Fremstilling af Janus Partikler og Vekselstrøm Elektrokinetiske Målinger Med En Hurtigt Fremstillet Indium Tin Oxid Elektrode Array
Summary
I denne artikel demonstreres en enkel metode til fremstilling af delvis eller fuldt overtrukne metalliske partikler og for at udføre AC-elektrokinetiske egenskabsmålinger med et hurtigt fremstillet indiumtinoxid (ITO) -elektrodsystem.
Abstract
Denne artikel tilvejebringer en simpel metode til fremstilling af delvis eller fuldt overtrukne metalliske partikler og for at udføre hurtig fremstilling af elektrodarrayer, som kan lette elektriske eksperimenter i mikrofluidiske indretninger. Janus partikler er asymmetriske partikler, der indeholder to forskellige overfladeegenskaber på deres to sider. Til fremstilling af Janus-partikler fremstilles et monolag af silica-partikler ved en tørringsproces. Guld (Au) deponeres på den ene side af hver partikel under anvendelse af en forstøvningsanordning. De fuldt overtrukne metalliske partikler udføres efter den anden belægningsproces. For at analysere Janus partiklers elektriske overfladeegenskaber udføres vekselstrøms (AC) elektrokinetiske målinger, såsom dielektroforese (DEP) og electrorotation (EROT) – der kræver specielt konstruerede elektrodarrayer i forsøgsindretningen. Traditionelle metoder til fremstilling af elektrodearrayer, såsom den fotolithografiske teknik, kræver imidlertid en serieAf komplicerede procedurer. Her introducerer vi en fleksibel metode til fremstilling af et designet elektrod array. Et glas af indiumtennoxid (ITO) mønsteres af en fiberlasermarkeringsmaskine (1,064 nm, 20 W, 90 til 120 ns pulsbredde og 20 til 80 kHz pulsrepetitionsfrekvens) til dannelse af en firefase elektrod array. For at generere det firefasede elektriske felt er elektroderne forbundet til en 2-kanals funktionsgenerator og til to invertere. Faseskiftet mellem de tilstødende elektroder er indstillet til enten 90 ° (for EROT) eller 180 ° (for DEP). Repræsentative resultater af AC-elektrokinetiske målinger med et fire-faset ITO-elektrodearray er præsenteret.
Introduction
Janus-partikler, der er opkaldt efter den romerske gud med dobbeltside, er asymmetriske partikler, hvis to sider har fysisk eller kemisk forskellige overfladeegenskaber 1 , 2 . På grund af denne asymmetriske funktion udviser Janus-partikler specielle reaktioner under elektriske felter, såsom DEP 3 , 4 , 5 , 6 , EROT 2 og induceret ladningselektroforese (ICEP) 7 , 8 , 9 . For nylig er der blevet rapporteret adskillige fremgangsmåder til fremstilling af Janus-partikler, herunder Pickering-emulsionsmetoden 10 , den elektrohydrodynamiske co-jetting metode 11 og den mikrofluidiske fotopolymerisationsfremgangsmåde 12 . Imidlertid kræver disse metoder en række kompLicerede apparater og procedurer. Denne artikel introducerer en enkel metode til fremstilling af Janus-partikler og fuldt overtrukne metalliske partikler. Et monolag af mikroskalerede silicapartikler fremstilles i en tørringsproces og anbringes i en forstøvningsanordning, som skal belægges med Au. En halvkugle af partiklen er skyggefuld, og kun den anden halvkugle er belagt med Au 2 , 13 . Janus-partiklens monolag er stemplet med et polydimethylsiloxan (PDMS) -stempel og derefter behandlet med en anden coatingproces til fremstilling af fuldt coatede metalliske partikler 14 .
