Fremstilling av Janus Partikler og Vekselstrøm Elektrokinetiske Målinger Med En Rapidly Produced Indium Tin Oxid Electrode Array
Summary
I denne artikkelen er det vist en enkel metode for å fremstille delvis eller fullstendig belagte metalliske partikler og å utføre AC-elektrokinetiske egenskapsmålinger med en hurtigfabrikket indiumtennoksid (ITO) -elektrodeoppstilling.
Abstract
Denne artikkelen gir en enkel metode for å fremstille delvis eller fullstendig belagte metallpartikler og å utføre hurtig fremstilling av elektrodarrayer, som kan lette elektriske eksperimenter i mikrofluidiske enheter. Janus-partikler er asymmetriske partikler som inneholder to forskjellige overflateegenskaper på begge sider. For å fremstille Janus-partikler fremstilles et monolag av silikagelpartikler ved en tørkeprosess. Gull (Au) er avsatt på den ene siden av hver partikkel ved hjelp av en forstøvningsanordning. De fullt belagte metallpartiklene blir fullført etter den andre beleggingsprosessen. For å analysere de elektriske overflateegenskapene til Janus-partikler, utføres vekselstrøm (AC) elektrokinetiske målinger, som for eksempel dielektroforese (DEP) og electrorotation (EROT) – som krever spesielt utformede elektrodarrayer i eksperimentell enhet – utføres. Imidlertid krever tradisjonelle metoder for å fremstille elektrodearrayer, slik som fotolitografisk teknikk, en serieAv kompliserte prosedyrer. Her presenterer vi en fleksibel metode for å fremstille et designet elektrodarray. Et glass med indiumtennoksid (ITO) mønsteres av en fiberlasermarkeringsmaskin (1,064 nm, 20 W, 90 til 120 ns pulsbredde og 20 til 80 kHz pulsrepetisjonsfrekvens) for å skape en firefase-elektrodarray. For å generere firefaset elektrisk felt, er elektrodene koblet til en 2-kanals funksjonsgenerator og til to invertere. Faseskiftet mellom de tilstøtende elektrodene er satt til enten 90 ° (for EROT) eller 180 ° (for DEP). Representative resultater av AC elektrokinetiske målinger med en fire-fase ITO elektrode array er presentert.
Introduction
Janus-partikler, oppkalt etter den romerske guden med et dobbelt ansikt, er asymmetriske partikler hvis to sider har fysisk eller kjemisk forskjellige overflateegenskaper 1 , 2 . På grunn av denne asymmetriske funksjonen har Janus-partikler spesielle svar under elektriske felt, som DEP 3 , 4 , 5 , 6 , EROT 2 og induksjonsladningselektroforese (ICEP) 7 , 8 , 9 . Nylig har det blitt rapportert flere metoder for å fremstille Janus-partikler, inkludert Pickering-emulsjonsmetoden 10 , den elektrohydrodynamiske samkjøringsmetode 11 og den mikrofluidiske fotopolymerisasjonsmetode 12 . Imidlertid krever disse metodene en serie kompLisensierte apparater og prosedyrer. Denne artikkelen introduserer en enkel metode for å forberede Janus-partikler og fullt belagte metallpartikler. Et monolag av mikroskalerte silikapartikler fremstilles i en tørkeprosess og legges i en sputteringanordning som skal belegges med Au. En halvkule av partikkelen er skyggelagt, og bare den andre halvkule er belagt med Au 2 , 13 . Monolaget av Janus-partikkelen er stemplet med et polydimetylsiloksan (PDMS) -stempel og deretter behandlet med en andre beleggprosess for å fremstille fullt belagte metallpartikler 14 .
