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.
انتشار 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.
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.
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.
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.
الکترودهای 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.
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،
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.
ترکیب دو روش SAW و EWOD به منظور دستکاری در قطره ها.
نحوه 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.
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
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
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
آخرین نظرات خوانندگان