Оптоэлектросмачивание

Оптоэлектросмачивание (OEW) — это метод манипуляции каплями жидкости, используемый в микрофлюидных приложениях. Этот метод основан на принципе электросмачивания , который оказался полезным в жидкостном приведении в действие благодаря быстрому времени отклика переключения и низкому энергопотреблению. Однако там, где традиционное электросмачивание сталкивается с трудностями, например, при одновременной манипуляции несколькими каплями, OEW представляет собой выгодную альтернативу, которая проще и дешевле в производстве. Поверхности OEW легко изготавливать, поскольку они не требуют литографии , и имеют реконфигурируемый, масштабный контроль манипуляции в реальном времени благодаря своей реакции на интенсивность света.

Теория

Традиционный механизм электросмачивания вызывает все больший интерес из-за его способности контролировать силы натяжения на капле жидкости. Поскольку поверхностное натяжение действует как доминирующая сила приведения в действие жидкости в наномасштабных приложениях, электросмачивание использовалось для изменения этого натяжения на границе раздела твердое тело-жидкость посредством приложения внешнего напряжения. Приложенное электрическое поле вызывает изменение угла контакта капли жидкости и, в свою очередь, изменяет поверхностное натяжение поперек капли. Точная манипуляция электрическим полем позволяет контролировать капли. Капля помещается на изолирующую подложку, расположенную между электродом.cooxoxc9x

Диаграмма оптоэлектросмачивания против традиционного электросмачивания

Механизм оптоэлектросмачивания добавляет фотопроводник под обычную схему электросмачивания с подключенным источником питания переменного тока. В нормальных (темных) условиях большая часть импеданса системы лежит в области фотопроводимости, и поэтому большая часть падения напряжения происходит здесь. Однако, когда свет падает на систему, генерация и рекомбинация носителей вызывает проводимость пиков фотопроводника и приводит к падению напряжения на изолирующем слое, изменяя угол контакта как функцию напряжения. Угол контакта между жидкостью и электродом можно описать следующим образом: ^[1]

${\displaystyle \cos {\big (}\theta (V_{A}){\big )}=\cos {\big (}\theta (0){\big )}+{\frac {1}{2}}\left({\frac {\epsilon }{d\gamma _{LV}}}\right)V_{A}^{2}\,}$

где V _A , d , ε и γ _LV — приложенное напряжение, толщина изоляционного слоя, диэлектрическая проницаемость изоляционного слоя и константа поверхностного натяжения между жидкостью и газом. В ситуациях переменного тока, таких как OEW, V _A заменяется среднеквадратичным напряжением. Частота источника переменного тока регулируется таким образом, чтобы сопротивление фотопроводника доминировало в темном состоянии. Следовательно, сдвиг падения напряжения на изоляционном слое уменьшает угол контакта капли в зависимости от интенсивности света. При освещении оптического луча одним краем капли жидкости уменьшенный угол контакта создает разность давлений по всей капле и толкает центр масс капли к освещенной стороне. Управление оптическим лучом приводит к управлению движением капли.

Используя лазерные лучи мощностью 4 мВт, OEW доказала возможность перемещения капель деионизированной воды со скоростью 7 мм/с.

Традиционное электросмачивание сталкивается с проблемами, поскольку для приведения в действие капель требуется двумерный массив электродов. Большое количество электродов приводит к сложности как управления, так и упаковки этих чипов, особенно для размеров капель меньшего масштаба. Хотя эта проблема может быть решена путем интеграции электронных декодеров, стоимость чипа значительно возрастет. ^{[2] [3]}

Одностороннее непрерывное оптоэлектросмачивание (SCOEW)

Манипулирование каплями в устройствах на основе электросмачивания обычно осуществляется с помощью двух параллельных пластин, которые зажимают каплю и приводятся в действие цифровыми электродами. Минимальный размер капли, которой можно манипулировать, определяется размером пикселизированных электродов. Этот механизм обеспечивает решение ограничения размера физических пикселизированных электродов за счет использования динамических и реконфигурируемых оптических шаблонов и позволяет выполнять такие операции, как непрерывная транспортировка, разделение, слияние и смешивание капель. SCOEW проводится на открытых, безликих и фотопроводящих поверхностях. Такая конфигурация создает гибкий интерфейс, который обеспечивает простую интеграцию с другими микрофлюидными компонентами, такими как резервуары для образцов, через простые трубки. ^[4]

Это также известно как открытое оптоэлектросмачивание (O-OEW). ^[5]

Оптоэлектросмачивание с использованием фотоемкости

Оптоэлектросмачивание также может быть достигнуто с помощью фотоемкости в переходе жидкость-изолятор-полупроводник . ^[6] Фоточувствительное электросмачивание достигается посредством оптической модуляции носителей в области пространственного заряда на переходе изолятор-полупроводник, который действует как фотодиод — аналогично устройству с зарядовой связью на основе структуры металл-оксид-полупроводник .

