در میکروفلوئیدها و به ویژه میکروفلوئیدهای دیجیتال نیروهای بین وجهی یا کشش سطحی دارای اهمیت بسیاری می­باشند. اگر بخواهیم به صورت خیلی ساده روش کار را توضیح دهیم میتوانیم بگوییم برای حرکت دادن قطره کافی است که یک گرادیان نیرو کشش سطحی در دو طرف قطره ایجاد کرد. به دنیال ایجاد گرادیان کشش سطحی، قطره می تواند حرکت کند.

روش­ های راه­ اندازی قطره

 کشش سطحی نقش اصلی در میکروفلوئید­های دیجیتال را بر عهده دارد. راهی که برای حرکت دادن قطره مطرح می­شود مدوله کردن کشش بین وجهی است. از نظر تئوری هر سه کشش بین وجهی می­تواند مدوله شود اما در عمل تنها کشش بین وجهی بین مایع و محیط پیرامونش و کشش بین وجهی مایع و جامد مدوله می­شوند.

در ادامه روش­های مختلف حرکت دادن قطره معرفی و تشریح می­گردد و در نهایت مقایسه بین آن‌ها صورت می­گیرد. با توجه به سادگی اجرا و مزیت­های بیشتر روش الکترووتینگ این روش به طور مفصل تشریح می­گردد.

الکترووتینگ

یکی از روش­های جالب و با قابلیت تنظیم مجدد بیشتر، الکترووتینگ روی دی‌الکتریک (EWOD) می­باشد. با توجه به پیچیده و سخت بودن آنالیزهای تشخیص­ زیستی که نیاز به عملیات­هایی چون توزیع کردن، جداکردن، ترکیب کردن و… روش الکترووتینگ روی عایق مناسب تشخیص داده شده است.

در اواخر قرن ۱۹ لیپمن پدیده برق-مویینگی را مطرح می­کند. او هنگامی که با اعمال ولتاژ به دوطرف آب موجود در لوله که یک طرف آن از طریق فلز مایع جیوه به آب منتقل شده، تغییر ارتفاع ستون آب را مشاهده کرد.

در این آزمایش یک مویرگ که یک طرف آن جیوه، طرف دیگر آن با آب پر شده و هردو مایع با مخزن­های خود در ارتباط هستند و پایین مخزن آب نیز یک لایه جیوه به منظور اعمال ولتاژ به دو طرف آب استفاده شده است.

آزمایش لیپمن برق مویینگی -الکترووتینگآرایش آزمایش لیپمن

این آرایش به خاطر الکترولیزمورد توجه قرار نگرفت. تا این که برگ به منظور جلوگیری از الکترولیز یک لایه عایق بین آب و رسانا قرار می­دهد. در این آرایش همان­طور که در ‏شکل نشان داده شده یک قطره بر روی سطح عایق آب‌گریز که الکترود را پوشانده است قرار می­گیرد. این تکنیک الکترووتینگ روی عایق نام‌گذاری شد. هنگامی که برگ ولتاژی اعمال می­کند زاویه تماس قطره کاهش می­ یابد یعنی خیس­پذیری آن افزایش پیدا می­کند.

الکتروتینگ آزمایش برگ- الکترووتینگ میکروفلوید دیجیتال

آرایش آزمایش برگ

بنابراین الکترووتینگ پدیده­ای است که زاویه تماس در مایع هادی که روی الکترودهایی با پوشش دی‌الکتریک قرارگرفته تحت تأثیر میدان الکتریکی خارجی که بین جامد و مایع اعمال شده کاهش می­یابد.

رابطه ‏زیر تغییر کشش سطحی با تغییر ولتاژ را نشان می­دهد.

الکترووتینگ روی عایق-میکروفلویدالکترووتینگ روی عایق- میکروفلوید-مبکروفلویید-میکروفلوئیدیک-میکروفلوییدیکالکترووتینگ روی عایق- میکروفلوید-مبکروفلویید-میکروفلوئیدیک-میکروفلوییدیک                

تحلیل فرکانسی الکترووتینگ

از نظر تئوری، الکترووتینگ هم با میدان الکتریکی DC و هم با میدان الکتریکی AC امکان‌پذیر است. برای روشن‌تر شدن مطلب ۳ ناحیه از نظر فرکانسی تعریف می­شود.

