Zwilżanie optoelektroniczne
Optoelektryzwilżanie (OEW) to metoda manipulacji kropelkami cieczy stosowana w zastosowaniach mikroprzepływowych . Technika ta opiera się na zasadzie elektrozwilżania , która okazała się przydatna w uruchamianiu cieczą ze względu na szybkie czasy reakcji przełączania i niskie zużycie energii. Jednak tam, gdzie tradycyjne elektrozwilżanie napotyka na trudności, takie jak jednoczesne manipulowanie wieloma kroplami, OEW przedstawia lukratywną alternatywę, która jest zarówno prostsza, jak i tańsza w produkcji. Powierzchnie OEW są łatwe do wytworzenia, ponieważ nie wymagają litografii i mają rekonfigurowalną kontrolę manipulacji w czasie rzeczywistym na dużą skalę, ze względu na reakcję na intensywność światła.
Teoria
Tradycyjny mechanizm elektrozwilżania cieszy się coraz większym zainteresowaniem ze względu na jego zdolność do kontrolowania sił rozciągających działających na kroplę cieczy. Ponieważ napięcie powierzchniowe działa jako dominująca siła uruchamiająca ciecz w zastosowaniach w skali nano, elektrozwilżanie zostało wykorzystane do zmodyfikowania tego napięcia na granicy faz ciało stałe-ciecz poprzez przyłożenie zewnętrznego napięcia. Przyłożone pole elektryczne powoduje zmianę kąta zwilżania kropelki cieczy, co z kolei zmienia napięcia powierzchniowe w poprzek kropelki. Precyzyjna manipulacja polem elektrycznym umożliwia kontrolę kropelek. Kropelka jest umieszczana na izolującym podłożu umieszczonym pomiędzy elektrodami.
Mechanizm zwilżania optoelektronicznego dodaje fotoprzewodnik pod konwencjonalnym obwodem elektrozwilżania, z podłączonym źródłem prądu przemiennego. W normalnych (ciemnych) warunkach większość impedancji systemu znajduje się w obszarze fotoprzewodzącym, a zatem występuje tam większość spadków napięcia. Jednak gdy światło pada na układ, generowanie i rekombinacja nośników powoduje przewodzenie skoków fotoprzewodnika i powoduje spadek napięcia na warstwie izolacyjnej, zmieniając kąt zwilżania w zależności od napięcia. Kąt zwilżania cieczy i elektrody można opisać jako:
gdzie VA , d , ε i γ LV są przyłożonym napięciem, grubością warstwy izolacyjnej, stałą dielektryczną warstwy izolacyjnej oraz stałą napięcia międzyfazowego między cieczą a gazem. W sytuacjach AC, takich jak OEW, V A jest zastępowane przez RMS Napięcie. Częstotliwość źródła prądu przemiennego jest dostosowana tak, aby impedancja fotoprzewodnika dominowała w stanie ciemnym. Przesunięcie spadku napięcia na warstwie izolacyjnej zmniejsza zatem kąt zwilżania kropli w funkcji natężenia światła. Oświetlając wiązką optyczną jedną krawędź kropli cieczy, zmniejszony kąt zwilżania tworzy różnicę ciśnień w całej kropli i popycha środek masy kropli w kierunku oświetlanej strony. Sterowanie wiązką optyczną skutkuje kontrolą ruchu kropel.
Wykorzystując wiązki laserowe o mocy 4 mW, firma OEW udowodniła, że porusza kropelki wody dejonizowanej z prędkością 7 mm/s.
Tradycyjne elektrozwilżanie napotyka na problemy, ponieważ wymaga dwuwymiarowego układu elektrod do uruchamiania kropli. Duża liczba elektrod prowadzi do złożoności zarówno kontroli, jak i pakowania tych chipów, zwłaszcza w przypadku kropel o mniejszych rozmiarach. Chociaż problem ten można rozwiązać poprzez integrację dekoderów elektronicznych, koszt chipa znacznie by wzrósł.
Jednostronne ciągłe zwilżanie optoelektroniczne (SCOEW)
Manipulacja kroplami w urządzeniach opartych na elektrozwilżaniu jest zwykle wykonywana przy użyciu dwóch równoległych płytek, które otaczają kroplę i są uruchamiane przez cyfrowe elektrody. Minimalny rozmiar kropelek, którymi można manipulować, zależy od rozmiaru pikselowanych elektrod. Mechanizm ten zapewnia rozwiązanie problemu ograniczenia wielkości fizycznych elektrod pikselowanych poprzez wykorzystanie dynamicznych i rekonfigurowalnych wzorów optycznych oraz umożliwia operacje takie jak ciągły transport, rozdzielanie, łączenie i mieszanie kropelek. SCOEW jest przeprowadzany na otwartych, pozbawionych cech charakterystycznych i fotoprzewodzących powierzchniach. Ta konfiguracja tworzy elastyczny interfejs, który umożliwia prostą integrację z innymi komponentami mikroprzepływowymi, takimi jak zbiorniki na próbki za pomocą prostych rurek.
Jest również znany jako otwarte optoelektrowłapywanie (O-OEW).
Zwilżanie optoelektroniczne za pomocą fotopojemności
Zwilżanie optoelektroniczne można również osiągnąć za pomocą fotopojemności w złączu ciecz-izolator-półprzewodnik . Fotoczułe elektrozwilżanie uzyskuje się poprzez optyczną modulację nośników w obszarze ładunku przestrzennego na złączu izolator-półprzewodnik, który działa jak fotodioda - podobnie jak urządzenie ze sprzężeniem ładunkowym oparte na strukturze metal-tlenek-półprzewodnik .
Rodzaje aplikacji
Diagnostyka kliniczna
Elektrozwilżanie stanowi rozwiązanie jednego z najtrudniejszych zadań w systemach typu lab-on-a-chip ze względu na jego zdolność do obsługi i manipulowania kompletnymi związkami fizjologicznymi. Konwencjonalne układy mikroprzepływowe nie dają się łatwo przystosować do obsługi różnych związków, co wymaga rekonfiguracji, co często powoduje, że urządzenie jako całość jest niepraktyczne. Dzięki OEW chip z jednym źródłem zasilania może być łatwo używany z różnymi substancjami, z możliwością wykrywania multipleksowego.
Uruchamianie optyczne
Fotoaktywacja w systemach mikroelektromechanicznych (MEMS) została zademonstrowana w eksperymentach potwierdzających słuszność koncepcji. Zamiast typowego podłoża, na szczycie stosu płyn-izolator-fotoprzewodnik umieszcza się specjalny wspornik. Gdy światło pada na fotoprzewodnik, siła kapilarna kropli na wsporniku zmienia się wraz z kątem zwilżania i odchyla wiązkę. Ta bezprzewodowa aktywacja może być stosowana jako substytut złożonych systemów opartych na obwodach, obecnie używanych do adresowania optycznego i sterowania autonomicznymi czujnikami bezprzewodowymi