Оптоэлектросмачивание

Оптоэлектросмачивание (OEW) — это метод манипуляции каплями жидкости, используемый в микрофлюидики приложениях . Этот метод основан на принципе электросмачивания , который оказался полезным при срабатывании жидкости благодаря быстрому времени переключения и низкому энергопотреблению. Однако там, где традиционное электросмачивание сталкивается с проблемами, например, при одновременном манипулировании несколькими каплями, OEW представляет прибыльную альтернативу, которую проще и дешевле производить. Поверхности OEW легко изготовить, поскольку они не требуют литографии и имеют реконфигурируемый крупномасштабный контроль манипуляций в реальном времени благодаря реакции на интенсивность света.

Теория

Традиционный механизм электросмачивания вызывает все больший интерес из-за его способности контролировать силы натяжения капли жидкости. Поскольку поверхностное натяжение действует как доминирующая сила воздействия жидкости в наномасштабных приложениях, электросмачивание использовалось для изменения этого напряжения 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 капли. Точное манипулирование электрическим полем позволяет контролировать капли. Капля помещается на изолирующую подложку, расположенную между электродами.cooxoxc9x

Механизм оптоэлектросмачивания добавляет фотопроводник под обычную схему электросмачивания с подключенным источником питания переменного тока. В нормальных (темновых) условиях большая часть импеданса системы находится в области фотопроводимости, и поэтому здесь происходит большая часть падения напряжения. Однако, когда свет освещает систему, генерация и рекомбинация носителей вызывают скачки проводимости фотопроводника и приводят к падению напряжения на изолирующем слое, изменяя угол контакта в зависимости от напряжения. Угол контакта между жидкостью и электродом можно описать как: ^[1]

\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 межфазного натяжения между жидкостью и газом. В ситуациях переменного тока, таких как OEW, ВА _{заменяется} среднеквадратичным напряжением . Частота источника переменного тока регулируется таким образом, чтобы полное сопротивление фотопроводника доминировало в темном состоянии. Таким образом, сдвиг падения напряжения на изолирующем слое уменьшает контактный угол капли в зависимости от интенсивности света. При освещении оптическим лучом одного края капли жидкости уменьшенный угол контакта создает разность давлений по всей капле и смещает центр массы капли к освещенной стороне. Управление оптическим лучом позволяет контролировать движение капли.

Используя лазерные лучи мощностью 4 мВт, компания OEW доказала, что способна перемещать капли 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 капель меньшего масштаба. Хотя эту проблему можно решить за счет 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 помещают каплю между собой и приводятся в действие цифровыми электродами. Минимальный размер капель, которым можно манипулировать, определяется размером пикселизированных электродов. Этот механизм обеспечивает решение проблемы ограничения размера физических пиксельных электродов за счет использования динамических и реконфигурируемых оптических структур и обеспечивает 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 проб, через простые трубки. ^[4]

Он также известен как открытое оптоэлектросмачивание (O-OEW). ^[5]

Оптоэлектросмачивание с использованием фотоемкости.

Оптоэлектросмачивание также может быть достигнуто с использованием фотоемкости в переходе жидкость-изолятор-полупроводник . ^[6] Фоточувствительное электросмачивание достигается за счет 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», поскольку оно позволяет обрабатывать и манипулировать полными физиологическими соединениями. ^[7] Обычные микрофлюидные системы нелегко адаптировать для работы с различными соединениями, поэтому требуется реконфигурация, что часто приводит к тому, что устройство в целом становится непрактичным. Благодаря OEW чип с одним источником питания можно легко использовать с различными веществами с возможностью мультиплексного обнаружения.

Оптическое срабатывание

Фотоактивация в микроэлектромеханических системах (МЭМС) была продемонстрирована в экспериментах по проверке концепции. ^[8]^[9] Вместо типичной подложки поверх пакета жидкий изолятор-фотопроводник размещается специализированный кантилевер. Когда свет падает на фотопроводник, капиллярная сила капли на кантилевере изменяется в зависимости от угла контакта и отклоняет луч. Это беспроводное управление может быть использовано вместо сложных схемных систем, используемых в настоящее время для оптической адресации и управления автономными беспроводными датчиками. ^[10]