For å karakterisere de elektriske egenskapene til en Janus-partikkel, er forskjellige AC-elektrokinetiske responser, som DEP, EROT og elektro-orientering, mye brukt 9 , 15 , 16 , 17 , 18 <sOpp>, 19 . EROT er for eksempel den steady state rotasjonsresponsen av en partikkel under et eksternt pålagt roterende elektrisk felt 2 , 9 , 15 , 16 . Ved å måle EROT kan samspillet mellom den induserte dipol av partiklene og de elektriske feltene oppnås. DEP, som oppstår fra samspillet mellom de induserte dipolene og et ikke-jevnt elektrisk felt, kan føre til partikkelbevegelse 3 , 4 , 5 , 9 , 15 . Ulike typer partikler kan bli tiltrukket av (positiv DEP) eller avstøt fra (negativ DEP) elektrodekantene, som tjener som en generell metode for manipulering og karakterisering av partikler i mikrofluid-enheten. Den translasjonelle (DEP) og rota (EROT) egenskaper av partikkelen under det elektriske feltet domineres av henholdsvis den reelle og imaginære delen av Clausius-Mossotti (CM) -faktoren. CM-faktoren avhenger av de elektriske egenskapene til partiklene og den omgivende væsken, som avdekkes fra den karakteristiske frekvensen, co c = 2σ / aC DL , DEP og EROT, hvor σ er væskeledningsevnen, a er partikkelradien, Og C DL er kapasitansen av det elektriske dobbeltlag 15 , 16 . For å måle EROT og DEP av partikler, er det behov for spesialdesignet elektrode array mønstre. Tradisjonelt brukes en fotolitografisk teknikk for å lage elektrodarrayer og krever en rekke kompliserte prosedyrer, inkludert fotoresist spin-coating, maskjustering, eksponering og utvikling 15 , 18 ,S = "xref"> 19 , 20 .
I denne artikkelen er den raske fremstillingen av elektrodarrayer demonstrert ved direkte optisk mønster. Et gjennomsiktig tynnfilm-ITO-lag, som er belagt på glasssubstratet, fjernes delvis av en fiberlasermarkeringsmaskin (1,064 nm, 20 W, 90 til 120 ns pulsbredde og 20 til 80 kHz pulsrepetisjonsfrekvens) for å danne En firefaselektrodermatrise. Avstanden mellom de diagonale elektrodene er 150-800 μm, som kan justeres for å passe forsøkene. Firefaselektrodsettet kan brukes til å karakterisere og konsentrere partikler i forskjellige mikrofluidiske anordninger 15 , 16 , 18 . For å generere firefaset elektrisk felt, er elektrodarrangementet koblet til en 2-kanalsfunksjonsgenerator og til to invertere. Faseskiftet mellom de tilstøtende elektrodene er satt til enten 90 ° (for EROT) eller 180 ° (for DEP) 15 . AC-signalet påføres ved en 0,5 til 4 V pp spenningsamplitude, og frekvensen varierer fra 100 Hz til 5 MHz under operasjonsprosessen. Janus partikler, metallpartikler og silikapartikler blir brukt som prøver for å måle deres elektrokinetiske egenskaper. Suspensjoner av partiklene plasseres på senterområdet av elektrodarrayet og observeres under et invertert optisk mikroskop med et 40X, NA 0,6-objektiv. Partikkels bevegelse og rotasjon registreres med et digitalkamera. DEP-bevegelsen er registrert i ringformet område, mellom 40 og 65 μm radielt vekk fra matrisesenteret, og EROT registreres i det sirkulære området, 65 μm radielt vekk fra matrisesenteret. Partikkelhastighet og vinkelhastighet måles ved hjelp av partikkelsporingsmetoden. Partikkel-sentroider utmerker seg med gråskala eller geometri av partikler ved hjelp av programvare. Partikkelhastigheten og vinkelhastigheten er oppnådd avMåle bevegelsene til partikkel-sentroider.
Denne artikkelen gir en enkel metode for raskt å fremstille vilkårlige mønstrede elektrodarrayer. Det introduserer tilberedning av helt eller delvis belagte metallpartikler, som kan brukes i forskjellige felt, med bruksområder som spenner fra biologi til industriapplikasjoner.
Protocol
Representative Results
Discussion
Fremstilling av ITO-elektrodarrayer ved hjelp av fiberlasermarkeringsmaskinen gir en rask metode for å forberede elektroder med vilkårlig mønster. Imidlertid er det fortsatt noen ulemper for denne metoden, for eksempel færre ladestyrere og den lavere fabrikasjonsnøyaktigheten av ITO-elektroder sammenlignet med metallelektroder laget av tradisjonelle metoder. Disse ulempene kan begrense noen eksperimenter. F.eks. Kan færre ladningsbærere påvirke fordelingen av det elektriske feltet når det er stor avstand mellom…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dette arbeidet ble støttet av departementet for vitenskap 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).