  • فرکانس پایین (کمتر از Hz10) : که زاویه تماس و شکل قطره به تغییرات ولتاژ به سرعت پاسخ می­دهند.
  • فرکانس­های رزونانس: این فرکانس که برای قطره میلی­لیتری حدود ۱۰۰Hz می­باشد باعث نوسان قوی در شکل قطره می­شود. نمونه ­ای از این رزونانس و ایجاد اشکال مختلف در قطره در ‏شکل زیر نشان داده شده است.

الکترووتینگ روی عایق- میکروفلوید-مبکروفلویید-میکروفلوئیدیک-میکروفلوییدیک-نوسان قطره

نوسان قطره در فرکانس­ رزونانس (شکل قطره در مدهای رزونانسی از ۱ تا ۸)

هم­چنین در قطره کوچک­تر از ۱ میلی ­لیتر فرکانس رزونانس می­تواند به سرعت محتویات قطره را مخلوط کند.

ورتکس در قطره-الکترووتینگ روی عایق- میکروفلوید-مبکروفلویید-میکروفلوئیدیک-میکروفلوییدیک

نوسان یک قطره و ایجاد جریان گردابی و مخلوط کردن ذرات موجود در قطره

  • فرکانس بالا (بالای Hz1000): قطره امکان دنبال کردن سیگنال AC را ندارد اما هنوز می­تواند به متوسط مربعات ولتاژ، پاسخ دهد یعنی در معادله یانگ-لیپمن به جای V از Vrmsباید استفاده شود.

اشباع زاویه تماس

بر طبق معادلات، خیسش کامل در cosθ=۱ رخ می­دهد. اما در نتایج آزمایش‌ها هرگز این مورد دیده نشده است. در ولتاژهای پایین رابطه ولتاژ و زاویه تماس مشاهده شده با رابطه سهمی شکل مطابقت دارد اما با افزایش ولتاژ، به نقطه­ای می­رسد که زاویه تماس از ولتاژ اعمالی پیروی نمی‌کند. مکانیسم فیزیکی اشباع زاویه تماس هنوز به عنوان یک موضوع قابل بحث می­باشد. بیان­های مختلفی ارائه شده است مثلا ورهیجن و پرینس تله اندازی بارهای الکتریکی در لایه دی‌الکتریک را علت اشباع می­دانستند. گویلت و برگ اشباع زاویه تماس دیده شده در الکترووتینگ AC را به یونیزه شدن گاز در مجاورت لبه­ های قطره و در الکترووتینگ DC به دام­ اندازی بار در عایق نسبت می­دهند. پاپاتناسیو و همکارانش شکست دی ­الکتریک که باعث انشعاب میدان در نزدیک خط تماس سه فاز می ­شود را عنوان کردند.

والت و همکارانش یک اثر جالب به نام ناپایداری خط تماس یافتند. آن‌ها در ولتاژهای بالا، گسیل مقداری قطره­ های وابسته از لبه قطره اصلی قبل از رسیدن به خیس ­پذیری کامل مشاهده ­کردند. این اثر بعداً توسط ماگل برای مخلوط آب و گلوکز مشاهده شد.

اشباع زاویه تماس الکترووتینگ روی عایق- میکروفلوید-مبکروفلویید-میکروفلوئیدیک-میکروفلوییدیکگسیل قطرات بسیار کوچک از قطره اصلی

یک توجیه دیگر تحلیل ترمودینامیکی برای اشباع زاویه تماس است. هنگامی که ولتاژ زیاد می­شود کشش بین وجهی جامد مایع کم می­شود و نهایتاً به صفر می­رسد که در این صورت طبق معادله یانگ  و با توجه به عدم برابری  و  خیس­پذیری کامل انجام نمی­شود و زاویه اشباع بدست آمده از این رابطه زاویه اشباع سرعت است.

