FlowFET

FlowFET компонент , — это микрофлюидный скорость потока жидкости который позволяет модулировать в микрофлюидном канале с помощью приложенного к нему электрического потенциала . Таким образом, он ведет себя как микрофлюидный аналог полевого транзистора . ^[1] за исключением того, что в проточном полевом транзисторе поток жидкости заменяет поток электрического тока . Действительно, название flowFET происходит от соглашения об именах электронных полевых транзисторов (например, MOSFET , FINFET и т. д.).

Механизм действия

FET-транзистор основан на принципе электроосмотического потока (EOF). На многих границах раздела жидкость-твердое тело существует двойной электрический слой , который образуется из-за взаимодействия между двумя фазами . В случае микрофлюидного канала это приводит к образованию заряженного слоя жидкости на периферии столба жидкости, окружающего основную часть жидкости. Этот двойной электрический слой имеет связанную с ним разность потенциалов, известную как дзета-потенциал . Когда к этому двойному межфазному слою прикладывается соответствующим образом ориентированное электрическое поле (т.е. параллельно каналу и в плоскости двойного электрического слоя), заряженные ионы жидкости испытывают действие движущей силы Лоренца . Поскольку этот слой обволакивает столб жидкости и поскольку этот слой движется, то весь столб жидкости начнет двигаться со скоростью $\nu _{EOF}$ . Скорость слоя жидкости « диффундирует » в объем канала от периферии к центру за счет вязкой связи. ^[1] Скорость связана с силой электрического поля. $E$ , величина дзета-потенциала $\zeta$ , диэлектрическая проницаемость $\epsilon$ и вязкость $\eta$ жидкости: ^[1]

$\nu _{EOF}={\epsilon \over \eta }\zeta E$

В FlowFET дзета-потенциал между стенками канала и жидкостью можно изменить, приложив электрическое поле, перпендикулярное стенкам канала. Это приводит к изменению движущей силы, испытываемой подвижными атомами жидкости в двойном слое. Это изменение зета-потенциала можно использовать для контроля как величины, так и направления электроосмотического потока в микроканале. ^[1]

Управляющее напряжение должно находиться только в диапазоне 50 В для типичного микрофлюидного канала. ^[2] поскольку это соответствует градиенту 1,5 МВ/см из-за размера канала. ^[1]

Эксплуатационные ограничения

Изменение размеров FlowFET (например, толщины изолирующего слоя между стенкой канала и электродом затвора) в зависимости от производственного процесса может привести к неточному контролю дзета-потенциала. Это может усугубляться в случае загрязнения стенки, которое может изменить электрические свойства поверхности стенки канала, прилегающей к электроду затвора. Это повлияет на локальные характеристики потока, что может быть особенно важно в системах химического синтеза, стехиометрия которых напрямую связана со скоростью транспорта предшественников реакции и продуктов реакции. ^[2]

Существуют ограничения на жидкость, которой можно манипулировать в FlowFET. Поскольку он основан на ЭОП, можно использовать только жидкости, создающие ЭОП в ответ на приложенное электрическое поле. ^[2]

Хотя управляющее напряжение должно быть порядка 50 В, ^[2] напряжение, создающее ЭОП вдоль оси канала, больше, порядка 300 В. ^[3] Экспериментально замечено, что может происходить электролиз на контактах электродов . Этот электролиз воды может изменить pH в канале и отрицательно повлиять на биологические клетки и биомолекулы , в то время как пузырьки газа имеют тенденцию «засорять» микрофлюидные системы. ^[4]

По аналогии с микроэлектронными системами время переключения полевого транзистора обратно пропорционально его размеру. Уменьшение размера FET приводит к сокращению времени, необходимого для уравновешивания потока до новой скорости потока после изменения приложенного электрического поля. Следует, однако, отметить, что частота полевого полевого транзистора на много порядков ниже, чем у электронного полевого транзистора.

