Generatie en de controle van de Electrohydrodynamic stroomt in waterig elektrolyt oplossingen
Summary
De rectificatie van ion vervoer trajecten is een effectieve methode voor het genereren van een-directioneel ion-gesleept electrohydrodynamic stromen. Door het instellen van een ionenwisseling membraan in een kanaal, een elektrisch gepolariseerde voorwaarde wordt gegenereerd en zorgt ervoor dat een vloeibare stroom worden aangedreven wanneer een elektrisch veld wordt extern toegepast.
Abstract
Om te rijden electrohydrodynamic (EHD) stroomt in waterige oplossingen, de scheiding van kation en anion vervoer trajecten is essentieel omdat een gestuurde elektrische lichaam kracht moet worden geïnduceerd door Ionische bewegingen in vloeistof. Aan de andere kant, positieve en negatieve kosten trekken elkaar en electroneutrality overal in evenwichtsvoorwaarden wordt gehandhaafd. Bovendien, een toename van een toegepaste spanning moet worden onderdrukt om te voorkomen dat elektrolyse van water, waardoor de oplossingen kan mogelijk instabiel worden. Meestal kunnen EHD stromen worden opgewekt in niet-waterige oplossingen door extreem hoge spanningen, zoals tientallen kV, toe te passen om te injecteren van elektrische ladingen. In deze studie, worden twee methoden ingevoerd voor het genereren van EHD stromen geïnduceerd door de elektrische lading scheidingen in waterige oplossingen, waarin twee vloeibare fases zijn gescheiden door een ionenwisseling membraan. Als gevolg van een verschil in de Ionische mobiliteit in het membraan, wordt ion concentratie polarisatie geïnduceerd tussen beide zijden van de membraan. In deze studie tonen we twee methoden. (i) de ontspanning van ion concentratie verlopen vindt plaats via een kanaal dat een ionenwisseling membraan, waar het vervoer van de langzamere soorten in het membraan selectief dominant in het kanaal van de stroom wordt doordringt. Dit is een drijvende kracht voor het genereren van een stroom EHD in de vloeistof. (ii) een lange wachttijd voor de verspreiding van ionen de ionenwisseling membraan passeren kan het genereren van een stroom van ion-gesleept door een elektrisch veld Extern toe te passen. Ionen geconcentreerd in een kanaal van de stroom van een doorsnede van 1 x 1 mm2 bepalen van de richting van de vloeibare stroom, overeenkomt met de trajecten elektroforetische vervoer. In beide methoden, is het verschil van de elektrische spanning vereist voor een generatie EHD flow drastisch verminderd 2 V in de buurt door de ion vervoer trajecten te verhelpen.
Introduction
Onlangs, vloeibare stroom controletechnieken hebben aangetrokken veel aandacht vanwege interesse in de toepassingen van micro- en nanofluidic apparaten1,2,3,4,5, 6 , 7 , 8 , 9 , 10 , 11 , 12 , 13 , 14 , 15. in polar oplossingen, zoals waterige oplossingen en Ionische vloeistoffen, ionen en elektrisch geladen deeltjes meestal brengen over elektrische ladingen in vloeibare stromen. Het vervoer van dergelijke gepolariseerde deeltjes biedt een uitbreiding van verschillende toepassingen, zoals één-molecuul manipulatie6,10,11,13,14 , 15 , 16 , 17, ion diode apparaten12,18, en vloeibare stroom bepalen19,20,21,22. EHD stroom is sinds een toepasselijke fenomeen voor vloeibare stroom besturingen Stuetzer1,2 uitgevonden de ion slepen pomp. Melcher en Taylor3 publiceerde een belangrijk artikel waarin het theoretische kader van EHD stroom werd goed beoordeeld en enkele opmerkelijke experimenten werden ook gedemonstreerd. Saville4 en zijn collega’s23,24 bijgedragen aan de volgende expansie van EHD technologieën in vloeistoffen. Er waren echter enkele beperkingen aan inducerende vloeibare stromen gedreven door de elektrische krachten, omdat tientallen kV worden toegepast in vloeistoffen moeten te injecteren van elektrische ladingen in apolaire oplossingen, zoals oliën, om te polariseren hen1,2 , 3. Dit is een nadeel voor waterige oplossingen omdat de elektrolyse van water dat wordt veroorzaakt door een elektrische potentiaal hoger dan 1.23 V Hiermee wijzigt u de kenmerken van oplossingen en de oplossingen unstable maakt.
In de kanalen van micro- en nanofluidic veroorzaken oppervlakte beschuldiging van kanaal muren de concentratie van counterions die effectief electroosmotic stromen (EOFs induceren) onder Extern toegepaste elektrische velden25,26,27 2928, ,. Met behulp van EOFs, zijn sommige vloeibare pompen technieken toegepast in waterige oplossingen, vermindering van de elektrische spanningen30,31,32. Aan de andere kant, zijn de EOFs beperkt tot wordt gegenereerd in micro- en nanospaces waarin oppervlakten meer dominant dan vloeibare volumes geworden. Bovendien, afhankelijk van het vervoer van sterk geconcentreerde ionen zeer dicht bij de muur oppervlakken, zoals in elektrische dubbele lagen, de grens van de slip alleen zorgt ervoor dat de vloeibare stroom, die niet voldoende wellicht om druk verlopen7, 8 , 22 , 26 , 27. Fijnafstemming, zodanig kanaal afmetingen en zout concentraties, is vereist voor de toepassingen van het EOF. Daarentegen stroomt EHD gedreven door lichaam krachten lijken te zijn beschikbaar voor het vervoer van massa en energie als de spanningen van de toepassing kunnen worden verlaagd om te voorkomen dat vernederende oplosmiddelen. Onlangs, hebben sommige onderzoekers gesuggereerd toepassingen van EHD stromen met lage spanningen33,34,35,,,36. Hoewel deze technologieën nog niet omgezet zijn, verwachting de grenzen uit te breiden.
