FlowFET является Микрожидкостными компонентами , который позволяет скорости потока жидкости в канале микрожидкого быть модулируется электрическим потенциалом , приложенного к нему. Таким образом, он ведет себя как микрожидком аналога полевого транзистора , [1] за исключением того, что в flowFET занимает место потока поток жидкости электрического тока . Действительно, название flowFET происходит от соглашения об именах электронных полевых транзисторов (например, MOSFET , FINFET и т. Д.).
Механизм действия
FlowFET основан на принципе электроосмотического потока (EOF). На многих границах раздела жидкость-твердое тело существует двойной электрический слой, который развивается из-за взаимодействия между двумя фазами . В случае микрожидкостного канала это приводит к образованию заряженного слоя жидкости на периферии столба жидкости, который окружает основную часть жидкости. Этот двойной электрический слой имеет связанную разность потенциалов, известную как дзета-потенциал . Когда к этому межфазному двойному слою приложено соответствующим образом ориентированное электрическое поле (то есть параллельно каналу и в плоскости двойного электрического слоя), заряженные жидкие ионы испытывают движущую силу Лоренца . Поскольку этот слой окружает столб жидкости, и поскольку этот слой движется, весь столб жидкости начнет двигаться со скоростью. Скорость слоя жидкости " диффундирует " в объем канала от периферии к центру за счет вязкой связи. [1] Скорость зависит от напряженности электрического поля., величина дзета-потенциала , То диэлектрическая проницаемость и вязкость жидкости: [1]
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 дзета-потенциала можно использовать для управления как величиной, так и направлением электроосмотического потока в микроканале. [1]
Управляющее напряжение должно быть только в диапазоне 50 В для типичного микрофлюидного канала [2], поскольку это коррелирует с градиентом 1,5 МВ / см из-за размера канала. [1]
Операционные ограничения
Изменение размеров FlowFET (например, толщины изолирующего слоя между стенкой канала и электродом затвора) из-за производственного процесса может привести к неточному контролю дзета-потенциала. Это может усугубиться в случае загрязнения стенки, которое может изменить электрические свойства поверхности стенки канала рядом с электродом затвора. Это повлияет на характеристики локального потока, что может быть особенно важно в системах химического синтеза, стехиометрия которых напрямую связана со скоростью переноса предшественников реакции и продуктов реакции. [2]
На жидкость накладываются ограничения, которыми можно управлять в FlowFET. Поскольку он основан на EOF, могут использоваться только жидкости, производящие EOF в ответ на приложенное электрическое поле. [2]
В то время как управляющее напряжение должно быть только порядка 50 В, [2] напряжение, создающее EOF вдоль оси канала, больше, порядка 300 В. [3] Экспериментально замечено, что электролиз может происходить 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 «забивать» микрофлюидные системы. [4]
В дальнейшей аналогии с микроэлектронными системами время переключения для проточного полевого транзистора обратно пропорционально его размеру. Уменьшение размера полевого транзистора приводит к сокращению времени, в течение которого поток уравновешивается до нового расхода после изменения приложенного электрического поля. Однако следует отметить, что частота полевого транзистора потока на много порядков ниже, чем у электронного полевого транзистора.
Приложения
FlowFET видит потенциальные возможности использования в параллельных микрожидкостных манипуляциях [1], например, в ДНК-микрочипах . [2]
Без использования FlowFET необходимо управлять скоростью EOF, изменяя величину поля, создающего EOF (т. Е. Поля, параллельного оси канала), оставляя дзета-потенциал неизменным. Однако в этой схеме одновременное управление EOF в каналах, связанных друг с другом, не может быть легко выполнено. [1]
FlowFET обеспечивает способ управления потоком микрожидкостей 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 механической поломки микрофлюидного устройства. Это может быть все более актуальным, поскольку большие будущие итерации больших массивов микроэлектронных жидкостей (MEF) продолжают увеличиваться в размере и сложности.
Использование двунаправленного потока с электронным управлением дает интересные возможности для операций очистки от частиц и пузырьков. [2]
Смотрите также
- Флюидика
- Микрофлюидика
- Электроосмос
- Лаборатория на чипе
Рекомендации
- ^ a b c d e f g h Schasfoort, Ричард BM; Шлаутманн, Стефан; Хендрикс, Ян; ван ден Берг, Альберт (29 октября 1999 г.). «Полевое управление потоком для микропроцессорных жидкостных сетей». Наука . 286 (5441): 942–945. DOI : 10.1126 / science.286.5441.942 . PMID 10542145 .
- ^ Б с д е е г ч Керкхофф, HG; Парикмахер, RW; Чжан, X .; Эмерсон, Д.Р. (2006). «Моделирование неисправностей и совместное моделирование в системах биологической матрицы на основе FlowFET». Труды - Третий международный семинар IEEE по электронному проектированию, тестированию и приложениям, DELTA 2006 : 177–182.
- ^ а б Керкхофф, H; Barber, R; Эмерсон, Д.; Ван дер Вуден, Э (2005). «Проектирование и испытание микроэлектронных жидкостных систем». Труды Семинар по МЭМС, DATE05 Семинары : 47–52.
- ^ Erlandsson, PG; Робинсон, Н. Д. (2011). «Электролизно-восстановительные электроды для электрокинетических устройств» . Электрофорез . 32 (6–7): 784–790. DOI : 10.1002 / elps.201000617 . PMID 21425174 . S2CID 1045087 .
- ^ У Минь Сянь; Хуанг, Сун Бинь; Цуй, Чжаньфэн; Цуй, Чжэн; Ли, Гво Бин (2008). «Разработка платформы для культивирования микро-трехмерных клеток на основе перфузии и ее применение для высокопроизводительного тестирования лекарств». Датчики и исполнительные механизмы, B: химические . 129 (1): 231–240. DOI : 10.1016 / j.snb.2007.07.145 .