オプトエレクトロウェッティング

オプトエレクトロウェッティング（OEW）は、マイクロ流体デバイス用途における液滴操作法です。この技術は、高速スイッチング応答時間と低消費電力により液体駆動に有効であることが実証されているエレクトロウェッティングの原理に基づいています。従来のエレクトロウェッティングでは、複数の液滴の同時操作などの課題がありますが、OEWはよりシンプルで低コストな、魅力的な代替手段となります。OEW表面はリソグラフィーを必要としないため製造が容易で、光強度に反応するため、リアルタイムで再構成可能な大規模な操作制御が可能です。

理論

従来のエレクトロウェッティング機構は、液滴にかかる張力を制御できることから、ますます注目を集めています。ナノスケールのアプリケーションでは表面張力が液体の主要な駆動力として作用するため、エレクトロウェッティングは外部電圧を印加することで固体-液体界面のこの張力を変化させるために用いられてきました。印加電界は液滴の接触角を変化させ、ひいては液滴全体の表面張力を変化させます。電界を正確に操作することで、液滴の制御が可能になります。液滴は、電極と基板の間に配置された絶縁基板上に配置されます。cooxoxc9x

光エレクトロウェッティングと従来のエレクトロウェッティングの図

オプトエレクトロウェッティング機構は、従来のエレクトロウェッティング回路の下に光伝導体を追加し、交流電源を接続します。通常（暗）状態では、システムのインピーダンスの大部分は光伝導領域に存在するため、電圧降下の大部分はここで発生します。しかし、システムに光が照射されると、キャリアの生成と再結合により光伝導体の導電性が急上昇し、絶縁層全体に電圧降下が生じ、接触角が電圧の関数として変化します。液体と電極間の接触角は次のように表すことができます。[1]


コス ⁡ （ θ （ V あ ） ） ＝ コス ⁡ （ θ （ 0 ） ） + 1 2 （ ϵ d γ L V ） V あ 2 {\displaystyle \cos {\big (}\theta (V_{A}){\big )}=\cos {\big (}\theta (0){\big )}+{\frac {1}{2}}\left({\frac {\epsilon }{d\gamma _{LV}}}\right)V_{A}^{2}\,}

ここで、V A、d、ε、γ LVは印加電圧、絶縁層の厚さ、絶縁層の誘電率、液体と気体間の界面張力定数です。OEW などの AC 状況では、V AはRMS電圧に置き換えられます。AC 電源の周波数は、暗状態で光伝導体のインピーダンスが支配的になるように調整されます。したがって、絶縁層全体の電圧降下の変化により、光強度の関数として液滴の接触角が減少します。液滴の一方の端に光ビームを照射すると、減少した接触角によって液滴全体に圧力差が生じ、液滴の質量中心が照射された側に押し出されます。光ビームを制御することで、液滴の動きを制御できます。

OEW は 4 mW のレーザー ビームを使用して、脱イオン水の液滴を 7mm/s の速度で移動できることが実証されています。

従来のエレクトロウェッティングは、液滴を駆動するために2次元の電極アレイを必要とするため、問題を抱えています。電極数が多いため、特に液滴サイズが小さい場合、チップの制御と実装が複雑になります。この問題は電子デコーダーを統合することで解決できますが、チップのコストが大幅に増加します。[2] [3]

片面連続光エレクトロウェッティング（SCOEW）

エレクトロウェッティングに基づくデバイスにおける液滴操作は、通常、液滴を挟み込む2枚の平行板を用いてデジタル電極で駆動されます。操作可能な最小液滴サイズは、ピクセル化電極のサイズによって決まります。この機構は、動的かつ再構成可能な光学パターンを利用することで、物理的なピクセル化電極のサイズ制限を解消し、液滴の連続輸送、分割、合体、混合などの操作を可能にします。SCOEWは、開放型で特徴のない光導電性表面上で行われます。この構成により、サンプルリザーバーなどの他のマイクロ流体コンポーネントとシンプルなチューブで簡単に統合できる柔軟なインターフェースが実現されます。[4]

これはオープンオプトエレクトロウェッティング（O-OEW）としても知られています。[5]

光容量を用いた光電気湿潤

光エレクトロウェッティングは、液体-絶縁体-半導体接合部の光容量を利用して実現することもできます。[6]光感応性エレクトロウェッティングは、金属-酸化物-半導体構造に基づく電荷結合素子と同様に、フォトダイオードとして機能する絶縁体-半導体接合部の空間電荷領域におけるキャリアの光変調によって実現されます。