For at karakterisere de elektriske egenskaber af en Janus-partikel anvendes forskellige AC-elektrokinetiske reaktioner, såsom DEP, EROT og elektroorientering, i vid udstrækning 9 , 15 , 16 , 17 , 18 <sOp>, 19 . EROT er for eksempel den stabiliserede rotationsrespons af en partikel under et eksternt pålagt roterende elektrisk felt 2 , 9 , 15 , 16 . Ved måling af EROT kan interaktionen mellem den inducerede dipol af partiklerne og de elektriske felter opnås. DEP, der stammer fra interaktionen mellem de inducerede dipoler og et ikke-ensartet elektrisk felt, er i stand til at føre til partikelbevægelse 3 , 4 , 5 , 9 , 15 . Forskellige typer partikler kan tiltrækkes (positiv DEP) eller afstødes fra (negativ DEP) elektrodekanterne, som tjener som en generel fremgangsmåde til manipulation og karakterisering af partikler i den mikrofluide anordning. Den translatoriske (DEP) og rota (EROT) egenskaber af partiklen under det elektriske felt domineres af henholdsvis den reelle og imaginære del af Clausius-Mossotti (CM) -faktoren. CM-faktoren afhænger af partiklernes elektriske egenskaber og den omgivende væske, som afsløres af den karakteristiske frekvens, ω c = 2σ / aC DL , af DEP og EROT, hvor σ er væskeledningsevnen, a er partikelradius, Og C DL er kapacitansen af det elektriske dobbeltlag 15 , 16 . For at måle EROT og DEP af partikler er der brug for specialdesignede elektrod array mønstre. Traditionelt anvendes en fotolithografisk teknik til at oprette elektrodarrayer og kræver en række komplicerede procedurer, herunder fotoresist spin-coating, maskejustering, eksponering og udvikling 15 , 18 ,S = "xref"> 19 , 20 .
I denne artikel er den hurtige fremstilling af elektrodarrayer påvist ved direkte optisk mønstrering. Et gennemsigtigt tyndt film-ITO-lag, som er belagt på glassubstratet, fjernes delvist af en fiberlasermarkeringsmaskine (1,064 nm, 20 W, 90 til 120 ns pulsbredde og 20 til 80 kHz pulsrepetitionsfrekvens) for at danne En firefase elektrode array. Afstanden mellem de diagonale elektroder er 150-800 μm, som kan justeres for at passe eksperimenterne. Firefaseelektrodsættet kan anvendes til at karakterisere og koncentrere partikler i forskellige mikrofluidiske indretninger 15 , 16 , 18 . For at generere det firefase elektriske felt er elektrodarrayet forbundet til en 2-kanals funktionsgenerator og til to invertere. Faseskiftet mellem de tilstødende elektroder er indstillet til enten 90 ° (for EROT) eller 180 ° (for DEP) 15 . AC-signalet påføres ved en 0,5 til 4 V pp spændingsamplitude, og frekvensen ligger fra 100 Hz til 5 MHz under operationsprocessen. Janus partikler, metalliske partikler og silica partikler anvendes som prøver til måling af deres AC elektrokinetiske egenskaber. Suspensioner af partiklerne anbringes på midterområdet af elektrodarrayet og observeres under et inverteret optisk mikroskop med et mål på 40X, NA 0,6. Partikel bevægelse og rotation registreres med et digitalkamera. DEP-bevægelsen registreres i det ringformede område, mellem 40 og 65 μm radialt væk fra matrixcentret, og EROT registreres i det cirkulære område, 65 μm radialt væk fra matrixcentret. Partikelhastighed og vinkelhastighed måles ved hjælp af partikelsporingsmetoden. Partikelcentroiderne er kendetegnet ved gråskala eller geometri af partikler ved hjælp af software. Partikelhastigheden og vinkelhastigheden opnås vedMåling af partikelcentroids bevægelser.
Denne artikel giver en simpel metode til hurtigt at fremstille vilkårlige mønstrede elektrodarrayer. Det introducerer fremstillingen af helt eller delvist overtrukne metalliske partikler, som kan anvendes i forskellige felter, med anvendelser lige fra biologi til industrielle anvendelser.
Protocol
Representative Results
Discussion
Fremstilling af ITO-elektrodearrayer ved hjælp af fiberlasermarkeringsmaskinen giver en hurtig metode til at forberede elektroder med vilkårlig mønster. Der er dog stadig nogle ulemper ved denne metode, såsom færre ladningsbærere og den lavere fabrikationsnøjagtighed af ITO-elektroder sammenlignet med metalelektroder skabt ved traditionelle metoder. Disse ulemper kunne begrænse nogle forsøg. F.eks. Kan færre ladningsbærere påvirke fordelingen af det elektriske felt, når der er en stor afstand mellem e…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dette arbejde blev støttet af Ministeriet for Videnskab og Teknologi, Taiwan, ROC, under Grant NSC 103-2112-M-002-008-MY3.
