Bacterial handling under the influence of non-uniform electric fields: dielectrophoretic and electrohydrodynamic effects

ABSTRACT

This paper describes the modeling and experimental verification of a castellated microelectrode array intended tohandle biocells, based on common dielectrophoresis. The proposed microsystem was developed employing platinumelectrodes deposited by lift-off, silicon micromachining, and photoresin patterning techniques. Having fabricated the microdevice it was tested employing Escherichia coli as bioparticle model. Positive dielectrophoresis could be verified with the selected cells for frequencies above 100 kHz, and electrohydrodynamic effects were observed as the dominant phenomena when working at lower frequencies. As a result, negative dielectrophoresis could not be observed because its occurrence overlaps with electrohydrodynamic effects; i.e. the viscous drag force acting on the particles is greater than the dielectrophoretic force at frequencies where negative dielectrophoresis should occur. The experiments illustrate the convenience of this kind of microdevices to micro handling biological objects, opening the possibility for using these microarrays with other bioparticles. Additionally, liquid motion as a result of electrohydrodynamic effects must be taken into account when designing bioparticle micromanipulators, and could be used as mechanism to clean the electrode surfaces, that is one of the most important problems related to this kind of devices.

RESUMO

Este artigo descreve a modelagem e teste experimental de uma rede de microeletrodos em cremalheira cujo objetivo é o manuseio de células biológicas, com base em dieletroforese comum. O microsistema proposto foi desenvolvido empregando eletrodos de platina depositados por técnicas de 'lift-off', micro-usinagem em silício e litografia com foto-resina. Uma vez fabricado o microdispositivo, este foi testado utilizando a Escherichia coli como modelo de biopartículas. Dieletroforese positiva pode ser observada com as células selecionadas para freqüências acima de 100kHz, e efeitos eletro-hidrodinâmicos foram observados como o fenômeno dominante para menores freqüências. Como resultado, a dieletroforese negativa não pode ser observada pois sua ocorrência se sobrepõe a efeitos eletro-hidrodinâmicos; i.e. a força de arraste viscoso atuando sobre as partículas é superior à força dieletroforética para freqüências em que a dieletroforese negativa deveria ocorrer. Os experimentos ilustram a conveniência deste tipo de micro-dispositivo para o micromanuseio de objetos biológicos, abrindo a possibilidade de uso destas micro-redes com outras partículas biológicas. Além disto, o movimento líquido como resultado dos efeitos eletro-hidrodinâmicos deve ser levado em conta ao se desenhar micromanipuladores de partículas biológicas, e pode ser utilizado como mecanismo para limpar as superfícies dos eletrodos, que é um dos problemas mais importantes relacionados a este tipo de dispositivo.