نگاه دیگر به قضیه، بررسی این موضوع از دیدگاه مقاومت الکتریکی است. یعنی اگر مایع به طور کامل هادی نباشد (حتی مقدار کمی مقاومت داشته باشد) با افزایش ولتاژ مقاومت آن افزایش پیدا می­کند (با افزایش ولتاژ و افزایش خیسش طول قطره افزایش پیدا می­کند) و این خود باعث کاهش ولتاژ رسیده به خازن دی­الکتریک و درنتیجه مانع از افزایش زاویه تماس از زاویه اشباع می­شود. به نظر نگارنده­ طبق همین مطلب کاهش فاصله دو صفحه بالا و پایین میکروفلوئید دیجیتال نیز بر زاویه اشباع تأثیر دارد. به هر حال هنوز دلیل قطعی برای اشباع زاویه سرعت وجود ندارد.

هیسترزیسزاویه قطره:

انحراف زاویه تماس از مقدار تئوری (زاویه یانگ) را هیسترزیس زاویه قطره گویند. البته هیسترزیس در هنگام حرکت دینامیکی قطره، جلوروندگی و عقب­گرد زاویه تماس تعریف می­شود. به عبارتی با افزایش ولتاژ زاویه تماس کاهش و جلوروندگی در زاویه تماس حاصل می­شود اما هنگامی که ولتاژ کم شود زاویه تماس افزایش و باعث عقب­گرد زاویه تماس و بازگشت به سمت مقدار اولیه خود می­شود اختلافی که با مقدار اولیه ایجاد شده هیسترزیس گویند . به عبارتی هیسترزیس اختلاف زاویه تماس قطره قبل از اعمال ولتاژ با بعد از قطع ولتاژ می­باشد. برای کاربردهایی که بر پایه الکترووتینگ است این هیسترزیس مانع جابجایی دقیق و تکرارپذیر در قطره­ها می­شود. بنابراین یک پارامتر کلیدی در بسیاری از مطالعات مشخص کردن میزان هیسترزیس و کاهش آن است.

لی و ماگل با به کاربردن ولتاژ AC، زاویه هیسترزیس از ۱۳ درجه به ۲ درجه کاهش دادند. ورهیجن و پریس هیسترزیس کم (۲ درجه) در سیستمی مشابه شامل یک محلول نمک آب­دار که توسط هوا احاطه شده و روی تفلون ۱۶۰۰ قرار گرفته گزارش کرده­ اند. برای سیستم جامد مایع پانرو و همکارانش هیسترزیس کم­تر از ۲ درجه برای DC و AC گزارش کردند. هم‌چنین این آزمایش‌ها مشخص می­کند ولتاژ آستانه برای راه ­اندازی قطره با کاهش هیسترزیس زاویه تماس کاهش می­یابد.

عملیات­های اولیه به وسیله الکترووتینگ

انتقال قطره:

معادله لیپمن یک بیان استاتیکی از کشش بین وجهی جامد-مایع قطره ­های ایستاده روی الکترود عایق شده، نشان می­دهد و در واقع نشان‌دهنده تغییرات این کشش با اعمال ولتاژ بین قطره و الکترود می­باشد. الکترووتینگ روی عایق برای جابجا کردن قطره نیز استفاده می­شود. در ‏شکل زیر شماتیکی از چند الکترود ایزوله شده از هم نشان داده شده است. قطره در بالای یک الکترود قرار گرفته اما در عمل با دو الکترود همسایه نیز مجاورت دارد. با اعمال ولتاژ کشش بین وجهی جامد- مایع سمت راست کاهش یافته و کشش بین وجهی در مناطق غیرفعال بدون تغییر باقی می­ماند و به این طریق گرادیان کشش سطحی برای جابجا کردن قطره به سمت الکترود فعال ایجاد می­شود. چگونگی انجام این عمل، فیزیک دقیق تری و بحث مفصل تری دارد که ما در این مرحله از سری آموزشی از آن صرف نظر می کنیم و در سطح های بالاتری از این سری آموزشی به آن اشاره خواهیم کرد.

