در این پست روش های دیگر برای حرکت قطره در میکروفلوئید دیجیتال مرور می شود.

 

موج صوتی سطحی(Surface Acoustic Wave-SAW)

 

 موضوع SAW در سال ۱۸۸۵ توسط رایلی مطرح شد. اولین نمایش استفاده از SAW برای میکروفلوئیدها به شیا و همکارانش نسبت داده می­شود. این امواج با سرعت صوت منتشر می­شوند. ترانسدیوسر که بر روی زیرلایه پیزوالکتریک قرار داده می­شود، توسط سیگنال AC تغذیه شده و سیگنال را به تغییر شکل در سطح زیرلایه تبدیل می­کند.

قطره-الکترووتینگ-SAW-فتوالکتروتینگ-میکروفلوید دیجیتال-میکروفلوئید دیجیتال-digital microdluidicانتشار موج سطحی روی سطح جامد. معمولاً طول‌موجی در محدوده میکرومتر و دامنه­ ای کمتر از نانومتر 

 هنگامی که موج به قطره مایع برسد زاویه برخورد موج طولی با قطره که در ‏شکل زیر نشان داده شده از رابطه ۱ بدست می­آید.

                                                        قطره-الکترووتینگ-SAW-فتوالکتروتینگ-میکروفلوید دیجیتال-میکروفلوئید دیجیتال-digital microdluidic

  سرعت موج در قطره Vliquidو  سرعت موج در ماده پیزوالکتریک VSub است. انرژی و اندازه حرکت موج طولی که به مایع تابیده شده می­تواند برای پمپ کردن و مخلوط کردن مایع به کار رود. با انتشار موج گرادیان فشار برآیند P ، در جهت انتشار موج صوتی شکل می­گیرد و نیروی موثری برای حرکت دادن مایع فراهم می­کند که با رابطه ۲ توصیف شده است.  

قطره-الکترووتینگ-SAW-فتوالکتروتینگ-میکروفلوید دیجیتال-میکروفلوئید دیجیتال-digital microdluidicقطره-الکترووتینگ-SAW-فتوالکتروتینگ-میکروفلوید دیجیتال-میکروفلوئید دیجیتال-digital microdluidic

 سمت چپ تقابل بین موج و مایع و شکل سمت راست ایجاد جریان در داخل قطره به دلیل موج وارد شده.

 

 در این رابطه  ρ۰ چگالی مایع و  Δρ تغییر اندک چگالی ناشی از فشار صوتی است. فشار صوتی تولید شده یک جریان قابل توجهی در مایع ایجاد می­کند و می­تواند مخلوط کردن، پمپ­ کردن، خارج کردن و کوچک کردن ذرات را انجام دهد. مزایایی هم­چون ساختار ساده، نداشتن بخش متحرک، کنترل الکترونیکی، سرعت بالا، قابلیت برنامه ­ریزی، کنترل از راه دور را اشاره نمود. امروزه از کوارتز، لیتیوم تانتالت، لیتیوم نیوبات، اکسید آلومینیوم و اکسید روی موادی به عنوان زیرلایه پیزوالکتریک استفاده می­شود.

فرکانس موجی که به بدنه فرستاده می­شود با رابطه ۳ مشخص می­شود که  VSAWسرعت موج در زیرلایه و  λ=۴d است.

                                  قطره-الکترووتینگ-SAW-فتوالکتروتینگ-میکروفلوید دیجیتال-میکروفلوئید دیجیتال-digital microdluidic

 فرکانس SAW به وسیله پهنای شاخه­ ها d تعیین می­شود و پهنای موج منتشر شده نیز با طول شانه­ ها W و دامنه SAW با تعداد شانه­ ها N کنترل می­شود. 

قطره-الکترووتینگ-SAW-فتوالکتروتینگ-میکروفلوید دیجیتال-میکروفلوئید دیجیتال-digital microdluidicالکترودهای ترانسدیوسر و تأثیر آن در مشخصه موج SAW

 در دامنه­ های کوچک تنها، جریانی در مایع به وجود می­آید لذا گزینه مطلوب برای مخلوط کردن دو قطره به حساب می ­آید. این اثر را در ‏شکل زیر می­توان مشاهده نمود.

قطره-الکترووتینگ-SAW-فتوالکتروتینگ-میکروفلوید دیجیتال-میکروفلوئید دیجیتال-digital microdluidic

جریان به وجود آمده در قطره که در سمت راست عملیات مخلوط کردن تقریباً به اتمام رسیده است .

 

برای دامنه ­های موج بزرگ­تر این فشار می­تواند سمتی که موج خارج می­شود را تحت تأثیر قرار دهد و باعث حرکت قطره شود، ‏

قطره-الکترووتینگ-SAW-فتوالکتروتینگ-میکروفلوید دیجیتال-میکروفلوئید دیجیتال-digital microdluidic

جایجایی قطره در دامنه­ های بزرگ­تر SAW

 

با استفاده از ترکیب دو روش EWOD و SAW می­توان دو قطره را با الکترووتینگ به یک مکان برد و سپس به کمک SAW عملیات مخلوط شدن انجام شود. ‏شکل زیر ساختار این تراشه را نشان می­دهد.

قطره-الکترووتینگ-SAW-فتوالکتروتینگ-میکروفلوید دیجیتال-میکروفلوئید دیجیتال-digital microdluidic

ترکیب دو روش SAW و EWOD به منظور دستکاری در قطره­ ها.

قطره-الکترووتینگ-SAW-فتوالکتروتینگ-میکروفلوید دیجیتال-میکروفلوئید دیجیتال-digital microdluidicنحوه مخلوط شدن دو قطره که توسط EWOD در یک محل قرار گرفته ­اند در شکل، به مرور زمان از سمت راست به چپ نمایش داده شده است.

