英语原文共 6 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
芯片实验室
大气压微等离子体在介电电泳驱动气泡中的应用
光学发射光谱学 Shih-Kang Fan,*a Yan-Ting Shen,b Ling-Pin Tsai,b Cheng-Che Hsu,c Fu-Hsiang Kob and Yu-Ting Chengd
DOI：10.1039 / c2lc40499k
在大气中200 nL气泡内操纵气泡和微等离子体点燃压力和在惰性硅油环境中实现。由介电电泳（DEP）驱动，展示了泡沫产生，运输，混合，分裂和排出。这个流程利用可调气体组分来促进各种气泡的制备。不同的气泡，包括空气，氩气（Ar），氦气（He）和Ar / He混合气体，并将其点燃等离子体状态通过介质阻挡放电（DBD）在平行板之间50mm高的间隙内进行。在不同的气泡中移动和分裂大气压微等离子体通过DEP的保护。光学光谱仪记录微等离子体的激发光发射光谱学（OES）分析。在空气中观察到空气，Ar和He的特征峰DEP驱动的微等离子体。有能力操纵气泡和微等离子体，这平台可用于未来的气体分析。
绪论
化学谱分析的历史可以追溯到19世纪中叶，当时基尔霍夫和本生观察到这种情况特征发射光谱.1引入了单个元素转化为火焰并通过原子发射光谱分析的发射辐射。一个特定的光谱强度元素被发现随元素的数量而改变定性和定量分析。类似于火焰，血浆提供足够的能量来引起激发，解离，以及原子和分子的电离.2在等离子体中，电子能态之间的转换导致特征谱排放。因此使用获得的发射光谱通过不同的分析来分析分析物的组成特征峰，使等离子体成为分析的有效工具目的。例如，氦气，甲烷，氮气和空气已经使用来自等离子体的发射光谱进行了分析除了气体分析之外，等离子体也被广泛使用在各种工业应用中。最近，micoplasma5,6和大气压等离子体7,8引起了相当的关注由于其广泛的应用，包括那些相关的生物医学领域。但是，载气量很大大多数等离子体系统都需要消耗。等离子系统具有高效率和低采样气体和载气迫切需要消费，尤其是分析诸如电感耦合等离子体光发射的用途光谱学（ICP-OES）。展示在微流体装置上，等离子体沿着微通道连续产生用于气相色谱等应用表面改性，10等11,12在这里，我们报告了一种新颖的方法来实现微等离子体具有特定气体体积和无载体组成的气泡气体在芯片上流动。空间和时间的操纵个别和不连续的液滴和气泡已经集中研究了数字微流体（DMF）领域.13,14作为液滴提供一种方便的方式来处理各种具体的液体体积，气泡促进定量气体样品制备。泡沫操作已经在水和油中得到证明通过电润湿介电（EWOD）15和介电泳（DEP），分别为16。这里使用DEP在油中驱动气泡因为水不能维持等离子体的强电场点火。有能力通过DEP操纵气泡，未知气体样本和参考气泡可以被生成，运输，混合，分裂，并在平台上被驱逐，然后才兴奋起来在室温和大气压下等离子态。他们然后可以通过光学发射光谱法（OES）进行分析。
原理
介电电泳
DEP将较高介电常数的流体吸入强电低介电常数的场区.17-21在DEP驱动下，
图1气泡和微观等离子平板装置的设计在硅油中操作。 （a）有两种气体的装置的斜视图入口，水库，物理墙结构和图案化电极泡沫和微观等离子体研究。 （b）设备的横截面。 （c）顶部底板上的电极设计视图。
我们已经成功地沿着虚拟的方式连续抽水油环境中的微通道和离散的油滴在空气中.在这里，我们反过来驱动气泡降低周围介质（如硅油）中的介电常数介电常数DEP.正常应力（力密度）或由中等气体的DEP引起的压差从介质到气体的界面是：
其中E是电场强度，是真空的介电常数，以及eM和eG是相对的介质和气体的介电常数。 在我们的实验中，气体（eG＃1）气泡被强烈驱逐由DEP以20cSt硅油（eM = 2.5）进行电场。
微等离子点火
介质阻挡放电（DBD）被用于观察和检测目的，因为稳定和低温可以获得等离子体。 这些功能对设备有益操作和获取光信号。 专业影响等离子体点火的参数包括气体种类，气压，施加电压和电极之间的距离。不同类型的气体在相同的环境下条件具有不同的击穿电压。 气体压力主要影响气体原子或分子的平均自由程，这反过来影响它们在碰撞之间获得的能量。
图2 DEP操作气泡（200 nL）。 （a） - （d）生成通过施加250VRMS（2.4kHz）从气藏中产生气泡。（e）中产生的气泡的速度相对于施加的电压绘图在2.4千赫。 每个数据点在3台设备上进行实验的平均值，并且每个设备进行了4次实验。