انتقال قطره- الکترووتینگ روی عایق- میکروفلوید-مبکروفلویید-میکروفلوئیدیک-میکروفلوییدیک          

 بزرگ­تر شدن اندازه خازن دی­ الکتریک و افزایش همپوشانی بین قطره و الکترود فعال، افزایش نیروی اعمالی بر قطره را به دنبال دارد. البته اگر اندازه قطره کمی کوچک­تر از الکترود باشد باز نیز می­تواند با الکترود مجاور هم­پوشانی داشته و با اعمال ولتاژ خیسش پیدا کند.

دوباره تاکید می­شود که به منظور یک راه ­اندازی قابل اطمینان قطره باید به اندازه کافی بزرگ باشد تا با بخشی از الکترودهای مجاورش همزمان هم­پوشانی داشته باشد. بنابراین برای حرکت دادن قطره در طول یک مسیر کافی است الکترودها یکی پس از دیگری در جهت حرکت قطره فعال شوند.

دونیم کردن قطره:

برای دو نیم کردن باید دو الکترود مجاور قطره فعال شود و الکترودی که قطره روی آن قرار گرفته خاموش شود. برای جداکردن قطره مایع لازم است قطره به طور قابل توجهی در طول کشیده شود. اگر نیروی الکترووتینگ به دو طرف قطره اعمال شود قطره به دو طرف کشیده می­شود و از میانه قطره شروع به جدا شدن می­کند (حجم قطره ثابت است). توضیج دقیق این پدیده نیز به بحث مفصل تری نیاز دارد که در اینجا از آنصرف نظر می شود.

دو نیم کردن قطره-الکترووتینگ روی عایق- میکروفلوید-مبکروفلویید-میکروفلوئیدیک-میکروفلوییدیک

تشکیل قطره:

 یکی از عملیات­های مهم در میکروفلوئید­های دیجیتال است که امکان تولید قطره از حجم مایع بزرگ‌تر را به ما می­دهد. حجم­های کوچکی از مایع که باید از مخزن استخراج شود به وسیله فعال کردن یک مجموعه از الکترودهای مجاور نزدیک مخزن شکل می­گیرد. همان­طور که در ‏شکل نشان داده شده برای تولید قطره کوچک­تر ابتدا الکترود مجاور مخزن روشن شده و زبانه مایع را به سمت خود می­کشد. در مرحله بعد الکترود مجاور دومی نیز فعال شده و سپس الکترود مجاور سوم نیز فعال می­گردد. حال همزمان الکترود مجاور اول خاموش و الکترود مخزن روشن می­شود به این ترتیب قطره مجبور به جدا شدن از مخزن می­شود. برای تکمیل این فرآیند باید الکترود مجاور دوم نیز خاموش شود به این صورت قطره کوچک از مخزن تولید می­شود .

تولید قطره از مخزن-الکترووتینگ روی عایق- میکروفلوید-مبکروفلویید-میکروفلوئیدیک-میکروفلوییدیک

یکی کردن قطره ­ها :

این عملیات با استفاده از سه الکترود انجام می­شود. دو قطره هر کدام به طور جداگانه در دو الکترود قرار گرفته­ اند و الکترود سوم الکترود بین آن‌ها است. با فعال کردن الکترود مرکزی و غیرفعال کردن الکترودهای مجاور آن، قطره­ ها به سمت یکدیگر کشیده می­شود. با دو نیم کردن و یکی کردن قطره ­ها به صورت متوالی می­توان مخلوط کردن و رقیق‌سازی را انجام داد.

در انتهای این نوشته می توانید برای مطالعه  دقیق تر روش الکترووتینگ به ویدیوی آموزش الکترووتینگ که توسط  Prof.S.Dasgupta تهیه گردیده دنبال کنید

لینک دانلود بخش اول در آپارات

 

لینک بخش دوم در آپارات

 


 

استفاده از مطالب این سری آموزشی با ذکر نام مرجع بلامانع است.

 

نویسنده  سری آموزشی میکروفلوئید: طباطبایی