Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.32
no.10
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pp.831-835
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2008
We present a continuous electrical cell lysis chip, using a DC bias voltage to generate the focused high electric field for cell lysis as well as the electroosmotic flow for cell transport. The previous cell lysis chips apply an AC voltage between micro-gap electrodes for cell lysis and use pumps or valves for cell transport. The present DC chip generates high electrical field by reducing the width of the channel between a DC electrode pair, while the previous AC chips reducing the gap between an AC electrode pair. The present chip performs continuous cell pumping without using additional flow source, while the previous chips need additional pumps or valves for the discontinuous cell loading and unloading in the lysis chambers. The experimental study features an orifice whose width and length is 20 times narrower and 175 times shorter than the width and length of a microchannel. With an operational voltage of 50 V, the present chip generates high electric field strength of 1.2 kV/cm at the orifice to disrupt cells with 100% lysis rate of Red Blood Cells and low electric field strength of 60 V/cm at the microchannel to generate an electroosmotic flow of $30{\mu}m/s{\pm}9{\mu}m/s$. In conclusion, the present chip is capable of continuous self-pumping cell lysis at a low voltage; thus, it is suitable for a sample pretreatment component of a micro total analysis system or lab-on-a-chip.
We investigated some important factors which affect the transdermal flux of ketoprofen, a nonsteroidal anti-inflammatory agent, as a first step to provide some basic knowledge for the development of a iontophoretic transdermal patch system. Factors such as current density, polarity, buffer (HEPES) and electrolyte concentration and pH were studied using hairless mouse skin. The effect of poly(L-lysin), which is known to affect the electro-osmotic flow through skin, on flux was also studied. Passive flux was about $20\;{\mu}g/cm^2hr$ at pH 4.0, but was negligible at pH 7.4 where all ketoprofen molecules dissolved are ionized (ketoprofen pKa=5.94). At pH 4.0, application of anodal current increased the flux further above the passive level, however anodal flux at pH 7.4 was much smaller than passive flux at pH 4.0. The application of cathodal current at pH 4.0 increased the average flux to $30-40\;{\mu}g/cm^2hr$, depending on the current density applied. At pH 7.4, cathodal flux was only about $5\;{\mu}g/cm^2hr$. Decrease in buffer and electrolyte concentration increased this cathodal flux about 10 fold. However decrease in HEPES buffer concentration 100 fold did not affect the flux. Anodal flux of acetaminophen was much larger than cathodal flux, indicating that electroosmotic flow can be playing an important role in the flux. Poly(L-lysin) increased the cathodal flux at pH 7.4. These results provide some important insights into the mechanism of transdermal flux of ketoprofen and the role of electroosmotic flow.
A numerical investigation is made of transient evolutionary prcocess of electroosmotic flow in a two-dimensional microchannel connected to a reservoir. The channel height is very small so that two electric double layers forming on the charged surfaces are overlapped. Transient transports of ions in the electrolyte solution are computed by integrating the Nernst-Planck equation together with the Poisson equation for electric potential. The numerical results illustrate that there are two distinct transient phases. The physical mechanisms and relevant time scales for the transient evolution are described.
Proceedings of the Korean Geotechical Society Conference
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2002.10a
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pp.593-596
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2002
This study examined the feasibility of Electrokinetic-Fenton process for remediation of contaminated kaolinite by phenanthrene. The test using 7% H$_2$O$_2$as anode purging solution indicated the higher electrical current and electroosmotic flow than the test using 3.5% H$_2$O$_2$. And distribution in the soil of H$_2$O$_2$concentration showed the higher value of the former than the latter. Furthermore, the test using 7% H$_2$O$_2$and 0.01N H$_2$SO$_4$was the highest electrical current and electroosmotic flow and H$_2$O$_2$was effectively introduced to the cathode region. As it turned out, the treatment effect of phenanthrene was improved in compare with the other tests.
