Üretimi ve Electrohydrodynamic kontrolünü akar sulu elektrolit çözümlerinde
Summary
İyon taşıma yolları düzeltme tek yönlü electrohydrodynamic iyon sürükledi akışları oluşturmak için etkili bir yöntemdir. Bir iyon değiştirme membran bir akışı kanal olarak ayarlayarak, elektriksel olarak polarize bir koşulu oluşturulur ve bir elektrik alanı dışarıdan uygulandığında yönlendirilmesi için sıvı akışı neden olur.
Abstract
Yönlendirilmiş elektrik vücut kuvvet iyonik hareket sıvı ile bağlı olmak zorunda çünkü electrohydrodynamic (EHD) sürücü için sulu çözümler içinde katyon ve anyon ulaşım yollarının ayrılması önemlidir akar. Öte yandan, pozitif ve negatif ücretleri birbirlerine çekmek ve electroneutrality her yerde denge koşullarda korunur. Ayrıca, çözümleri kararsız hale gelmesine neden olan su elektroliz önlemek için bastırılması uygulanan bir gerilim bir artış vardır. Genellikle, EHD akışı içinde sulu olmayan çözümler kV, onlarca gibi son derece yüksek gerilim uygulayarak elektrik ücretleri enjekte etmek için indüklenen. Bu çalışmada, sulu çözümler nerede iki sıvı aşamalı bir iyon değiştirme membran tarafından ayrılır, elektrik akımı ayrımları tarafından indüklenen EHD akışları oluşturmak için iki yöntem tanıtılmaktadır. İyonik hareketlilik zarda bir farkı nedeniyle, iyon konsantrasyonu polarizasyon membran her iki taraf arasında indüklenen. Bu çalışmada, biz iki yöntem göstermek. (i) iyon konsantrasyonu degradeler gevşeme ile nerede daha yavaş tür zarda taşıma seçerek akışı kanalda baskın hale bir iyon değiştirme membran nüfuz bir akışı kanal oluşur. Bu sıvı içinde bir EHD akışı oluşturmak için bir itici güçtür. (II) uzun bir bekleme süresi difüzyon iyon değiştirme membran geçen iyonlar için dışarıdan bir elektrik alanı uygulayarak bir iyon sürükledi akışı nesil sağlar. 1 x 1 mm2 kesit akışı kanalda konsantre iyonları elektroforetik taşıma yolları karşılık gelen sıvı akış yönünü belirler. Her iki yöntem de bir EHD akışı oluşturulmasında gerekli elektrik voltaj farkı büyük ölçüde iyon taşıma yolları takviyeli-tarafından 2 V yakınındaki azalır.
Introduction
Son zamanlarda, sıvı akış denetim teknikleri mikro – ve nanofluidic cihazları1,2,3,4,5, uygulamaları ilgi nedeniyle çok ilgisini çekti var 6 , 7 , 8 , 9 , 10 , 11 , 12 , 13 , 14 , 15. sulu çözümler ve İyonik Sıvılar, gibi kutup çözümleri iyonları ve elektrikle yüklü parçacıklar genellikle sıvı akışı içinde elektrik masrafları getirmek. Böyle polarize parçacıklar taşımacılığının tek molekül manipülasyon6,10,11,13,14 gibi çeşitli uygulamalar bir genişleme sağlar , 15 , 16 , 19,20,21,22 17, iyon diyot aygıtları12,18ve sıvı akışı kontrol. Stuetzer1,2 iyon sürükle pompa icat edildiğinden beri EHD akışı sıvı akış kontrol sistemleri için geçerli bir fenomen oldu. Melcher ve Taylor3 EHD akışı kuramsal çerçeve de gözden geçirildi ve üstün bazı deneyler de gösterdi önemli bir makale yayınladı. Saville4 ve onun arkadaşları23,24 sıvı EHD teknolojileri aşağıdaki genişlemesi katkıda bulunmuştur. Ancak, sıvı yağlar onları1,2 kutuplaştırmak için gibi polar olmayan çözümlerinde elektrik ücretleri enjekte uygulanacak kV onlarca var çünkü sıvı akar elektrik güçleri tarafından tahrik inducing bazı sınırlamalar vardı , 3. bir elektrik potansiyeli 1.23 V yüksek tarafından indüklenen su elektroliz çözümleri özelliklerini değiştirir ve çözümleri kararsız hale getirir çünkü bu sulu çözümler için bir dezavantaj olduğunu.
Mikro – ve nanofluidic kanalları, kanal duvarları yüzey suçlamalardan etkili electroosmotic akar (EOFs) neden counterions konsantrasyonu dışarıdan uygulanan elektrik alanlar25,26altında,27 neden ,28,29. EOFs kullanarak, bazı sıvı pompa teknikleri elektrik voltaj30,31,32azaltarak sulu çözümler uygulandı. Öte yandan, EOFs mikro – ve yüzey alanlarını sıvı birimlere göre daha baskın hale nanospaces için oluşturulan sınırlıdır. Ayrıca, yüksek konsantrasyonlu iyonları duvar yüzeyleri çok yakın ulaşım bağlı olarak gibi elektrikli çift katman içinde kayma sınır sadece basınç gradyanları7, yapmak yeterli olmayabilir sıvı akışını neden olur 8 , 22 , 26 , 27., kanal ve tuz konsantrasyonları, gibi ince EOF uygulamalar için gereklidir. Buna ek olarak, EHD kuvvetleri çözücüler düşürmesini önlemek için uygulama gerilimleri azalır eğer kitleler ve enerjileri taşımak kullanılabilir görünüyor vücut tarafından tahrik akar. Son zamanlarda, bazı araştırmacılar EHD akışı düşük voltaj33,34,35,36ile uygulamaları tavsiye ettiler. Her ne kadar bu teknolojileri henüz uygulamaya değil, sınırlarını genişletmek için bekleniyor.
