Generation och kontroll av Electrohydrodynamic flödar i vattenhaltig elektrolyt lösningar
Summary
Rättelse av ion transport vägar är en effektiv metod att generera en-directional ion-släpade electrohydrodynamic flöden. Genom att ange ett jonbyte membran i en flöde kanal, ett elektriskt polariserade villkor genereras och orsakar en vätskeflödet köras när ett elektriskt fält appliceras externt.
Abstract
Att köra electrohydrodynamic (EHD) flödar i vattenlösningar, separation av katjon och anjon transport vägar är viktigt eftersom en riktad elektriska kroppen kraft har induceras av Joniska rörelser i vätska. Däremot, positiva och negativa avgifter attraherar varandra, och electroneutrality upprätthålls överallt i jämvikt villkor. Dessutom har en ökning av en tillämpad spänning som ska dämpas för att undvika vatten elektrolys, vilket orsakar lösningarna blir instabilt. Vanligtvis, kan EHD flöden framkallas i vattenbaserade lösningar genom extremt höga spänningar, såsom tiotals kV, att injicera elektriska laddningar. I denna studie införs två metoder för att generera EHD flöden framkallas genom elektrisk laddning separationer i vattenlösningar, där två flytande faser är åtskilda av ett membran som jonbyte. På grund av en skillnad i det Joniska mobilitet i membranet induceras ion koncentration polarisering mellan båda sidor av membranet. I denna studie visar vi två metoder. a avkoppling av Jon koncentration gradient uppstår via en flöde kanal som penetrerar ett jonbyte membran, där transport av de långsamma arterna i membranet selektivt blir dominerande i kanalen flöde. Detta är en drivande kraft att generera en EHD flöde i vätskan. (ii) en lång väntetid för diffusionen av joner passerar genom jonbyte membranet möjliggör generering av ett ion-släpade flöde genom externt tillämpning av ett elektriskt fält. Joner koncentrerad i en flöde kanal med en 1 x 1 mm2 tvärsnitt bestämma riktningen för vätskeflödet, motsvarar den elektroforesiska transport vägar. I båda metoderna, är skillnaden elektrisk spänning som krävs för en EHD flöde generation drastiskt till nära 2 V genom att korrigera den ion transport vägar.
Introduction
Nyligen, teknik av vätskeflödet kontroll har rönt stor uppmärksamhet på grund av intresse i tillämpningar av mikro- och nanofluidic enheter1,2,3,4,5, 6 , 7 , 8 , 9 , 10 , 11 , 12 , 13 , 14 , 15. i polar lösningar, såsom vattenlösningar och Joniska vätskor, joner och elektriskt laddade partiklar brukar åstadkomma elektriska laddningar i flytande flöden. Transport av sådana polariserade partiklar ger en utvidgning av olika applikationer, såsom enda-molekyl manipulation6,10,11,13,14 , 15 , 16 , 17, ion diod enheter12,18och vätskeflödet styra19,20,21,22. EHD flödet har varit en tillämplig fenomen för vätskeflödet styrsystem sedan Stuetzer1,2 uppfann ion drar pumpen. Melcher och Taylor3 publicerade en viktig artikel som det teoretiska ramverket EHD flöde var väl granskas och några utestående experiment påvisades också. Saville4 och hans medarbetare23,24 bidragit till följande expansionen av EHD teknik i vätskor. Det fanns dock vissa begränsningar att projektriskerna flytande drivs av elektriska krafter, eftersom tiotals kV har tillämpas i vätskor att injicera elektriska laddningar i icke-polära lösningar, såsom oljor, att polarisera dem1,2 , 3. Detta är en nackdel för vattenlösningar eftersom vatten elektrolys som framkallas av en elektrisk potential som är högre än 1,23 V ändrar egenskaperna hos lösningar och gör lösningarna instabil.
I mikro- och nanofluidic kanaler orsaka ytladdningar kanal väggar koncentrationen av counterions som effektivt inducerar elektroosmotiska flödet (EOFs) enligt anbringas utanpå elektriska fält25,26,27 ,28,29. Använder EOFs, har några flytande pumpar tekniker tillämpats i vattenlösningar, minska den elektriska spänningar30,31,32. Å andra är EOFs begränsade till som genereras i mikro- och nanospaces där ytor blir mer dominerande än flytande volymer. Dessutom beroende på transport av högkoncentrerad joner mycket nära väggen ytbehandlar orsakar som i elektriska dubbla lager, slip gränsen bara vätskeflödet, vilket inte kanske är tillräckligt för att göra trycket lutningar7, 8 , 22 , 26 , 27. finjustering, sådan att kanal dimensioner och salt koncentrationer, krävs för tillämpningar av EOF. Däremot flyter EHD drivs av kroppen krafter verkar vara tillgängliga transportera massorna och energier om ansökan spänningar kan minskas för att undvika förnedrande lösningsmedel. Vissa forskare har nyligen föreslagit tillämpningar av EHD flöden med låga spänningar33,34,35,36. Även om dessa tekniker inte har ännu genomförts, förväntas gränserna expandera.