Materials
| Silica Microsphere-2.34 µm | Bangs Laboratories | SS04N | |
| Ethyl Alcohol (99.5%) | KATAYAMA CHEMICAL | E-0105 | |
| SYLGARD 184 A&B Silicone Elastomer(PDMS) | DOW CORNING | PDMS | |
| ITO glass | Luminescence Technology | LT-G001 | |
| Fiber laser marking machine | Taiwan 3Axle Technology | TAFB-R-20W | |
| 2-channel function generator | Gwinsek | AFG-2225 | |
| CMOS camera | Point Grey | GS3-U3-32S4M-C | |
| Sputter | JEOL | JFC-1100E | |
| Operational Amplifiers | Texas Instruments | LM6361N | OP invertor |
| Ultrasonic Cleaner | Gui Lin Yiyuan Ultrasonic Machinery Co. | DG-1 | |
| Microcentrifuge | Scientific Specialties, Inc. | 1.5ml | |
| Mini Centrifuge | LMS | MC-MCF-2360 | |
| Microscope cover glass | Marienfeld-Superior | 18*18mm | |
| Inverted optical microscope | Olympus | OX-71 | |
| Parafilm | bemis | spacer |
Riferimenti
- Walther, A., Müller, A. H. Janus particles. Soft Matter. 4 (4), 663-668 (2008).
- Chen, Y. -. L., Jiang, H. -. R. Electrorotation of a metallic coated Janus particle under AC electric fields. Appl Phys Lett. 109 (19), 191605 (2016).
- Zhang, L., Zhu, Y. Directed assembly of janus particles under high frequency ac-electric fields: Effects of medium conductivity and colloidal surface chemistry. Langmuir. 28 (37), 13201-13207 (2012).
- Gangwal, S., Cayre, O. J., Velev, O. D. Dielectrophoretic assembly of metallodielectric Janus particles in AC electric fields. Langmuir. 24 (23), 13312-13320 (2008).
- Zhang, L., Zhu, Y. Dielectrophoresis of Janus particles under high frequency ac-electric fields. Appl Phys Lett. 96 (14), 141902 (2010).
- Chen, J., Zhang, H., Zheng, X., Cui, H. Janus particle microshuttle: 1D directional self-propulsion modulated by AC electrical field. AIP Adv. 4 (3), 031325 (2014).
- Gangwal, S., Cayre, O. J., Bazant, M. Z., Velev, O. D. Induced-charge electrophoresis of metallodielectric particles. Phys Rev Lett. 100 (5), 058302 (2008).
- Peng, C., Lazo, I., Shiyanovskii, S. V., Lavrentovich, O. D. Induced-charge electro-osmosis around metal and Janus spheres in water: Patterns of flow and breaking symmetries. Phys Rev E. 90 (5), 051002 (2014).
- Ramos, A., García-Sánchez, P., Morgan, H. AC electrokinetics of conducting microparticles: A review. Curr Opin Colloid Interface Sci. 24, 79-90 (2016).
- Hong, L., Jiang, S., Granick, S. Simple method to produce Janus colloidal particles in large quantity. Langmuir. 22 (23), 9495-9499 (2006).
- Bhaskar, S., Hitt, J., Chang, S. W. L., Lahann, J. Multicompartmental microcylinders. Angewandte Chemie International Edition. 48 (25), 4589-4593 (2009).
- Nie, Z., Li, W., Seo, M., Xu, S., Kumacheva, E. Janus and ternary particles generated by microfluidic synthesis: design, synthesis, and self-assembly. J Am Chem Soc. 128 (29), 9408-9412 (2006).
- Jiang, H. -. R., Yoshinaga, N., Sano, M. Active motion of a Janus particle by self-thermophoresis in a defocused laser beam. Phys Rev Lett. 105 (26), 268302 (2010).
- Pawar, A. B., Kretzschmar, I. Multifunctional patchy particles by glancing angle deposition. Langmuir. 25 (16), 9057-9063 (2009).
- García-Sánchez, P., Ren, Y., Arcenegui, J. J., Morgan, H., Ramos, A. Alternating current electrokinetic properties of gold-coated microspheres. Langmuir. 28 (39), 13861-13870 (2012).
- Ren, Y. K., Morganti, D., Jiang, H. Y., Ramos, A., Morgan, H. Electrorotation of metallic microspheres. Langmuir. 27 (6), 2128-2131 (2011).
- Jones, T. B., Jones, T. B. . Electromechanics of particles. , (2005).
- Morganti, D. . AC electrokinetic analysis of chemically modified microparticles. , (2012).
- Morgan, H., Hughes, M. P., Green, N. G. Separation of submicron bioparticles by dielectrophoresis. Biophys J. 77 (1), 516-525 (1999).
- Ren, Y., et al. Induced-charge electroosmotic trapping of particles. Lab Chip. 15 (10), 2181-2191 (2015).