Önceki çalışmalarda, biz de deneysel ve teorik çalışma EHD akışlarında sulu çözümler37,38,39,40üzerinde yürütülen. İyon taşıma yolları düzeltme elektrik vücut kuvvetleri elektrik alanlar’ın altında neden elektrikle şarj edilmiş çözümler üretmek etkili gerekiyordu. Bir iyon değiştirme membran ve membran geçiş akışını kanal kullanarak, biz iyonik akımları düzeltmek başardık. Bir anyon-Satım membran uygulanırken, katyonlar konsantre akışında kanal çözücüler sürükledi ve geliştirilen bir EHD akışı37,38,39. İyon türler hareketliliğini bir fark anyonik ve katyonik akımları ayıran önemli bir faktör oldu. İyon değiştirme membranlar etkili hareketlilik nedeniyle iyon seçicilik modüle için çalıştı. İyon Taşıma olayları da iyonik akım yoğunluğu tarafından uygulanan elektrik alanları41etkiledi bakış açısından araştırıldı. Bu çalışmalar tek molekülleri, yani, mikro ve nano tanecikleri, kimin hareketleri şiddetle termal dalgalanmaları11,16tarafından,17 etkilenen gelişmekte olan manipülasyon teknikleri için verimli olmuştur . EOFs ve EHD akışı hassas akış kontrol yöntemleri çeşitli genişletmek gibi degradeler basınç bekleniyor.
Bu çalışmada, sürücü EHD akışlarında sulu çözümler için iki yöntemleri göstermektedir. İlk olarak, bir NaOH çözüm için bir çalışma sıvı bir EHD akışı37,38,39sürücü için kullanılır. Bir anyon-Satım membran sıvı iki bölüme ayırır. Polydimethylsiloxane (PDMS) akışı Kanal 1 x 1 mm kesit ve 3 mm uzunluğu ile membran nüfuz eder. 2.2 V elektrik potansiyelinin uygulayarak, Na+, H+ve OH− iyonları elektroforetik taşımacılığının elektrik alanları indüklenen. Bir anyon-Satım membran ve akışı kanal nerede anyon baskın membran geçmek ve her iki tür genellikle ters yönde hareket olsa da katyonlar akışı kanalda konsantre iyon taşıma yolları ayırmak için etkin çalışan, electroneutrality devam ediyoruz. Bu nedenle, böyle bir durum sıvı akışı için itici bir güç neden olmaz. Bu yapı olan akış hızı 1 mm sırasına ulaşır bir EHD akışı oluşturmak için önemlidir/s kanal çünkü son derece konsantre katyonlar tarafından dış elektrik alanları hızlandırılmış çözücü molekülleri sürükleyin. EHD akar gözlenen ve mikroskop ve yüksek hızlı bir fotoğraf makinesi Şekil 1‘ de gösterildiği gibi kullanarak kaydedildi. İkinci olarak, bir konsantre fark bir iyon değiştirme membran tarafından ayrılmış iki sıvı aşamalar arasına oluşturulacak bir elektriksel olarak polarize durumu neden olur bir iyon değiştirme membran40geçiş. Bu çalışmada, bir sıvı bir vücut kuvvet uygulamak tercih koşullar neden iyon dağılımları ve karşılık gelen elektrik potansiyeli, equilibrate için önemli bir bekleyen zaman önemini bul. İyon değiştirme membran crossing, zayıf polarize bir durum elde edilir. Böyle bir durumda dışarıdan uygulanan elektrik alan bir sıvı içinde bir gövde güç üretir yönlü iyon taşıma indükler ve sonuç olarak, ivme transfer iyonlarının çözücü bir EHD akışı geliştirir.
Yukarıda belirtildiği gibi mevcut cihazlar birkaç volt uygulanan gerilim farkı azalan sırasına göre büyük ölçüde başarılı ve bu nedenle bu yöntem geleneksel elektrik akımı enjeksiyon yöntemleri kV onlarca gerekli, ancak sulu çözümler için kullanılabilir ve sulu olmayan çözümler uygulamaya sınırlıdır.
Protocol
Representative Results
Discussion
Bu çalışmada katyon ve anyon kayma dağılımları ve taşıma sayıları açısından sulu çözümler içinde ayırmak için yapıldı. Bir anyon-Satım membran kullanarak, anyon ve katyonlar membran ve membran, sırasıyla nüfuz bir akışı kanal düzeltilmesi. Alternatif olarak, yüksek ve düşük konsantrasyon çözümleri ayrılmış bir katyon değişim membran hatırı sayılır bir bekleme süresinden sonra elektrikle polarize çözümleri oluşturmak için çalıştı. Sonuç olarak, doğrultucu iyonik ak…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Yazarlar hiçbir ilgili kaynaklar var.
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).