Nowadays, the development of microfluidic chip [i.e. biochip, micro-total analysis system ($\mu$-TAS) and LOC (lab-on-a-chip)] becomes more active, and the microchannels to deliver fluid by pressure or electroosmotic forces tend to be more complex like electronic circuits or networks. For a simple network of channels, we may calculate the pressure and the flow rate easily by using suitable formula. However, for complex network it is not handy to obtain such information with that simple way. For this reason, Graphic User Interface (GUI) program which can rapidly give required information should be necessary for microchip designers. In this paper, we present a GUI program developed in our laboratory and the simple theoretical formula used in the program. We applied our program to simple case and could get results compared well with other numerical results. Further, we applied our program to several complex cases and obtained reasonable results.
Proceedings of the Korean Society of Soil and Groundwater Environment Conference
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2003.09a
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pp.330-333
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2003
Recently electrokinetic process is known to be a promising remediation technology for the contaminated soils with heavy metals, radionuclides, organic matters, and so on. The contaminants in electrokinetic technology are removed mainly by three mechanisms; electroosmosis, electromigration, and electrophoresis. When direct current is introduced between two electrodes planted in soil, a large amount of hydrogen ions is formed and moves from anode to cathode with the other cations contained in electrolyte. The water flow caused by tile movement of cations is called as electroosmosis. Especially for non-ionic pollutants, the electroosmotic flow(EOF) is the most important removal mechanism among them and transports contaminants from anode to cathode along the water flow. In this study, characteristics of electroosmotic flow was investigated according to the resistance state of soil. The decrease, maintenance, and increase of soil resistance could be obtained by controlling ions in soil. When the resistance of soil was decreasing or maintained, the EOF is proportional to electric current and voltage, respectively and when the resistance was increasing, the EOF is proportional to only electric current not voltage.
Three kinds of toxic heavy metals, such as lead, copper, and cadmium, existing abundantly in contaminated soils were selected to investigate pH change, electroosmotic flow, and the removal rate in the application of electrokinetic process. In the change of pHs, they reached to about 12 and 2 at each cathodic and anodic region, respectively, and maintained for reaction being proceeded. Electroosmotic flow rates were not influenced by the kind of metal species but by electropotential gradient. On the soils contaminated by each metal, the removal rate of Cd was the fastest among three as in the order of Cd>Pb>Cu. While on the soils contaminated by mixed metal species, Cu was the fastest. Metal species transported by electrokinetic processes were distributed in between 0.9 and 1.0 of normalized region. In the case of soils contaminated by one kind of metal. the relative concentrations of Pb and Cd estimated in between normalized region 0.9 and 1.0 were 5.2 and 5.7, respectively.
Overall objective of this study was to evaluate the electrochemical characteristics of fine soils during the electrokinetic(EK) remediation. Zeta potential of kaolinite as a function of solution pH and surfactant concentration was investigated to make a relationship with electroosmotic flow direction and rate. During the EK experiments, pH of pore solution, electroosmotic permeability($k_e$), electric conductivity($\delta_e$) and voltage distribution was measured, respectively, The point of zero charge(PZC) of kaolinite was estimated to be about 4.2 and the zeta potential of kaolinite above PZC was more negative as solution pH increased. Sorption of surfactants on the kaolinite altered the zeta potential of kaolinite. resulting from the variation of electrochemical characteristics of kaolinite surface. hs the EK experiment progressed, low pH was predominant over most of the kaolinite specimen and thus resulted in very low mass and charge flow. The $k_e$ and $\delta_e$ was also affected by the variation of voltage drop across the EK column with time. Results from this study implied that zeta potential of kaolinite affected by the pH variation of pore solution and voltage distribution in soil column played important role in the determination of mass and charge flow during EK process. It was also suggested that pH adjustment or addition of suitable sorbates could alter the electrochemical characteristics of soil surface and thus maintain high mass and charge flow rate with time.
The induced-charge electroosmosis (ICEO) is a kind of electroosmotic flow which is generated by the electrical charge induced by an externally-applied electric field. That kind of electrokinetic phenomenon provides a nonmechanical technique to handle microscale flows and particles. In this work, we report that the ICEO-like flow is observed around two kinds of circular-cylindrical rod submerged in a dielectric liquid. The conductivity of the solution is varied by adding a surfactant. The flow field is visualized by the PIV method, and average flow speed shows a remarkable dependence on electrical input frequency. Interestingly, the characteristics of the flow are quite different from the conventional ICEO with respect to the flow direction and the locations of center of vortices.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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