FlowFET

En flowFET är en mikrofluidisk komponent som gör att vätskeflödet i en mikrofluidisk kanal kan moduleras av den elektriska potential som appliceras på den . På detta sätt beter den sig som en mikrofluidisk analog till fälteffekttransistorn, förutom att i flowFET ersätter vätskeflödet flödet av elektrisk ström . Namnet på flowFET härleds faktiskt från namnkonventionen för elektroniska FET:er (t.ex. MOSFET , FINFET etc.).

Handlingsmekanism

Den simulerade flödeshastighetsprofilen över en mikrofluidisk kanal som en funktion av djupet in i kanalen från väggen (y-axeln) för flera olika pålagda spänningar.

En flowFET bygger på principen om elektroosmotiskt flöde (EOF). I många vätske-fasta gränssnitt finns det ett elektriskt dubbelskikt som utvecklas på grund av interaktioner mellan de två faserna . I fallet med en mikrofluidkanal resulterar detta i ett laddat lager av vätska på periferin av vätskekolonnen som omger huvuddelen av vätskan. Detta elektriska dubbelskikt har en tillhörande potentialskillnad som kallas zetapotentialen . När ett lämpligt orienterat elektriskt fält appliceras på detta gränssnittsdubbelskikt (dvs. parallellt med kanalen och i det elektriska dubbelskiktets plan), upplever de laddade flytande jonerna en drivande Lorentzkraft . Eftersom detta skikt omsluter vätskekolonnen, och eftersom detta skikt rör sig, kommer hela vätskekolonnen att börja röra sig med en hastighet $\nu _{EOF}$ . Hastigheten hos vätskeskiktet " diffunderar " in i huvuddelen av kanalen från periferin mot mitten på grund av viskös koppling. Hastigheten är relaterad till styrkan på det elektriska fältet $E$ , storleken på zetapotentialen ${\displaystyle \zeta } ,$ permittiviteten $\epsilon$ och viskositeten $}$ ${\displaystyle \$ eta av vätskan:

$\nu _{EOF}={\epsilon \over \eta }\zeta E$

I en FlowFET kan zetapotentialen mellan kanalväggarna och vätskan ändras genom att applicera ett elektriskt fält vinkelrätt mot kanalväggarna. Detta har effekten att förändra den drivkraft som upplevs av de rörliga vätskeatomerna i dubbelskiktet. Denna förändring i zeta-potentialen kan användas för att styra både storleken och riktningen av det elektroosmotiska flödet i mikrokanalen.

Styrspänningen behöver bara vara i intervallet 50 V för en typisk mikrofluidisk kanal, eftersom detta korrelerar till en gradient på 1,5 MV/cm på grund av kanalstorleken.

Operationella begränsningar

Variationer av FlowFET-dimensionerna (t.ex. isoleringsskiktets tjocklek mellan kanalväggen och grindelektroden) på grund av tillverkningsprocessen kan leda till inexakt kontroll av zetapotentialen. Detta kan förvärras vid väggkontamination, vilket kan förändra kanalväggens ytas elektriska egenskaper intill grindelektroden. Detta kommer att påverka de lokala flödesegenskaperna, vilket kan vara särskilt viktigt i kemiska syntessystem vars stökiometri är direkt relaterad till transporthastigheten för reaktionsprekursorer och reaktionsprodukter.

Det finns begränsningar för vätskan som kan manipuleras i en FlowFET. Eftersom den förlitar sig på EOF kan endast fluider som producerar en EOF som svar på ett pålagt elektriskt fält användas.

Medan styrspänningen bara behöver vara i storleksordningen 50V, är den EOF-producerande spänningen längs kanalaxeln större, i storleksordningen 300V. Det märks experimentellt att elektrolys kan inträffa vid elektrodkontakterna . Denna vattenelektrolys kan förändra pH i kanalen och negativt påverka biologiska celler och biomolekyler , medan gasbubblor tenderar att "täppa till" mikrofluidiska system.

I ytterligare analogi med mikroelektroniska system är omkopplingstiden för en flowFET omvänt proportionell mot dess storlek. Nedskalning av en flödes-FET resulterar i en minskning av tiden för flödet att utjämnas till en ny flödeshastighet efter en förändring i det pålagda elektriska fältet. Det bör dock noteras att frekvensen för flowFET är många storleksordningar långsammare än med en elektronisk FET.

Ansökningar

En FlowFET ser potentiella användningar i massivt parallell mikrofluidisk manipulation, till exempel i DNA-mikroarrayer .

Utan att använda en FlowFET är det nödvändigt att kontrollera hastigheten för EOF genom att ändra storleken på det EOF-producerande fältet (dvs. fältet parallellt med kanalens axel) samtidigt som zetapotentialen lämnas oförändrad. I detta arrangemang kan emellertid samtidig styrning av EOF i kanaler anslutna till varandra inte enkelt åstadkommas.

En FlowFET ger ett sätt att kontrollera mikrofluidflödet på ett sätt som inte använder några rörliga delar. Detta står i skarp kontrast till andra lösningar inklusive pneumatiskt manövrerade peristaltiska pumpar som presenteras av Wu et al. Färre rörliga delar ger mindre möjligheter till mekaniskt nedbrytning av en mikrofluidisk enhet. Detta kan bli allt mer relevant eftersom stora framtida iterationer av stora mikroelektroniska fluidiska (MEF)-arrayer fortsätter att öka i storlek och komplexitet.

Användningen av dubbelriktat elektroniskt styrt flöde har intressanta alternativ för partikel- och bubbelrening.

Se även