In eerdere studies leidee we experimentele en theoretische werk over EHD stromen in waterige oplossingen37,38,39,40. Het was de bedoeling dat de rectificatie van ion vervoer opleidingstrajecten werkzaam was voor het genereren van elektrisch geladen oplossingen waardoor elektrische lichaam krachten onder elektrische velden. Met behulp van een ionenwisseling membraan en een stroom kanaal oversteken van het membraan, konden we corrigeren Ionische stromingen. Bij de toepassing van een membraan anion-uitwisseling, caties geconcentreerd in de stroom kanaal sleepte de oplosmiddelen en ontwikkelde een EHD stroom37,38,39. Een verschil in de mobiliteit van ion soorten was een belangrijke factor bij het scheiden van de kationische en anionische stromingen. Ionenwisselaarmembranen effectief gewerkt aan het moduleren van de mobiliteit als gevolg van de ion-selectiviteit. Ion transportverschijnselen werden ook onderzocht vanuit het oogpunt van Ionische stroomdichtheid beïnvloed door toegepaste elektrische velden41. Deze studies hebben opgeleverd voor de ontwikkelingslanden manipulatie technieken voor afzonderlijke moleculen, namelijk micro- en nanodeeltjes, waarvan bewegingen zijn sterk beïnvloed door thermische schommelingen11,16,17 . EOFs EHD stromen naar verwachting uit te breiden van de verscheidenheid van precieze stroming bestrijdingsmethoden evenals druk verlopen.
In deze studie tonen we twee methoden tot station EHD stromen in waterige oplossingen. Ten eerste, een NaOH oplossing wordt gebruikt voor een werkmedium te rijden een EHD stroom37,38,39. Een membraan anion-uitwisseling scheidt de vloeistof in twee delen. Een Polydimethylsiloxaan (PDMS) stroom kanaal met een doorsnede van 1 x 1 mm en een lengte van 3 mm doordringt het membraan. Door een elektrische potentiaal van 2.2 V toe te passen, wordt het elektroforetisch vervoer van nb+, H+en OH− ionen veroorzaakt langs de elektrische velden. Een membraan anion-uitwisseling en een stroom kanaal werken effectief om te scheiden van de ion vervoer paden, waar anionen dominant passeren van het membraan en kationen concentreren in het kanaal van de stroom, hoewel beide soorten gewoonlijk in tegengestelde richtingen bewegen, behoud van de electroneutrality. Dus veroorzaakt geen dergelijke voorwaarde een drijvende kracht voor vloeibare stromen. Deze structuur is cruciaal voor het genereren van een stroom van de EHD waarvan flow snelheid over de volgorde van 1 mm bereikt/s in het kanaal omdat hooggeconcentreerde caties versneld door externe elektrische velden slepen oplosmiddel moleculen. EHD stromen worden geobserveerd en geregistreerd met behulp van een microscoop en een high-speed camera zoals getoond in Figuur 1. Ten tweede, een concentratie verschil tussen twee vloeibare fasen gescheiden door een ionenwisseling membraan zorgt ervoor dat een elektrisch gepolariseerde voorwaarde moeten worden gegenereerd overschrijding van een ionenwisseling membraan40. In deze studie vinden we het belang van een aanzienlijke wachttijd equilibreer ion distributies en een overeenkomstige elektrische potentiaal, waardoor beter voorwaarden toe te passen op de kracht van een lichaam in een vloeistof. Overschrijding van de ionenwisseling membraan, wordt een zwak gepolariseerde voorwaarde bereikt. In zulk een voorwaarde, een extern toegepast elektrisch veld induceert directionele ion vervoer dat een kracht van het lichaam in een vloeistof genereert, en dientengevolge, de overdracht van de impuls van de ionen naar het oplosmiddel ontwikkelt een EHD stroom.
Zoals hierboven vermeld, de huidige apparaten slagen het toegepaste spanningsverschil tot een paar volt drastisch te verlagen, en dus is deze methode kan worden gebruikt voor waterige oplossingen, hoewel de conventionele elektrische lading injectie methoden tientallen kV vereist en zijn beperkt tot een verzoek tot niet-waterige oplossingen.
Protocol
Representative Results
Discussion
Het doel van deze studie was om te scheiden van kationen en anionen in waterige oplossingen op het gebied van ruimtelijke distributies en vervoer nummers. Met behulp van een membraan anion-uitwisseling, kon het vervoer van de anionen en kationen worden rechtgezet in het membraan en een stroom kanaal dat het membraan, respectievelijk doordringt. U kunt ook een catie-uitwisseling membraan dat gescheiden van hoge en lage concentratie oplossingen gewerkt aan elektrisch gepolariseerde oplossingen genereren na een aanzienlijke…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
De auteurs hebben geen bevestigingen.
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).