فتوالکترووتینگ

 

در فتوالکترووتینگ بر خلاف الکترووتینگ از ساختار مایع/عایق/نیمه­ هادی به جای ساختار مایع/عایق/هادی استفاده شده است. این قطعه و عملکرد آن به ترانزیستورهای فت نزدیک است. در این ساختار پلاریته ولتاژ در زاویه تماس قطره کاملاً تأثیر داشته و به عبارتی الکترووتینگ غیرمتقارن خواهد بود.

در ‏شکل زیر فرض شده زیرلایه از نوع P استفاده شده باشد. در این ساختار در ابتدا ناحیه تخلیه زیر عایق وجود دارد. تابش نور باعث ایجاد حفره-الکترون در نیمه ­هادی و کاهش ناحیه تخلیه زیر نیمه­ هادی می­شود و این نیز منجر به تغییر خازن نیمه‌هادی/عایق می­شود. با کاهش ناحیه تخلیه، خازن آن بزرگ و خازن کلی ساختار نیز افزایش­ یافته و در نتیجه زاویه تماس قطره بر اساس معادله یانگ-لیپمن کاهش می­یابد و سطح از آب­گریز به آب­دوست تبدیل می­شود. در مورد زیرلایه نوع n ولتاژ منفی برای حالت سوییچینگ استفاده می­شود. لازم به ذکر است در حالت­های دیگر انباشتگی بار به وجود می­آید.

قطره-الکترووتینگ-SAW-فتوالکتروتینگ-میکروفلوید دیجیتال-میکروفلوئید دیجیتال-digital microdluidic

توصیف روش فوتوالکترووتینگ a) زاویه تماس قطره در حالت اعمال ولتاژ منفی، صفر و مثبت b) مدار معادل ساختار c) سوییچ بین حال آب­دوست و آب‌گریز با اعمال نور و کاهش ناحیه تخلیه.

روش جابجایی با انگشت دست

 

در این روش به­ جای منبع تغذیه خارجی در روش الکترووتینگ از المان­های پیزوالکتریک برای تبدیل انرژی مکانیکی تولید شده توسط انگشت به پالس­های الکتریکی برای راه­ اندازی قطره استفاده شده است. ولتاژ تولیدی توسط هر المان پیزوالکتریک در حدود ۴۰ ولت می­­باشد

قطره-الکترووتینگ-SAW-فتوالکتروتینگ-میکروفلوید دیجیتال-میکروفلوئید دیجیتال-digital microdluidic

ساختار شماتیک میکروفلوئید دیجیتال با قابلیت راه‌اندازی قطره با حرکت انگشتان دست.

چالش­های میکروفلوئید دیجیتال

 

چالش­های تراشه میکروفلوئید دیجیتال در  ‏شکل توصیف شده است و به شرح زیر می­باشد. بر طرف شدن این موارد به تولید تراشه با عملکرد و بازدهی بالا کمک می­کند.

  • تکرارپذیری در تولید قطره از مخزن­ها و عملکرد بالای آن به همراه سرعت تولید قطره در ثانیه
  • کاهش ولتاژ در انتقال قطره و افزایش سرعت آن
  • تکرارپذیری در عملیات دو نیم­ کردن و یکی­ کردن قطره و کنترل اندازه قطره در حین این فرآیندها
  • سرعت بالا در مخلوط کردن قطره­ ها
  • جلوگیری از تبخیر قطره و کنترل جذب مواد

قطره-الکترووتینگ-SAW-فتوالکتروتینگ-میکروفلوید دیجیتال-میکروفلوئید دیجیتال-digital microdluidic

جمع بندی

 

در این چند پست تکنیک­ های راه ­اندازی قطره در میکروفلوئیدهای دیجیتال مورد بررسی قرار گرفت. انتخاب روش به کاربرد سیستم بستگی دارد زیرا هر تکنیکی معایب خود را دارد. همان­طور که ذکر شد روش الکترووتینگ عموما برای مایع هادی و دی­ الکتروفورز برای مایع دی­ الکتریک استفاده می­شود. روش اپتوالکترووتینگ با وجود کاهش مشکل آدرس ­دهی الکترووتینگ، پرتابل بودن سیستم را از بین می­برد. روش ترموموئینگی نیز تجهیزات و ساخت پیچیده ­تری دارد. روش SAW برای مخلوط کردن قطره ­ها مناسب می­باشد. گاهی می­توان با ترکیب چند روش سیستم کامل­تر و عملیات­ های بیشتری را انجام داد. لازم به ذکر است که روش الکترووتینگ محدوده بیشتری از عملیات­ ها روی قطره می­تواند انجام دهد.

از لحاظ شرایط ساخت و ویژگی­ها تمامی روش­ها تقریباً در شرایط مساوی قرار دارند. اما اگر شاخص هزینه را در نظر بگیریم اپتوالکترووتینگ و SAW نیاز به سرمایه‌گذاری بیشتر برای تأمین سخت‌افزار دارند. ترموموئینگی محدوده میانه­ای در این شاخص بسته به منبع گرادیان دمایی دارد. دی ­الکتروفورز و الکترووتینگ کم­ترین میزان هزینه را در بر خواهند داشت. با توجه به این که بیشتر مواد بیولوژیکی به صورت محلول­های آب­دار و هادی می­باشند روش الکترووتینگ به عنوان روش پایه انتخاب می­شود و روش­های دیگر می­تواند به سیستم اضافه شود تا توانایی سیستم را افزایش دهد.


نویسنده  سری آموزشی میکروفلوئید: طباطبایی