משאבה אלקטרו-אוסמוטית
משאבה אלקטרו-אוסמוטית נוצרה כדי לתפעל ולשלוט במערכות מיקרופלואידיות. המשאבה בנויה ממשטח מוצק מבודד ואלקטרוליט (נוזל המכיל יונים מומסים). בעת הפעלת שדה חשמלי על האלקטרוליט, היונים שבתוכו יתחילו לנוע וכך נוצרת זרימה אלקטרו-אוסמוטית.
זרימה אלקטרו אוסמוטית
זרימה אלקטרו-אוסמוטית היא תנועתו של זורם המכיל יונים מומסים (אלקטרוליט) תחת השפעת שדה חשמלי אשר הופעל בצינור, ממברנות או מיקרו תעלות. מהירות זרימתו של הזורם תלויה ביחס ליניארי בעוצמת השדה הפועל עליו, תלויה גם בתכונות של הנוזל ותכונות החומר שממנו עשויה התעלה עצמה ללא קשר למדדיה של התעלה. זרימה אלקטרו אוסמוטית משמשת במערכות מיקרו זרימה, בהן קל ומדויק יותר לשלוט בשדה החשמלי אשר מניע את הזורם. הסיבה היא שע"מ ליצור מפל לחצים יש צורך בחיבור כל תעלה למשאבה שתייצר את מפל הלחץ, וזה מוביל ליצירה של מערכות גדולות. לכן השיטה המועדפת בתחום המיקרו-זרימה היא זו הנוגעת בהיבטים חשמליים כגון שליטה בשדה חשמלי השולט בתנועת הזורם.[1]
היסטוריה
בשנת 1807 דווח לראשונה על זרימה אלקטרו-אוסמוטית על ידי פרדיננד פרידריך ראוס באגודת מוסקבה לחקר הטבע. הוא הראה שאפשר לגרום למים לזרום דרך פקק של חימר על ידי הפעלת מתח חשמלי. חימר מורכב מחלקיקים ארוזים היטב של סיליקה ומינרלים אחרים, ומים זורמים בחללים הצרים שבין החלקיקים הללו ממש כמו שהיו עושים דרך צינור זכוכית צר. כל שילוב של אלקטרוליט (נוזל המכיל יונים מומסים) ומוצק מבעבע יוצר זרימה אלקטרו-אוסמוטית, אך עבור מים וסיליקה ההשפעה גדולה במיוחד. עם זאת, מהירויות זרימה הן בדרך כלל מילימטרים בודדים לשנייה. אלקטרו-אוסמוזה התגלתה באופן עצמאי בשנת 1814 על ידי הכימאי האנגלי רוברט פורט (אנ').[2]
עקרון יצירת הזרימה
המשטח המוצק טעון שלילית. על פי חוק קולון המטענים החיוביים באלקטרוליט נמשכים למשטח. נוצרת שכבת נוזל דקה, באזור הממשק עם המשטח, אשר בעקבות אינטראקציות כימיות עם המשטח הופכת לשכבה סטטית. יתרה מזאת, נמשכים מטענים חיוביים נוספים למשטח. אלו מטענים ניידים, אשר יוצרים שכבה שנייה מעל המשטח, הנקראת שכבה דיפוזית. שתי השכבות ביחד מהוות את השכבה החשמלית הכפולה. בעת הפעלת השדה החשמלי, המטען החשמלי יתחיל לנוע, וכך נגרמת זרימת הנוזל- הזרימה האלקטרו- אוסמוטית.
