предполагается расширить.
В предыдущих исследованиях мы также провели экспериментальные и теоретические работы по ЭГД потоков в водных растворах37,,3839,40. Предполагалось, что исправление путей переноса Иона был эффективным сформировать электрически заряженных решения, которые вызывают электрические тело силы под электрических полей. С помощью ионообменных мембран и канал потока через мембрану, мы смогли исправить ионных токов. При применении Анионообменная мембраны, катионы сосредоточены в потоке канал тащили растворителей и разработал ЭГД потока37,,3839. Разница в подвижности ионов видов является важным фактором при разделении катионные и анионными течений. Ионообменные мембраны эффективно работал для модуляции мобильность благодаря избирательности Ион. Явления переноса иона также были исследованы с точки зрения ионных плотности тока, под влиянием прикладной электрического поля41. Эти исследования были плодотворными для развивающихся методов манипуляции для одной молекулы, а именно, микро – и наночастиц, чьи ходатайства сильно пострадавших от тепловых колебаний11,16,17 . ЭГД потоков и ВФ предполагается расширить разнообразие методов точного потока управления, а также давление градиентов.
В этом исследовании мы демонстрируем два метода для привода ЭГД потоков в водных растворах. Во-первых раствор NaOH используется для рабочей жидкости для привода ЭГД потока37,,3839. Анионообменная мембрана отделяет жидкости на две части. Полидиметилсилоксан (PDMS) канал потока с сечением 1 x 1 мм и длиной 3 мм проникает мембраны. Применяя электрический потенциал 2.2 V, электрофоретической перевозки Na+, H+и ионы OH− индуцируется вдоль электрического поля. Анионообменная мембраны и канал потока эффективно работать для разделения пути переноса ионов, где анионов преимущественно проходят через мембрану и катионов сосредоточиться в канале потока, хотя оба вида обычно двигаться в противоположных направлениях, поддержание электронейтральности. Таким образом такое условие не вызывает движущей силой для жидких потоков. Эта структура имеет решающее значение для генерации ЭГД поток, скорость потока которых достигает порядка 1 мм/s в канале потому что высококонцентрированный катионов ускорился от внешних электрических полей перетащите молекул растворителя. ЭГД потоки наблюдается и записанная с помощью микроскопа и высокоскоростной камеры, как показано на рисунке 1. Во-вторых, концентрация разница между двух жидких фаз, разделенных ионообменные мембраны вызывает электрически поляризационные состояния создаваемого пересечения ионообменные мембраны40. В этом исследовании мы находим значение значительное время ожидания чтобы сбалансировать Ион дистрибутивов и соответствующий электрический потенциал, которые вызывают предпочтительным условий для применения силы тела в жидкости. Пересекая ионообменные мембраны, слабо поляризационные состояния достигается. В таком состоянии внешне прикладной электрическое поле вызывает направленного ионного транспорта, который генерирует силу тела в жидкости, и в результате передачи импульса от ионов растворителя развивается ЭГД потока.
Как упоминалось выше, настоящий устройства успешно резко уменьшается разница несколько вольт приложенное напряжение, и таким образом этот метод может использоваться для водных растворов, хотя инъекций методы обычного электрического заряда требуется десятки кв и ограничены к приложению для не водные растворы.
Protocol
Representative Results
Discussion
Целью данного исследования было отделить катионов и анионов в водных растворах с точки зрения пространственного распределения и транспорта чисел. С помощью Анионообменная мембраны, транспорта анионов и катионов могут быть устранены в мембране и в канале потока, который проникает мем?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Авторы имеют без подтверждений.
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).