施加的电压和垫片高度是能量因子影响气体故障。 根据帕邢定律，2气压（P）和电极间距（d）的乘积决定击穿电压（Vb）如下所述：
其中A和B是来自实验的参数，cse是阴极二次电子发射系数。 在我们的实验中，在大气中，微泡在气泡中被点燃压力。 从氩（Ar）和氦的Paschen曲线（他）在文献中，2我们决定把电极放在空间上平行板间隔50毫米，以减少所需的故障电压。 因为惰性气体，使用了Ar和He气泡呈现更简单的能级转换和更清晰的特征用于光谱分析的光学发射峰。 电压400到800VRMS，2.4KHz被用来点燃气泡到等离子体状态。
实验装置
由OES进行气体分析的气泡操纵装置是如图1所示设计有两块玻璃板。铟锡涂覆在底部玻璃板上的氧化物（ITO，200nm厚）（0.7毫米厚）通过光刻和湿法形成图案蚀刻工艺。 如图1（c）所示，三个不同的电极
图3：气泡的操纵。 （a） - （b）创建Ar（左）和He（右）气泡。 （c）合并和混合Ar和He气泡。（d） - （e）中分裂Ar / He混合气泡。 （f）驱逐一个分裂的Ar / He混合气泡。 这里施加的电压在2.4kHz时为315VRMS。 看到补充视频1，ESI。
的设计。使用驱动电极（2mmtimes;2mm）气泡操作和微等离子点火。周围电极阻止气泡离开驱动电极。储层电极位置很大气藏的气泡。负性光刻胶SU-8（SU-82002，MicroChem）旋转在含有的底板上图案化的电极作为用于DBD的1.8mm厚的电介质层。顶部玻璃板包含未图案化的ITO电极和aSU-8层。一层10毫米厚的AZ P4620（Clariant）阳性将光致抗蚀剂施加并图案化为物理壁结构在与底部周围形状相同的顶板上电极将气泡限制在适当的电极上。在一些实验在顶板上加工了两个孔固定两根玻璃管（外径3毫米，内径2毫米）直径）作为进气口，如图1（a）所示。顶部和使用50mm高的双面胶带组装底板间隔。硅油（20cSt，Dow Corning Corp.）和气体
图4从气态（a）到等离子态的Ar微等离子体点火（b）应用693 VRMS，2.4 kHz。
图5 Ar微等离子点火和运输655 VRMS，应用2.4 kHz。 另请参阅视频2，ESI
在设备中仔细介绍。 组装的设备（图1（b））置于光谱仪上方（USB4000，海洋光学）OES录音和立体声下显微镜（SZX16，奥林巴斯）泡沫和微等离子体观察结果。 函数发生器（33210A，安捷伦科技公司）与放大器（623B，Trek）连接以提供电源气泡驱动电压和微等离子体点火电压。该通过继电器驱动气泡（LU-5，Rayex Electronics）由数据采集设备的数字输出信号切换（USB-6251，NI）编程使用LabVIEW软件。
结果与讨论
泡沫的生成和运输
图2显示了设备上产生气泡的示意图只有一个气体充满空气。空气首先被推动到达驱动电极上，同时在储存电极上施加250VRMS，2.4kHz以通过DEP吸引硅油，如图1所示图2（a）和2（b）。转动产生200 nL气泡在气泡和储存器之间的电极上进行吸引如图2（c）和图2所示，将硅油切下空气样品图2（d）。根据以前的研究，23,24与其他电信号频率（例如，DC）也可以用于生成DEP力并驱动气泡。主要使用2.4kHz的频率因为它对微等离子点火有利。有了这个方案，200 nL空气，He和Ar气泡成功生成并由DEP运输。空气，Ar和He的气泡运输速度是通过固定施加的电压并调整电极切换时间。在一定的施加电压下，电极切换时间减少直到气泡没有遵循控制信号。气泡的最大速度在不同的施加电压下记录并绘制在图2（e）中。每个数据点表示从12开始的平均电压使用3种不同设备的实验最适合的二次方
曲线表明速度与平方成正比施加的电压或公式（1）的DEP力。因为空气介电常数，Ar和He接近1，没有差异发现在被测试的不同的气泡之间。在这实验中，气泡的最大速度为1.84mm s21在500 VRMS。可以施加更高的电压来实现更高的电压速度。当电压高于500VRMS（即电场强度在10 MV m21以上），但是，发现了气体分解在气泡中产生等离子体。
图6：微等离子体分裂。 （a） - （c）单个微等离子体泡沫用587VRMS，2.4kHz信号分成两个微等离子体气泡。（d）右侧的等离子体通过转动而熄灭电场。 另请参阅视频4，ESI
图7：用703VRMS，2.0KHz施加的空气微等离子体的发射光谱。 （a）光谱显示在340至800纳米之间。（b）显示在340和500nm之间的放大光谱。
泡沫混合，分裂和排出
