Un flowFET es un componente de microfluidos que permite que la velocidad de flujo de líquido en un canal de microfluidos sea modulada por el potencial eléctrico que se le aplica. De esta manera, se comporta como un análogo microfluídico del transistor de efecto de campo , [1] excepto que en el flowFET el flujo de líquido toma el lugar del flujo de corriente eléctrica . De hecho, el nombre del flowFET se deriva de la convención de nomenclatura de los FET electrónicos (por ejemplo , MOSFET , FINFET , etc.).
Mecanismo de acción
Un flowFET se basa en el principio de flujo electro-osmótico (EOF). En muchas interfaces líquido-sólido , existe una doble capa eléctrica que se desarrolla debido a las interacciones entre las dos fases . En el caso de un canal de microfluidos, esto da como resultado una capa cargada de líquido en la periferia de la columna de fluido que rodea la mayor parte del líquido. Esta doble capa eléctrica tiene una diferencia de potencial asociada conocida como potencial zeta . Cuando se aplica un campo eléctrico apropiadamente orientado a esta doble capa interfacial (es decir, paralela al canal y en el plano de la doble capa eléctrica), los iones líquidos cargados experimentan una fuerza de Lorentz motriz . Dado que esta capa cubre la columna de fluido, y dado que esta capa se mueve, toda la columna de líquido comenzará a moverse con una velocidad. La velocidad de la capa de fluido se " difunde " en la mayor parte del canal desde la periferia hacia el centro debido al acoplamiento viscoso. [1] La velocidad está relacionada con la fuerza del campo eléctrico., la magnitud del potencial zeta , la permitividad y la viscosidad del fluido: [1]
En un FlowFET, el potencial zeta entre las paredes del canal y el fluido se puede alterar aplicando un campo eléctrico perpendicular a las paredes del canal. Esto tiene el efecto de alterar la fuerza motriz experimentada por los átomos líquidos móviles en la doble capa. Este cambio en el potencial zeta se puede utilizar para controlar tanto la magnitud como la dirección del flujo electroosmótico en el microcanal. [1]
El voltaje de control solo necesita estar en el rango de 50 V para un canal de microfluidos típico, [2] ya que esto se correlaciona con un gradiente de 1.5 MV / cm debido al tamaño del canal. [1]
Limitaciones operativas
La variación de las dimensiones del FlowFET (por ejemplo, el espesor de la capa aislante entre la pared del canal y el electrodo de puerta) debido al proceso de fabricación puede conducir a un control inexacto del potencial zeta. Esto puede agravarse en el caso de contaminación de la pared, que puede alterar las propiedades eléctricas de la superficie de la pared del canal adyacente al electrodo de puerta. Esto afectará las características de flujo local, que pueden ser especialmente importantes en los sistemas de síntesis química cuya estequiometría está directamente relacionada con la velocidad de transporte de los precursores de reacción y los productos de reacción. [2]
Hay restricciones impuestas al fluido que se pueden manipular en un FlowFET. Dado que se basa en EOF, solo se pueden usar fluidos que produzcan un EOF en respuesta a un campo eléctrico aplicado. [2]
Mientras que el voltaje de control solo necesita ser del orden de 50 V, [2] el voltaje que produce EOF a lo largo del eje del canal es mayor, del orden de 300 V. [3] Se observa experimentalmente que la electrólisis puede ocurrir en los contactos de los electrodos . Esta electrólisis del agua puede alterar el pH en el canal y afectar negativamente a las células biológicas y biomoléculas , mientras que las burbujas de gas tienden a "obstruir" los sistemas de microfluidos. [4]
En mayor analogía con los sistemas microelectrónicos , el tiempo de conmutación de un flowFET es inversamente proporcional a su tamaño. La reducción de un flowFET da como resultado una reducción en la cantidad de tiempo para que el flujo se equilibre a un nuevo caudal después de un cambio en el campo eléctrico aplicado. Sin embargo, debe tenerse en cuenta que la frecuencia de flowFET es muchos órdenes de magnitud más lenta que con un FET electrónico.
Aplicaciones
Un FlowFET ve usos potenciales en la manipulación microfluídica masivamente paralela, [1] por ejemplo en microarrays de ADN . [2]
Sin usar un FlowFET, es necesario controlar la tasa de EOF cambiando la magnitud del campo productor de EOF (es decir, el campo paralelo al eje del canal) sin alterar el potencial zeta. Sin embargo, en esta disposición, el control simultáneo de EOF en canales conectados entre sí no puede lograrse fácilmente. [1]
Un FlowFET proporciona una forma de controlar el flujo de microfluidos de una manera que no utiliza partes móviles. [1] [2] [3] Esto está en marcado contraste con otras soluciones, incluidas las bombas peristálticas accionadas neumáticamente , como la presentada por Wu et al. [5] Menos piezas móviles permite menos oportunidades de avería mecánica de un dispositivo de microfluidos. Esto puede ser cada vez más relevante a medida que las grandes iteraciones futuras de grandes matrices fluídicas microelectrónicas (MEF) continúan aumentando en tamaño y complejidad.
El uso de flujo bidireccional controlado electrónicamente tiene opciones interesantes para operaciones de limpieza de partículas y burbujas. [2]
Ver también
- Fluídica
- Microfluidos
- Electro-ósmosis
- Laboratorio en un chip
Referencias
- ^ a b c d e f g h Schasfoort, Richard BM; Schlautmann, Stefan; Hendrikse, Jan; van den Berg, Albert (29 de octubre de 1999). "Control de flujo de efecto de campo para redes fluídicas microfabricadas". Ciencia . 286 (5441): 942–945. doi : 10.1126 / science.286.5441.942 . PMID 10542145 .
- ^ a b c d e f g h Kerkhoff, HG; Barber, RW; Zhang, X .; Emerson, DR (2006). "Modelado de fallas y co-simulación en sistemas de matriz biológica basados en FlowFET". Actas - Tercer taller internacional de IEEE sobre diseño, pruebas y aplicaciones electrónicos, DELTA 2006 : 177–182.
- ^ a b Kerkhoff, H; Barber, R; Emerson, D; Van Der Wouden, E (2005). "Diseño y Ensayo de Sistemas Fluídicos Microelectrónicos". Taller de actas sobre MEMS, DATE05 Talleres : 47–52.
- ^ Erlandsson, PG; Robinson, ND (2011). "Electrodos reductores de electrólisis para dispositivos electrocinéticos" . Electroforesis . 32 (6–7): 784–790. doi : 10.1002 / elps.201000617 . PMID 21425174 . S2CID 1045087 .
- ^ Wu, Min Hsien; Huang, Song Bin; Cui, Zhanfeng; Cui, Zheng; Lee, Gwo Bin (2008). "Desarrollo de plataforma de cultivo de células micro 3-D basada en perfusión y su aplicación para pruebas de drogas de alto rendimiento". Sensores y actuadores, B: Químico . 129 (1): 231–240. doi : 10.1016 / j.snb.2007.07.145 .