Из Википедии, свободной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Оптоэлектросмачивание (OEW) - это метод манипулирования каплями жидкости, используемый в приложениях микрофлюидики . Этот метод основан на принципе электросмачивания , который оказался полезным при срабатывании жидкости из-за быстрого времени отклика переключения и низкого энергопотребления. Однако там, где традиционное электросмачивание сталкивается с проблемами, например, при одновременном манипулировании несколькими каплями, OEW представляет собой прибыльную альтернативу, которая проще и дешевле в производстве. Поверхности OEW легко изготавливать, поскольку они не требуют литографии и имеют возможность управления крупномасштабными манипуляциями в реальном времени с возможностью изменения конфигурации благодаря своей реакции на интенсивность света.

Теория [ править ]

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

Оптоэлектросмачивание по сравнению с традиционной схемой электросмачивания

Механизм оптоэлектросмачивания добавляет фотопроводник под обычную схему электросмачивания с подключенным источником питания переменного тока. В нормальных (темных) условиях большая часть импеданса системы находится в области фотопроводимости, и поэтому здесь происходит большая часть падения напряжения. Однако, когда на систему попадает свет, генерация и рекомбинация носителей вызывает проводимость всплесков фотопроводника и приводит к падению напряжения на изолирующем слое, изменяя угол смачивания в зависимости от напряжения. Краевой угол между жидкостью и электродом можно описать как: [1]


где V A , d , ε и γ LV - приложенное напряжение, толщина изоляционного слоя, диэлектрическая проницаемость изоляционного слоя и постоянная межфазного натяжения между жидкостью и газом. В ситуациях переменного тока, таких как OEW, V A заменяется на RMS.Напряжение. Частота источника питания переменного тока регулируется таким образом, чтобы импеданс фотопроводника преобладал в темном состоянии. Таким образом, смещение падения напряжения на изолирующем слое уменьшает угол смачивания капли в зависимости от интенсивности света. Благодаря освещению оптическим лучом одного края капли жидкости уменьшенный угол смачивания создает перепад давления по всей капле и смещает центр масс капли к освещаемой стороне. Управление оптическим лучом позволяет контролировать движение капли.

Используя лазерные лучи мощностью 4 мВт, OEW может перемещать капли деионизированной воды со скоростью 7 мм / с.

Традиционное электросмачивание сталкивается с проблемами, поскольку требует двумерного набора электродов для срабатывания капель. Большое количество электродов усложняет как контроль, так и упаковку этих чипов, особенно для капель меньшего размера. Хотя эта проблема может быть решена путем интеграции электронных декодеров, стоимость чипа значительно возрастет. [2] [3]

Одностороннее непрерывное оптоэлектросмачивание (SCOEW) [ править ]

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

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

Оптоэлектронное смачивание с использованием фотоемкости [ править ]

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

Типы приложений [ править ]

Клиническая диагностика [ править ]

Электросмачивание представляет собой решение одной из самых сложных задач в системах « лаборатория на кристалле», поскольку позволяет обрабатывать и манипулировать комплексными физиологическими соединениями. [7] Обычные микрофлюидные системы нелегко адаптировать для работы с различными соединениями, что требует реконфигурации, что часто приводит к тому, что устройство в целом становится непрактичным. С помощью OEW микросхему с одним источником питания можно легко использовать с различными веществами с возможностью мультиплексного обнаружения.

Оптическое срабатывание [ править ]

Фотоактивация в микроэлектромеханических системах (MEMS) была продемонстрирована в экспериментальных экспериментах. [8] [9] Вместо типичной подложки поверх пакета жидкий изолятор-фотопроводник помещается специальный кантилевер. Когда свет попадает на фотопроводник, капиллярная сила капли на кантилевере изменяется в зависимости от угла смачивания и отклоняет луч. Это беспроводное срабатывание может использоваться вместо сложных систем на основе схем, используемых в настоящее время для оптической адресации и управления автономными беспроводными датчиками [10]

См. Также [ править ]

Ссылки [ править ]

  1. ^ Нужна ссылка
  2. ^ Поллак, Майкл G .; Ярмарка, Ричард Б .; Шендеров, Александр Д. (2000-09-11). «Электросмачивание срабатываний капель жидкости для микрофлюидных приложений». Письма по прикладной физике . Издательство AIP. 77 (11): 1725–1726. Bibcode : 2000ApPhL..77.1725P . DOI : 10.1063 / 1.1308534 . ISSN  0003-6951 .
  3. ^ Цю Пей Ю; Мун, Хеджин; Тошиёси, Хироши; Ким, Чанг-Джин; Ву, Мин С. (2003). «Легкое срабатывание жидкости оптоэлектросмачиванием». Датчики и исполнительные механизмы A: Физические . Elsevier BV. 104 (3): 222–228. DOI : 10.1016 / s0924-4247 (03) 00024-4 . ISSN 0924-4247 . 
  4. ^ Пак, Сун-Юн; Teitell, Michael A .; Чиу, Эрик PY (2010). «Одностороннее непрерывное оптоэлектросмачивание (SCOEW) для манипулирования каплями с помощью световых узоров». Лаборатория на чипе . Королевское химическое общество (RSC). 10 (13): 1655–61. DOI : 10.1039 / c001324b . ISSN 1473-0197 . PMID 20448870 .  
  5. ^ Чуанг, Хан-Шэн; Кумар, Алоке; Уэрли, Стивен Т. (11 августа 2008 г.). «Открытое оптоэлектронное срабатывание капли» . Письма по прикладной физике . Издательство AIP. 93 (6): 064104. Bibcode : 2008ApPhL..93f4104C . DOI : 10.1063 / 1.2970047 . ISSN 0003-6951 . 
  6. ^ Арскотт, Стив (2011). «Движение жидкостей со светом: фотоэлектросмачивание полупроводников» . Научные отчеты . 1 (1): 184. arXiv : 1108.4935 . Bibcode : 2011NatSR ... 1E.184A . DOI : 10.1038 / srep00184 . ISSN 2045-2322 . PMC 3240946 . PMID 22355699 .   
  7. ^ Сринивасан, Виджай; Pamula, Vamsee K .; Ярмарка, Ричард Б. (2004). «Интегрированная цифровая микрожидкостная лаборатория-на-чипе для клинической диагностики физиологических жидкостей человека». Лаборатория на чипе . Королевское химическое общество (RSC). 4 (4): 310–5. DOI : 10.1039 / b403341h . ISSN 1473-0197 . PMID 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 . Bibcode : 2012ApPhL.100v4103G . DOI : 10.1063 / 1.4723569 . ISSN 0003-6951 . S2CID 119208424 .  
  9. ^ Боб Йирка (2012-01-02). «Исследовательский коллектив создает схему фотоэлектросмачивания» . Phys.org . Проверено 27 февраля 2020 .
  10. ^ Йик, Дженнифер; Мукерджи, Бисванат; Госал, Дипак (2008). «Обследование беспроводной сенсорной сети». Компьютерные сети . Elsevier BV. 52 (12): 2292–2330. DOI : 10.1016 / j.comnet.2008.04.002 . ISSN 1389-1286 . 

Внешние ссылки [ править ]

  • Демонстрация SCOEW на лаборатории на кристалле
  • Тестирование O-OEW на капельницу в Университете Пердью