产生两个不同的气泡，运输，混合，并如图1所示在装置上分开两个气体储存器。图3显示了该装置的中心驱动电极部分。如如图3（a）和3（b）所示，产生了Ar气泡右边的Ar水库（未示出）和He气泡从左边的He水库（未显示）生成使用方案如图2所示。由于DEP被应用于吸引硅油并推开气泡，周围的电极总是被打开以保持驾驶的泡沫电极。实体墙的结构也有助于保持气泡。两个泡沫合并成一个Ar / He混合气泡（图3（c））。混合泡沫分成两部分如图3（d）所示的具有相同组成的气泡图3（e）。右边的泡沫被驱逐（图3（f）），而左边的泡沫可以在步骤中进行调查其次包括微等离子点火。精确混合并且气泡的分裂将依次稀释其中的一个气泡用于定量检测。例如，一个未知的气体样品可以用参比气体（例如Ar或He）以适合于微等离子体点火和OES的比例光谱。
微等离子点火和操纵
图4显示了Ar气泡中微等离子点火的图像当应用693 VRMS，2.4 kHz电信号时。如上所述，气泡被推离高电场区域由DEP定位在低电场区域没有施加电压。但是，要点燃中微等离子体泡沫，一个足够的电场是必要的。问题是通过提供周期性的点燃微血浆来解决驱动电极上的电压。电源周期的间隔很短暂，以防止重新定位泡沫，但是重复的信号提供足够的能量来点燃等离子体。在微等离子体点火之前，电极围绕着气泡被提供高电压以保持气泡进入地点。一旦微等离子点燃，周围关闭电极以避免微等离子体分裂如图S1所示。 ESI。{可以持续提供周期性的AC信号来维持微等离子体。这很重要注意到等离子体状态的气泡被定位与原有气体驱动方案相反的高电场州。我们将这种现象归因于戏剧性的介电常数气泡从气态变为等离子态。等离子体可以被看作是充满离子和电子的导电流体。开发出一种方法来点燃和定位气泡中的微等离子体，我们沿着高电场转换驱动电极来运输微等离子体。如图所示
图5（a）和5（b）中，微等离子体被定期点燃在一个驱动电极上施加655VRMS，2.4kHz。
等离子体被点燃后，655VRMS，2.4kHz连续应用（图5（b））。打开相邻的驱动电极，关闭原来的电极，微等离子体每次移动一个电极向左移动如图5（c）和5（d）所示。视频2，ESI {显示素材图5.此外，捕获的图像和运输视频在黑暗环境中的微等离子体可以在中找到
ESI {图S2和视频3。分解微等离子体已被证明，并显示在图6.使用587 VRMS，2.4 kHz点燃微等离子体后（图6（a）），微等离子体从一个气泡分成两个如图6（b）和6（c）所示。上的微等离子体右侧被熄灭，如图6（d）所示，因为驾驶下方的电极被关闭（视频3，ESI {）。
图8：不同气泡的微等离子体的发射光谱。 （a）具有特征峰的Ar光谱（482VRMS，2.4kHz）
用星号（*）突出显示。 （b）He谱（502VRMS，2.4kHz），其特征峰由以下符号突出显示：（c）Ar / He混合物光谱（523 VRMS，2.4 kHz），突出显示两个特征峰。
光学发射光谱学
记录不同气泡的发射光谱由光谱仪。产生200 nL气泡并使用上述程序在芯片上点燃。图7（a）显示了空气的发射光谱微等离子体。在左侧的特征峰图7（a）主要是由于第二次N2的排放正面（C3浦-B3Pg：357.7,375.5和380.5nm）和N2 第一个否定（B2苏 -X2SG ：391.4nm）系统，放大26倍如图7（b）所示。图7（a）右侧的峰值可以是分配给N2第一个正系统（B3
PG-A3苏 ）。纯Ar和He气体的发射光谱分别为也从气泡中的微等离子体中获得。频谱Ar在图8（a）中显示，其特征峰突出显示在波长484.8，696.5,706.7,750.4,811.5，和842.4 nm。我们在750.4 nm处观察到一个主峰较弱但可观察到的特征峰值。他的谱如图8（b）所示，其特征峰突出于492.1,501.5,587.5,667.8,706.5和728.1nm。24有能力产生和混合气泡并点燃微等离子体Ar / He混合气泡的发射光谱为记录并显示在图8（c）中。特征峰Ar和He都在光谱中找到。
结论
在200 nL气泡中发射光学发射的微等离子体被证明。 制备气体的基本功能生成，合并，分裂和驱逐的泡沫样本报道了DEP在惰性硅油环境中的气泡。微等离子体点燃后，微等离子体更进一步由DEP操纵
剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
资料编号：[24537]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word
以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。