משאבה אלקטרו-אוסמוטית
משאבה אלקטרו-אוסמוטית משמשת לתפעול ושליטה במערכות מיקרו-פלואידיות. היא משפיעה על נוזלים בנפחים קטנים בסדר גודל של מיקרונים. עם ההתפתחות המהירה של מערכות מיקרו-פלואידיות, הוקדשה תשומת לב רבה לחשיבות הקטנת המיקרו-משאבות. השימוש במשאבות אלו התרחב, ואפשר יצירה של משאבות יותר זולות כגון משאבות אינסולין. בהשוואה למיקרו-משאבות מכניות, משאבה אלקטרו-אוסמוטית אינה דורשת חלקי העברה מכניים בתוכה. נוסף על כך, יש למשאבה אלקטרו-אוסמוטית יכולת עצומה להניע כמות גדולה של זורמים ולייצר לחצים עצומים להזרמת זורמים או הנעת הזורם תחת השפעת הפולס החשמלי המתמשך (יצירת זרימות קבועות ללא פולס חדש).[3]
סוגי משאבות
- משאבה אלקטרו-אוסמוטית מדורגת (Cascaded electroosmotic pumps) – משאבה מדורגת מתקבלת על ידי מיקום מספר משאבות אלקטרו-אוסמוטיות רגילות בסדרות או מקבילות בהתאמה. משאבות מסוג זה מאפשרות זרימה בלחצים גבוהים.[4]
- משאבה אלקטרו-אוסמוטית מנוקבת (Porous electroosmotic pump) – שאיבה מנוקבת נוצרת על ידי שימוש בזכוכית מדובקקת' שהיא זכוכית מנוקבת ודרכה עשוי לעבור גז או נוזל. גוף הזכוכית הנקבובי הזה יכול להיקרא שחק זכוכית (אנ').[5]
- משאבה אלקטרו-אוסמוטית רדודה מישורית (Planar shallow electroosmotic pump) – משאבות אלקטרו-אוסמוטיות רדודות פלנריות עשויות ממיקרו-ערוצים רדודים מקבילים שגודלם בקוטר הידראולי מתחת ל-1 מ"מ. [6]
- מיקרו-משאבות אלקטרו-אוסמוטיות (Electroosmotic micro pumps) – ניתן לגרום להשפעות אלקטרו-אוסמוטיות ללא שדות חיצוניים. בדרך כלל זה יהיה במקרים שצריך בהם תנועה בסדר גודל מיקרוני. זהב או כסף הוכחו כמייצרים שאיבת נוזלים מקומית על ידי הוספת מי חמצן לתמיסה.[7]
הערות שוליים
- ^ Brian J. Kirby, Microfluidics and Nanofluidics, Kirby Research Group at Cornell
- ^ Christian J. C. Biscombe, The Discovery of Electrokinetic Phenomena: Setting the Record Straight, Angewandte Chemie International Edition 56, 2017, עמ' 8338–8340 doi: 10.1002/anie.201608536
- ^ Meng Gao, Lin Gui, Electroosmotic Flow Pump, Advances in Microfluidics - New Applications in Biology, Energy, and Materials Sciences, 2016-11-23 doi: 10.5772/64601
- ^ Anders Brask, Goran Goranović, Henrik Bruus, Theoretical analysis of the low-voltage cascade electro-osmotic pump, Sensors and Actuators B: Chemical 92, 2003-07-01, עמ' 127–132 doi: 10.1016/S0925-4005(03)00130-8
- ^ Shuhuai Yao, David E. Hertzog, Shulin Zeng, James C. Mikkelsen, Porous glass electroosmotic pumps: design and experiments, Journal of Colloid and Interface Science 268, 2003-12-01, עמ' 143–153 doi: 10.1016/s0021-9797(03)00730-6
- ^ Chuan-Hua Chen, J.G. Santiago, A planar electroosmotic micropump, Journal of Microelectromechanical Systems 11, 2002-12, עמ' 672–683 doi: 10.1109/JMEMS.2002.805055
- ^ Timothy R. Kline, Walter F. Paxton, Yang Wang, Darrell Velegol, Catalytic Micropumps: Microscopic Convective Fluid Flow and Pattern Formation, Journal of the American Chemical Society 127, 2005-12-01, עמ' 17150–17151 doi: 10.1021/ja056069u
29642645משאבה אלקטרו-אוסמוטית