Типы приложений

Клиническая диагностика

Электросмачивание представляет собой решение одной из самых сложных задач в системах «лаборатория на чипе» благодаря своей способности обрабатывать и манипулировать полными физиологическими соединениями. ^[7] Обычные микрофлюидные системы нелегко адаптировать для обработки различных соединений, требуя перенастройки, которая часто приводит к тому, что устройство в целом становится непрактичным. Благодаря OEW чип с одним источником питания можно легко использовать с различными веществами, с потенциалом для мультиплексного обнаружения.

Оптическое срабатывание

Фотоактивация в микроэлектромеханических системах (MEMS) была продемонстрирована в экспериментах по проверке концепции. ^{[8] [9]} Вместо типичной подложки, специализированный кантилевер помещается поверх стека жидкий изолятор-фотопроводник. Когда свет падает на фотопроводник, капиллярная сила от капли на кантилевере изменяется с углом контакта и отклоняет луч. Это беспроводное активирование может использоваться в качестве замены для сложных систем на основе схем, которые в настоящее время используются для оптической адресации и управления автономными беспроводными датчиками ^[10]

Смотрите также

• фотоэлектросмачивание

Ссылки

1. Нужна ссылка
2. Поллак, Майкл Г.; Фэйр, Ричард Б.; Шендеров, Александр Д. (2000-09-11). «Приведение в действие капель жидкости на основе электросмачивания для микрофлюидных приложений». Applied Physics Letters . 77 (11). AIP Publishing: 1725–1726. Bibcode : 2000ApPhL..77.1725P. doi : 10.1063/1.1308534. ISSN  0003-6951.
3. Chiou, Pei Yu; Moon, Hyejin; Toshiyoshi, Hiroshi; Kim, Chang-Jin; Wu, Ming C. (2003). «Световое приведение в действие жидкости с помощью оптоэлектросмачивания». Датчики и приводы A: Физические . 104 (3). Elsevier BV: 222–228. doi :10.1016/s0924-4247(03)00024-4. ISSN  0924-4247.
4. Park, Sung-Yong; Teitell, Michael A.; Chiou, Eric PY (2010). «Одностороннее непрерывное оптоэлектросмачивание (SCOEW) для манипуляции каплями со световыми узорами». Lab on a Chip . 10 (13). Королевское химическое общество (RSC): 1655–61. doi :10.1039/c001324b. ISSN  1473-0197. PMID  20448870.
5. Чуан, Хан-Шенг; Кумар, Алоке; Уэрли, Стивен Т. (2008-08-11). "Открытое оптоэлектросмачивание капельного возбуждения". Applied Physics Letters . 93 (6). AIP Publishing: 064104. Bibcode : 2008ApPhL..93f4104C. doi : 10.1063/1.2970047. ISSN  0003-6951.
6. Арскотт, Стив (2011). «Движение жидкостей со светом: фотоэлектросмачивание полупроводников». Scientific Reports . 1 (1): 184. arXiv : 1108.4935 . Bibcode :2011NatSR...1E.184A. doi : 10.1038/srep00184 . ISSN  2045-2322. PMC 3240946 . PMID  22355699. 
7. Шринивасан, Виджай; Памула, Вамси К.; Фэр, Ричард Б. (2004). «Интегрированная цифровая микрофлюидная лаборатория на чипе для клинической диагностики физиологических жидкостей человека». Лаборатория на чипе . 4 (4). Королевское химическое общество (RSC): 310–5. doi :10.1039/b403341h. ISSN  1473-0197. PMID  15269796.
8. Годе, Матье; Арскотт, Стив (28.05.2012). «Оптическое приведение в действие микроэлектромеханических систем с использованием фотоэлектросмачивания». Applied Physics Letters . 100 (22): 224103. arXiv : 1201.2873 . Bibcode : 2012ApPhL.100v4103G. doi : 10.1063/1.4723569. ISSN  0003-6951. S2CID  119208424.
9. Боб Йирка (2012-01-02). "Исследовательская группа создает схему фотоэлектросмачивания". Phys.org . Получено 2020-02-27 .
10. Йик, Дженнифер; Мукерджи, Бисванат; Госал, Дипак (2008). «Обследование беспроводной сенсорной сети». Компьютерные сети . 52 (12). Эльзевир Б.В.: 2292–2330. дои : 10.1016/j.comnet.2008.04.002. ISSN  1389-1286.

Внешние ссылки

• Демонстрация SCOEW на лабораторном чипе
• Тестирование активации капель O-OEW в Университете Пердью