См. также

фотоэлектросмачивание

Ссылки

^ Нужна ссылка
^ Поллак, Майкл Г.; Фэйр, Ричард Б.; Шендеров, Александр Д. (11 сентября 2000 г.). «Приведение в действие капель жидкости на основе электросмачивания для микрофлюидных применений». Письма по прикладной физике . 77 (11). Издательство АИП: 1725–1726 гг. Бибкод : 2000ApPhL..77.1725P . дои : 10.1063/1.1308534 . ISSN 0003-6951 .
^ Чиу, Пей Ю; Мун, Хеджин; Тосиёси, Хироши; Ким, Чан-Джин; Ву, Мин К. (2003). «Световое воздействие жидкости путем оптоэлектросмачивания». Датчики и исполнительные механизмы A: Физические . 104 (3). Эльзевир Б.В.: 222–228. дои : 10.1016/s0924-4247(03)00024-4 . ISSN 0924-4247 .
^ Пак Сон Ён; Тейтелл, Майкл А.; Чиу, Эрик П.Ю. (2010). «Одностороннее непрерывное оптоэлектросмачивание (SCOEW) для манипуляций с каплями с помощью световых узоров». Лаборатория на чипе . 10 (13). Королевское химическое общество (RSC): 1655–61. дои : 10.1039/c001324b . ISSN 1473-0197 . ПМИД 20448870 .
^ Чуанг, Хань-Шэн; Кумар, Алоке; Уэрли, Стивен Т. (11 августа 2008 г.). «Открытое оптоэлектросмачивание капли» . Письма по прикладной физике . 93 (6). Издательство AIP: 064104. Бибкод : 2008ApPhL..93f4104C . дои : 10.1063/1.2970047 . ISSN 0003-6951 .
^ Арскотт, Стив (2011). «Движение жидкостей светом: фотоэлектросмачивание полупроводников» . Научные отчеты . 1 (1): 184. arXiv : 1108.4935 . Бибкод : 2011НатСР...1Е.184А . дои : 10.1038/srep00184 . ISSN 2045-2322 . ПМК 3240946 . ПМИД 22355699 .
^ Шринивасан, Виджай; Памула, Вамси К.; Фэйр, 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. дои : 10.1039/b403341h . ISSN 1473-0197 . ПМИД 15269796 .
^ Годе, Матье; Арскотт, Стив (28 мая 2012 г.). «Оптическое срабатывание микроэлектромеханических систем с помощью фотоэлектросмачивания». Письма по прикладной физике . 100 (22): 224103. arXiv : 1201.2873 . Бибкод : 2012ApPhL.100v4103G . дои : 10.1063/1.4723569 . ISSN 0003-6951 . S2CID 119208424 .
^ Боб Йирка (2 января 2012 г.). «Исследовательская группа создает схему фотоэлектросмачивания» . Физика.орг . Проверено 27 февраля 2020 г.
^ Да, 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

[1] Нужна ссылка

[2] Поллак, Майкл Г.; Фэйр, Ричард Б.; Шендеров, Александр Д. (11 сентября 2000 г.). «Приведение в действие капель жидкости на основе электросмачивания для микрофлюидных применений». Письма по прикладной физике . 77 (11). Издательство АИП: 1725–1726 гг. Бибкод : 2000ApPhL..77.1725P . дои : 10.1063/1.1308534 . ISSN 0003-6951 .

[3] Чиу, Пей Ю; Мун, Хеджин; Тосиёси, Хироши; Ким, Чан-Джин; Ву, Мин К. (2003). «Световое воздействие жидкости путем оптоэлектросмачивания». Датчики и исполнительные механизмы A: Физические . 104 (3). Эльзевир Б.В.: 222–228. дои : 10.1016/s0924-4247(03)00024-4 . ISSN 0924-4247 .

[4] Пак Сон Ён; Тейтелл, Майкл А.; Чиу, Эрик П.Ю. (2010). «Одностороннее непрерывное оптоэлектросмачивание (SCOEW) для манипуляций с каплями с помощью световых узоров». Лаборатория на чипе . 10 (13). Королевское химическое общество (RSC): 1655–61. дои : 10.1039/c001324b . ISSN 1473-0197 . ПМИД 20448870 .

[5] Чуанг, Хань-Шэн; Кумар, Алоке; Уэрли, Стивен Т. (11 августа 2008 г.). «Открытое оптоэлектросмачивание капли» . Письма по прикладной физике . 93 (6). Издательство AIP: 064104. Бибкод : 2008ApPhL..93f4104C . дои : 10.1063/1.2970047 . ISSN 0003-6951 .

[6] Арскотт, Стив (2011). «Движение жидкостей светом: фотоэлектросмачивание полупроводников» . Научные отчеты . 1 (1): 184. arXiv : 1108.4935 . Бибкод : 2011НатСР...1Е.184А . дои : 10.1038/srep00184 . ISSN 2045-2322 . ПМК 3240946 . ПМИД 22355699 .

[7] Шринивасан, Виджай; Памула, Вамси К.; Фэйр, 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. дои : 10.1039/b403341h . ISSN 1473-0197 . ПМИД 15269796 .

[8] Годе, Матье; Арскотт, Стив (28 мая 2012 г.). «Оптическое срабатывание микроэлектромеханических систем с помощью фотоэлектросмачивания». Письма по прикладной физике . 100 (22): 224103. arXiv : 1201.2873 . Бибкод : 2012ApPhL.100v4103G . дои : 10.1063/1.4723569 . ISSN 0003-6951 . S2CID 119208424 .

[9] Боб Йирка (2 января 2012 г.). «Исследовательская группа создает схему фотоэлектросмачивания» . Физика.орг . Проверено 27 февраля 2020 г.

[10] Да, 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 .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]