Forskere vender, hvordan elektriske signaler flytter væskedråber

Når medicinske laboratorier analyserer blodprøver for tegn på sygdom, de bruger nogle gange instrumenter, der er afhængige af en teknologi kaldet digital mikrofluidik. Teknikken bruger elektriske signaler til at trække små dråber af prøven hen over en overflade, så de kan analyseres.

En ulempe ved processen er, at de elektriske signaler har en tendens til at beskadige overfladen, som dråberne bevæger sig over, hvilket kan få enheden til at fejle uventet eller forringes over tid.

Nu, et forskerhold ledet af UCLA-ingeniører og videnskabsmænd har vist, at digitale mikrofluidiske enheder kan gøres meget mere holdbare, hvis de bruger de elektriske signaler til at skubbe, i stedet for at trække, dråberne over overfladen.

Et papir om arbejdet blev offentliggjort i Natur . Fremskridtet kan føre til mere kraftfulde og pålidelige analyseværktøjer til biokemiske laboratorier og miljøovervågning. Det kunne også forbedre holdbarheden af ​​de væskebaserede linser, der bruges i enheder som stregkodelæsere og tandkameraer. Disse linser kan hurtigt justere deres fokus, fordi de indeholder en klar dråbe, der hurtigt justerer sin form som reaktion på elektriske signaler.

Digital mikrofluidisk teknologi er blevet undersøgt i næsten to årtier; det dukkede første gang op i kommercielle linser for omkring 10 år siden og i diagnostiske instrumenter for nylig. Til dato, enhederne har brugt vandafvisende, eller hydrofob, overflader, som får vand til at perle op - svarende til hvordan det opfører sig på en nonstick-gryde.

På hydrofobe overflader, påføring af elektrisk spænding til den ene ende af en perleformet dråbe får den ende til at blive tiltrukket af overfladen og flade ud - et fænomen kaldet elektrobefugtning. Det sker, fordi vand kan lede elektricitet, og en dråbe er lille nok til at dens overfladespænding holder den sammen som en enhed. At, kombineret med det faktum, at den anden ende af dråben stadig frastødes af overfladen, får hele dråben til at bevæge sig mod den flade ende, i realiteten "trækker" væsken hen imod, hvor der påføres elektrisk spænding.

Imidlertid, de fleste materialer er hydrofile - når vanddråber placeres på dem, de flader naturligt ud - så digitale mikrofluidiske enheder bruger overflader, der er belagt med et tyndt hydrofobt lag. Men disse belægninger er tilbøjelige til at fejle, fordi spænding kan få dem til at nedbrydes eller revne.

For at løse det problem, forskere ledet af Chang-Jin "CJ" Kim, Volgenau professor i ingeniørvidenskab ved UCLA Samueli School of Engineering, satte sig for at få dråber til at bevæge sig på en overflade uden en hydrofob belægning.

"Hvis man kunne skubbe en væskedråbe fra dens bagside, i stedet for at trække den forfra, overfladen behøver ikke at være hydrofob, " han sagde.

Problemet, Kim sagde, var, at et elektrisk signal kun kan bruges til at trække en dråbe hen mod det sted, hvor spændingen påføres - det kan ikke bruges til at skubbe en dråbe væk.

Forskernes løsning var at tilsætte en lille smule elektrisk ladet overfladeaktivt stof til væsken. (Et overfladeaktivt stof er et stof, hvis molekyler afviser vand i den ene ende og tiltrækker det i den anden - sæbe er et eksempel.) Ved at bruge ladningen, ingeniørerne kunne bruge elektriske signaler til at flytte det overfladeaktive stof inde i dråben.

"Ved kun at bruge elektriske signaler, vi kan tiltrække de overfladeaktive molekyler inde i dråben til en hydrofil overflade for at omdanne enhver del af den til at være hydrofob, " sagde Kim, der også er medlem af California NanoSystems Institute ved UCLA.

De kaldte processen elektrobefugtning - et navn, de valgte for at understrege, at det er det modsatte af standard elektrobefugtningsteknik.

Påføring af spænding til den ene ende af dråben på en hydrofil overflade fik de ladede overfladeaktive molekyler til at trænge sig der, som igen skubbede dråben op fra overfladen og derefter fremad, væk fra hvor elektriciteten tilføres. At, træde i kræft, gjorde dråben i stand til at perle i den ene ende, og flytte hen over overfladen uden behov for en speciel topcoat.

Ved at vende spændingsretningen, forskerne kunne også tiltrække de overfladeaktive molekyler væk fra overfladen, få dråben til at vende tilbage til sin oprindelige fladtrykt form. Elektrodebefugtningsmekanismen bruger mindre end 5 volt - så lidt som 2% af den spænding, der bruges i nuværende teknologier.

Forskerne demonstrerede, at processen kunne bruges til at adskille individuelle dråber fra en større dråbe vand, flyttede så rundt, splittet op og smeltet sammen igen - de fire grundlæggende operationer i digital mikrofluidik.

De testede tilgangen med vand samt adskillige opløsningsmidler og bufferopløsninger, der almindeligvis anvendes i kemi og biologi. De gentog også befugtningen og affugtningen af ​​en vanddråbe 10, 000 gange over seks timer. I hvert eksperiment, elektroaffugtningen var vellykket:Der var ingen fejl, og enhedens overflade viste ingen tegn på nedbrydning, selv når der blev brugt meget højere spændinger og strømme.