Alternatif Akim Kutupsaldevinim İle Polistren Parçaciklarin Yönlendirilmesi

Abstract

Alternatif Akım Kutupsaldevinim (AAKD) eş dağılımsız elektrik alan altında yalıtkan parçacıkların hareketidir. Uygun koşullar altında biyoparçacıklar mikrosistemler içinde kutupsaldevinim ile yönlendirilebilirler. Ancak, kutupsal devinim mikrosistemler için tek etken kuvvet değildir. AA Elektrodevinim (AAED), AA Elektroosmoz (AAEO), AA Elektrotermal Etkiler (AAET) ve Brownian hareketi mikrosistemlerde belirli koşullar altında etken olan diğer kuvvetlerdir. AAEO ve AAET, alternative akım elektrokinetiğinde baskın hidrodinamik kuvvetlerdir. AAEO, düşük iletkenliğe sahip sıvı içinde elektrik alan ile elektriksel çift katmanın etkileşimi sonucu ortaya çıkmaktadır. AAET ise Joule ısınımı ile oluşan sıcaklık gradyanları sonucu ortaya çıkmaktadır ve sıvının iletkenliği ile doğru oranda artış göstermektedir. Bu çalışmada, her bir taşınma mekanizmasını incelemek için yongasal deneylikler üretilmiştir. Bu yongasal deneylikler, cam altlık üzerinde 200 nm kalınlıkta Ti elektrot ve numune tutucu görevi gören PDMS hazneye (3 mm x 3 mm) sahiptir. Standart fotolitografi ve fiziksel buhar biriktirme yöntemleri ile yongasal deneyliklerin üretimi gerçekleştirilmiştir. Işınır polistren mikroparçacıklar saf su içinde karıştırılarak deney numuneleri hazırlanmıştır. Farklı iletkenlikte karışımlar için NaCl eklenerek saf su iletkenliği arttırılmıştır. 1kHz - 5 MHz arasında değişmek üzere taşınım mekanizmalarının elektrik alan sıklığına ve parçacıkları içeren ortamın iletkenliğine bağlı olarak değişimi incelenmiştir. Deney sonuçları, bu alanda yapılan diğer çalışmaları doğrulayarak, düşük elektrik alan sıklığı altında parçacıkların ortama gore daha kutuplanabilir olduğunu ve artıl KD etkisi altında yönlendiğini göstermektedir. Yüksek elektrik alan sıklığında ise parçacıklar ortama gore daha az kutuplanmaktadır ve eksil KD etkisi altında yönlenmektedirler. Uygun elektrik alan sıklığı, ortam iletkenliği ve uygulanan elektriksel yük altında KD kuvveti diğer hidrodinamik kuvvetlerden baskın olmaktadır. AAEO düşük elektrik alan sıklığı altında ve düşük iletkenlikteki ortamda baskın olurken, AAET yüksek elektrik alan sıklığında ve yüksek iletkenlikteki ortamda baskın olmaktadır. Bu iki baskın kuvvet koşulları arasında, aKD ve eKD kuvvetlerinin baskın olduğu koşullar deneysel çalışmalar ile belirlenmiştir. Bu çalışmada alınan sonuçlar, güncel kutupsaldevinim çalışmaları ile alınan sonuçları da doğrulamaktadır. Doğru koşullar sağlandığında KD ile parçacıkların yönlendirilmesi sağlanabilmektedir.

AC Dielectrophoresis is the movement of dielectric particles in nonuniform electric fields. Bio-particles can be manipulated using DEP in micro-systems provided that suitable conditions are imposed. However, DEP is not the single mechanism in micro-systems, other effects dominate at different operation conditions, such as, AC Electrophoresis (ACEP), AC Electroosmosis (ACEO), AC Electrothermal Effects (ACET) and Brownian motion. ACEO and ACET are predominant hydrodynamic forces in AC Electrokinetics (ACEK). ACEO occurs when the electric field interacts with the electrical double layer on electrode surfaces in low conductive mediums whereas ACET is caused by temperature gradients induced by Joule heating which increases linearly with the conductivity of the medium. In this study, a lab-on-a-chip (LOC) device, which has a 200 nm Ti interdigitated electrode layer on a glass substrate and a PDMS chamber (3 mm x 3 mm), is fabricated to investigate the effective regions of each transport mechanism. The standart photolithograpy techniques and lift off processes are used for fabrication. Fluorescent polystyrene microparticles are added to DI water and suspension conductivity is adjusted by adding NaCl. Inverted signals between 1kHz - 5 MHz are applied for the observation of the transport mechanism behaviour under the ranging frequencies and conductivies. Pictures are taken at the steady state. The experimental results demonstrates that at low frequencies particles are more polarizable than the medium and undergoes positive DEP (pDEP) whereas at high frequencies particles are less polarizable than the medium and experience negative DEP (nDEP) as found in literature. At a given combinations of frequency, medium conductivity and applied voltage, the DEP force can dominate over hydrodynamic forces. It has been seen that ACEO is dominant at low frequencies and low conductivities but ACET is more effective at high frequencies and high conductivities. In between the regions are defined where the pDEP or nDEP is effective. Our results correlate with the previous works. Manipulation of microparticles by DEP is achievable provided that suitable operation conditions are chosen.