I tidigare studier genomförde vi också experimentella och teoretiska arbete på EHD flöden i vattenlösningar37,38,39,40. Det var tänkt att rättelse av ion transport vägar var effektivt för elektriskt laddade lösningar som orsakar elektriska kropp styrkor under elektriska fält. Genom att använda ett jonbyte membran och ett flöde kanal passerar membranet, kunde vi åtgärda Joniska strömmar. När du tillämpar ett anjon-exchange membran, katjoner koncentrerade flödet kanalen dras av lösningsmedel och utvecklat en EHD flöde37,38,39. En skillnad i rörlighet ion arter var en viktig faktor när separera katjon och anjon strömmarna. Jonbytarmembran arbetade effektivt för att modulera rörlighet på grund av ion selektivitet. Ion Transportfenomen undersöktes också med tanke på Joniska strömtäthet influerad av tillämpad elektriska fält41. Dessa studier har varit givande för utveckla manipulation tekniker för enstaka molekyler, nämligen mikro- och nanopartiklar, vars rörelser påverkas starkt av termiska variationer11,16,17 . EOFs och EHD flöden förväntas expandera olika metoder för kontroll av exakt flöde samt trycket lutningar.
I denna studie visar vi två metoder för att driva EHD flöden i vattenlösningar. Först används en NaOH-lösning för en arbetsvätska för att köra en EHD flöde37,38,39. En anjon-exchange membranet separerar vätskan i två delar. En Polydimetylsiloxan (PDMS) flöde kanal med ett tvärsnitt av 1 x 1 mm och en längd av 3 mm tränger igenom membranet. Genom att tillämpa en elektrisk potential på 2,2 V, induceras elektrofores transport av Na+, H+och OH− joner längs de elektriska fält. En anjon-exchange membran och ett flöde kanal fungerar effektivt för att separera de ion transport vägar, där anjoner dominant passera genom membranet och katjoner koncentrera i flödet kanalen, även om båda arter flyttar vanligen i motsatta riktningar, att upprätthålla electroneutrality. Sådant villkor orsakar således inte en drivkraft för flytande flöden. Denna struktur är avgörande för att generera en EHD flöde vars flöde hastighet når storleksordningen 1 mm/s i kanalen eftersom högkoncentrerad katjoner påskyndas av externa elektriska fält dra lösningsmedel molekyler. EHD flöden är observeras och noteras med hjälp av ett mikroskop och en höghastighetskamera som visas i figur 1. För det andra en koncentration skillnad mellan två flytande faser åtskilda av ett membran som jonbyte orsakar ett elektriskt polariserade villkor ska genereras passerar en jonbyte membran40. I denna studie finner vi vikten av en betydande väntetid temperera ion distributioner och en motsvarande elektrisk potential, som orsakar att föredra villkor ska gälla för en kroppen kraft i en vätska. Crossing jonbyte membranet, uppnås ett svagt polariserat tillstånd. I sådant skick, ett externt tillämpad elektriskt fält inducerar riktad ion transport som genererar en kroppen kraft i en vätska, och därmed fart överföringen från jonerna till lösningsmedlet utvecklar en EHD flöde.
Som nämnts ovan, de nuvarande enheterna lyckas drastiskt minskar tillämpad spänning skillnaden till några volt, och denna metod är således kan användas för vattenlösningar, även om de konventionella elektriska laddning injektion metoderna krävs tiotals kV och är begränsade till en ansökan till vattenbaserade lösningar.
Protocol
Representative Results
Discussion
Syftet med denna studie var att separera cations och anions i aqueous lösningar när det gäller rumsliga distributioner och transport siffror. Använder en anjon-exchange membran, kan transport av anjoner och katjoner rättas till i membranet och en flöde kanal som tränger igenom membranet, respektive. Alternativt en katjon-exchange membran som separerade hög och låg koncentration lösningar arbetat för att generera elektriskt polariserade lösningar efter en betydande väntetid. Som ett resultat, renad Joniska st…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Författarna har inga bekräftelser.
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).