Приложения

FlowFET видит потенциальное применение в массовых параллельных микрофлюидных манипуляциях. ^[1] например, в микрочипах ДНК . ^[2]

Без использования FlowFET необходимо контролировать скорость ЭОП, изменяя величину поля, создающего ЭОП (т. е. поля, параллельного оси канала), оставляя при этом дзета-потенциал неизменным. Однако в такой конструкции невозможно легко осуществить одновременное управление EOF в каналах, соединенных друг с другом. ^[1]

FlowFET обеспечивает способ управления микрожидкостным потоком без использования движущихся частей. ^[1]^[2]^[3] Это резко контрастирует с другими решениями, включая перистальтические насосы с пневматическим приводом, такие как представленные Wu et al. ^[5] Меньшее количество движущихся частей снижает вероятность механического разрушения микрофлюидного устройства. Это может быть все более актуально, поскольку будущие крупные итерации больших микроэлектронных жидкостных (MEF) массивов продолжают увеличиваться в размерах и сложности.

Использование двунаправленного потока с электронным управлением открывает интересные возможности для операций по очистке от частиц и пузырьков. ^[2]

См. также

Ссылки

^ Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г ^час Шасфорт, Ричард Б.М.; Шлаутманн, Стефан; Хендриксе, Ян; ван ден Берг, Альберт (29 октября 1999 г.). «Полевой эффект управления потоком для микрофлюидных сетей» (PDF) . Наука . 286 (5441): 942–945. дои : 10.1126/science.286.5441.942 . ПМИД 10542145 .
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г ^час Керкхофф, Х.Г.; Барбер, RW; Чжан, X.; Эмерсон, Д.Р. (2006). «Моделирование неисправностей и совместное моделирование в системах биологических массивов на основе FlowFET». Материалы – Третий международный семинар IEEE по электронному проектированию, испытаниям и приложениям, DELTA 2006 : 177–182.
^ Перейти обратно: ^а ^б Керкхофф, Х; Барбер, Р; Эмерсон, Д; Ван дер Вуден, Э. (2005). «Проектирование и испытание микроэлектронных жидкостных систем». Материалы семинара по MEMS, семинары DATE05 : 47–52.
^ Эрландссон, PG; Робинсон, Северная Дакота (2011). «Электролизно-восстановительные электроды для электрокинетических устройств» . Электрофорез . 32 (6–7): 784–790. дои : 10.1002/elps.201000617 . ПМИД 21425174 . S2CID 1045087 .
^ Ву, Мин Сянь; Хуан, Сун Бин; Цуй, Чжаньфэн; Цуй, Чжэн; Ли, Гво Бин (2008). «Разработка платформы для микротрехмерных культур клеток на основе перфузии и ее применение для высокопроизводительного тестирования лекарств». Датчики и исполнительные механизмы, B: Химия . 129 (1): 231–240. дои : 10.1016/j.snb.2007.07.145 .

[Schasfoort-1] Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г ^час Шасфорт, Ричард Б.М.; Шлаутманн, Стефан; Хендриксе, Ян; ван ден Берг, Альберт (29 октября 1999 г.). «Полевой эффект управления потоком для микрофлюидных сетей» (PDF) . Наука . 286 (5441): 942–945. дои : 10.1126/science.286.5441.942 . ПМИД 10542145 .

[Kerkhoff-2] Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г ^час Керкхофф, Х.Г.; Барбер, RW; Чжан, X.; Эмерсон, Д.Р. (2006). «Моделирование неисправностей и совместное моделирование в системах биологических массивов на основе FlowFET». Материалы – Третий международный семинар IEEE по электронному проектированию, испытаниям и приложениям, DELTA 2006 : 177–182.

[Design-3] Перейти обратно: ^а ^б Керкхофф, Х; Барбер, Р; Эмерсон, Д; Ван дер Вуден, Э. (2005). «Проектирование и испытание микроэлектронных жидкостных систем». Материалы семинара по MEMS, семинары DATE05 : 47–52.

[electrode-4] Эрландссон, PG; Робинсон, Северная Дакота (2011). «Электролизно-восстановительные электроды для электрокинетических устройств» . Электрофорез . 32 (6–7): 784–790. дои : 10.1002/elps.201000617 . ПМИД 21425174 . S2CID 1045087 .

[Wu-5] Ву, Мин Сянь; Хуан, Сун Бин; Цуй, Чжаньфэн; Цуй, Чжэн; Ли, Гво Бин (2008). «Разработка платформы для микротрехмерных культур клеток на основе перфузии и ее применение для высокопроизводительного тестирования лекарств». Датчики и исполнительные механизмы, B: Химия . 129 (1): 231–240. дои : 10.1016/j.snb.2007.07.145 .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]