アプリケーションの種類

臨床診断

エレクトロウェッティングは、完全な生理学的化合物を取り扱い、操作する能力において、ラボオンチップシステムにおける最も困難な課題の一つに対する解決策を提示します。 [7] 従来のマイクロ流体システムは、異なる化合物を扱うための適応が容易ではなく、再構成が必要となるため、デバイス全体が実用的でなくなることがよくあります。OEWを利用することで、単一の電源を備えたチップを様々な物質に容易に使用でき、多重検出が可能になります。

光学駆動

微小電気機械システム（MEMS）における光駆動は、概念実証実験によって実証されている。[8] [9] 一般的な基板の代わりに、特殊なカンチレバーが液体・絶縁体・光伝導体スタックの上に配置される。光伝導体に光が照射されると、カンチレバー上の液滴からの毛細管力が接触角に応じて変化し、ビームを偏向させる。この無線駆動は、現在自律型無線センサーの光アドレス指定および制御に使用されている複雑な回路ベースのシステムの代替として利用できる[10]。

参照

参考文献

  1. ^ 引用が必要
  2. ^ Pollack, Michael G.; Fair, Richard B.; Shenderov, Alexander D. (2000-09-11). 「マイクロ流体アプリケーションにおけるエレクトロウェッティングに基づく液滴の駆動」. Applied Physics Letters . 77 (11). AIP Publishing: 1725– 1726. Bibcode :2000ApPhL..77.1725P. doi :10.1063/1.1308534. ISSN  0003-6951.
  3. ^ Chiou, Pei Yu; Moon, Hyejin; Toshiyoshi, Hiroshi; Kim, Chang-Jin; Wu, Ming C. (2003). 「光エレクトロウェッティングによる液体の光駆動」. Sensors and Actuators A: Physical . 104 (3). Elsevier BV: 222– 228. Bibcode :2003SeAcA.104..222C. doi :10.1016/s0924-4247(03)00024-4. ISSN  0924-4247.
  4. ^ Park, Sung-Yong; Teitell, Michael A.; Chiou, Eric PY (2010). 「光パターンを用いた液滴操作のための片面連続オプトエレクトロウェッティング（SCOEW）」. Lab on a Chip . 10 (13). Royal Society of Chemistry (RSC): 1655–61 . doi :10.1039/c001324b. ISSN  1473-0197. PMID  20448870.
  5. ^ Chuang, Han-Sheng; Kumar, Aloke; Wereley, Steven T. (2008-08-11). 「オープンオプトエレクトロウェッティング液滴アクチュエーション」 .応用物理学レターズ. 93 (6). AIP Publishing: 064104. Bibcode :2008ApPhL..93f4104C. doi :10.1063/1.2970047. ISSN  0003-6951.
  6. ^ Arscott, Steve (2011). 「光による液体の移動：半導体における光エレクトロウェッティング」. Scientific Reports . 1 (1) 184. arXiv : 1108.4935 . Bibcode :2011NatSR...1..184A. doi : 10.1038/srep00184 . ISSN  2045-2322. PMC 3240946. PMID 22355699  . 
  7. ^ Srinivasan, Vijay; Pamula, Vamsee K.; Fair, Richard B. (2004). 「ヒト生理液の臨床診断のための統合型デジタルマイクロ流体ラボオンチップ」. Lab on a Chip . 4 (4). 英国王立化学協会 (RSC): 310–5 . doi :10.1039/b403341h. ISSN  1473-0197. PMID  15269796.
  8. ^ Gaudet, Matthieu; Arscott, Steve (2012-05-28). 「光電気湿潤法を用いたマイクロエレクトロメカニカルシステムの光アクチュエーション」. Applied Physics Letters . 100 (22): 224103. arXiv : 1201.2873 . Bibcode :2012ApPhL.100v4103G. doi :10.1063/1.4723569. ISSN  0003-6951. S2CID  119208424.
  9. ^ Bob Yirka (2012年1月2日). 「研究チームが光電気湿潤回路を開発」. Phys.org . 2020年2月27日閲覧。
  10. ^ イック、ジェニファー;ムカルジー、ビスワナート。ゴサル、ディパック (2008)。 「無線センサーネットワーク調査」。コンピュータネットワーク。52 (12)。 Elsevier BV: 2292–2330。doi : 10.1016 /j.comnet.2008.04.002。ISSN  1389-1286。
  • ラボオンチップ上でのSCOEWのデモンストレーション
  • パデュー大学におけるO-OEW液滴加速試験
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