Оптоэлектронное смачивание - Optoelectrowetting

Оптоэлектронное смачивание (OEW) - это метод манипулирования каплями жидкости, используемый в микрофлюидика Приложения. Этот метод основан на принципе электросмачивание, 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 изготовить, так как не требуют литография, и имеет в режиме реального времени настраиваемое крупномасштабное управление манипуляциями благодаря его 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 срабатывания жидкости в наноразмерных приложениях, электросмачивание использовалось для изменения этого натяжения на границе твердое тело-жидкость посредством приложения внешнего напряжения. Приложенное электрическое поле вызывает изменение контактного угла жидкой капли и, в свою очередь, изменяет поверхностное натяжение капли. Точное управление электрическим полем позволяет управлять каплями. 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 система освещена, генерация и рекомбинация носителей вызывает всплески проводимости 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 VА, d, ε и γLV - приложенное напряжение, толщина изоляционного слоя, диэлектрическая проницаемость изоляционного слоя и постоянная межфазного натяжения между жидкостью и газом. В ситуациях переменного тока, таких как OEW, VА заменяется на RMS Напряжение. Частота источника питания переменного тока регулируется так, чтобы импеданс фотопроводника преобладал в темном состоянии. Таким образом, смещение падения напряжения на изолирующем слое снижает 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.

Доказано, что OEW использует лазерные лучи мощностью 4 мВт для перемещения капель деионизированной воды со скоростью 7 мм / с.

Традиционное электросмачивание сталкивается с проблемами, потому что 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)

Манипуляции с каплями в устройствах на основе электросмачивания обычно выполняются с помощью двух параллельных пластин, которые зажимают каплю и активируются цифровыми электродами. Минимальный размер капли, с которой можно работать, определяется размером пиксельных электродов. Этот механизм обеспечивает решение для 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

Оптоэлектросмачивание также может быть выполнено с помощью фотоемкость в переход жидкость-диэлектрик-полупроводник.[6] Фоточувствительное электросмачивание достигается за счет оптической модуляции перевозчики в космический заряд область перехода диэлектрик-полупроводник, которая действует как фотодиод - аналогично устройство с зарядовой связью на основе металл-оксид-полупроводник.

Типы приложений

Клиническая диагностика

Электросмачивание - решение одной из самых сложных задач в лаборатория на кристалле системы в своей способности обрабатывать и манипулировать полными физиологическими соединениями.[7] Обычные микрофлюидные системы нелегко адаптировать для работы с различными соединениями, требуя перенастройки, 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

Фотоактивация в микроэлектромеханические системы (MEMS) была продемонстрирована в экспериментальных экспериментах.[8][9] Вместо типичной подложки поверх стопки жидкий изолятор-фотопроводник помещается специальный кантилевер. Когда свет попадает на фотопроводник, капиллярная сила капли на кантилевере изменяется в зависимости от угла контакта и отклоняет луч. Эта беспроводная активация может использоваться как замена сложных схемных систем, которые в настоящее время используются для оптической адресации и управления автономными беспроводными датчиками.[10]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Нужна ссылка
  2. ^ Поллак, Майкл Дж .; 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:2000АпФЛ..77.1725П. Дои:10.1063/1.1308534. ISSN  0003-6951.
  3. ^ Чиу, 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. Дои:10.1016 / s0924-4247 (03) 00024-4. ISSN  0924-4247.
  4. ^ Пак, Сун-Ён; Teitell, Michael A .; Чиу, Эрик П. Ю. (2010). «Одностороннее непрерывное оптоэлектросмачивание (SCOEW) для манипулирования каплями с помощью световых узоров». Лаборатория на чипе. Королевское химическое общество (RSC). 10 (13): 1655–61. Дои:10.1039 / c001324b. ISSN  1473-0197. PMID  20448870.
  5. ^ Чжуан, Хань-Шэн; Кумар, Алоке; Уэрли, Стивен Т. (11 августа 2008 г.). «Открытое оптоэлектронное срабатывание капли». Письма по прикладной физике. Издательство AIP. 93 (6): 064104. Bibcode:2008АпФЛ..93ф4104С. Дои: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:2011НатСР ... 1Е.184А. Дои:10.1038 / srep00184. ISSN  2045-2322. ЧВК  3240946. PMID  22355699.
  7. ^ Шринивасан, Виджай; Pamula, Vamsee K .; Ярмарка, Ричард Б. (2004). «Интегрированная цифровая микрофлюидная лаборатория на чипе для клинической диагностики физиологических жидкостей человека». Лаборатория на чипе. Королевское химическое общество (RSC). 4 (4): 310–5. Дои: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:2012АпФЛ.100в4103Г. Дои: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». Компьютерная сеть. Elsevier BV. 52 (12): 2292–2330. Дои:10.1016 / j.comnet.2008.04.002. ISSN  1389-1286.

внешняя ссылка