Préparation des particules de Janus et des mesures électrokinétiques à courant alternatif avec une matrice d'électrode à oxyde d'étain induite rapidement fabriquée
Summary
Dans cet article, une méthode simple pour préparer des particules métalliques partiellement ou entièrement revêtues et pour effectuer des mesures de propriétés électrocinétiques à courant alternatif avec une matrice d'électrode d'oxyde d'indium (ITO) rapidement fabriquée est démontrée.
Abstract
Cet article fournit une méthode simple pour préparer des particules métalliques partiellement ou entièrement revêtues et pour effectuer la fabrication rapide de matrices d'électrodes, ce qui peut faciliter les expériences électriques dans des dispositifs microfluidiques. Les particules de Janus sont des particules asymétriques qui contiennent deux propriétés de surface différentes sur leurs deux côtés. Pour préparer les particules de Janus, une couche monocouche de particules de silice est préparée par un procédé de séchage. L'or (Au) est déposé sur un côté de chaque particule à l'aide d'un dispositif de pulvérisation cathodique. Les particules métalliques complètement revêtues sont complétées après le deuxième processus de revêtement. Pour analyser les propriétés de la surface électrique des particules de Janus, des mesures électrochimiques à courant alternatif (AC), telles que la diélectrophorèse (DEP) et l'électrortation (EROT) – qui nécessitent des matrices d'électrodes spécifiquement conçues dans le dispositif expérimental – sont effectuées. Cependant, les méthodes traditionnelles pour fabriquer des matrices d'électrodes, telles que la technique photolithographique, nécessitent une sérieDe procédures compliquées. Ici, nous introduisons une méthode flexible pour fabriquer une matrice d'électrodes conçue. Un verre d'oxyde d'indium et d'oxyde d'étain (ITO) est modelé par une machine de marquage laser à fibre optique (1,064 nm, 20 W, largeur d'impulsion de 90 à 120 ns et fréquence de répétition d'impulsions de 20 à 80 kHz) pour créer une matrice d'électrodes triphasées. Pour générer le champ électrique à quatre phases, les électrodes sont connectées à un générateur de fonction à 2 canaux et à deux inverseurs. Le déphasage entre les électrodes adjacentes est réglé à 90 ° (pour EROT) ou à 180 ° (pour DEP). Des résultats représentatifs des mesures électrocinétiques à courant alternatif avec un ensemble d'électrodes ITO à quatre phases sont présentés.
Introduction
Les particules de Janus, nommées d'après le dieu romain à double face, sont des particules asymétriques dont les deux côtés ont des propriétés de surface physiquement ou chimiquement différentes 1 , 2 . En raison de cette caractéristique asymétrique, les particules de Janus présentent des réponses spéciales dans des champs électriques tels que DEP 3 , 4 , 5 , 6 , EROT 2 et électrophorèse à charge induite (ICEP) 7 , 8 , 9 . Récemment, plusieurs méthodes pour préparer les particules de Janus ont été rapportées, y compris la méthode d'émulsion Pickering 10 , la méthode de co-jet électrohydrodynamique 11 et la méthode de photopolymérisation microfluidique 12 . Cependant, ces méthodes nécessitent une série de compAppareils et procédures de licuage. Cet article présente une méthode simple pour préparer des particules de Janus et des particules métalliques complètement revêtues. Une monocouche de particules de silice à micro-échelle est préparée dans un procédé de séchage et est placée dans un dispositif de pulvérisation cathodique à revêtir avec Au. Un hémisphère de la particule est ombragé, et seul l'autre hémisphère est recouvert d'Au 2 , 13 . La monocouche de la particule de Janus est estampillée avec un tampon de polydiméthylsiloxane (PDMS) et ensuite traitée avec un second procédé de revêtement pour préparer des particules métalliques entièrement enrobées 14 .
Pour caractériser les propriétés électriques d'une particule Janus, différentes réponses électrochimiques AC, telles que DEP, EROT et électro-orientation, sont largement utilisées 9 , 15 , 16 , 17 , 18 <sUp>, 19 . Par exemple, EROT est la réponse en rotation à l'état d'équilibre d'une particule dans un champ électrique rotatif imposé à l'extérieur 2 , 9 , 15 , 16 . En mesurant l'EROT, on peut obtenir l'interaction entre le dipôle induit des particules et les champs électriques. Le DEP, issu de l'interaction entre les dipôles induits et un champ électrique non uniforme, est capable de conduire au mouvement des particules 3 , 4 , 5 , 9 , 15 . Différents types de particules peuvent être attirés par (DEP positif) ou repoussés de (DEP négatif) les bords de l'électrode, qui sert de méthode générale pour manipuler et caractériser les particules dans le dispositif microfluidique. La traduction (DEP) et la rotation Les caractéristiques régionales (EROT) de la particule sous le champ électrique sont dominées par la partie réelle et imaginaire du facteur Clausius-Mossotti (CM), respectivement. Le facteur CM dépend des propriétés électriques des particules et du liquide environnant, qui sont révélées à partir de la fréquence caractéristique, ω c = 2σ / aC DL , de DEP et EROT, où σ est la conductivité du liquide, a est le rayon de la particule, Et C DL est la capacité de la double couche électrique 15 , 16 . Pour mesurer l'EROT et le DEP des particules, des modèles de matrice d'électrodes spécialement conçus sont nécessaires. Traditionnellement, une technique photolithographique est utilisée pour créer des matrices d'électrodes et nécessite une série de procédures compliquées, y compris le revêtement par photorésist, l'alignement des masques, l'exposition et le développement 15 , 18 ,S = "xref"> 19 , 20 .
Dans cet article, la fabrication rapide des matrices d'électrodes est démontrée par un motif optique direct. Une couche ITO transparente en couche mince, qui est revêtue sur le substrat en verre, est partiellement enlevée par une machine de marquage laser à fibre (1,064 nm, 20 W, largeur d'impulsion de 90 à 120 ns et fréquence de répétition d'impulsions de 20 à 80 kHz) Un ensemble d'électrodes à quatre phases. La distance entre les électrodes diagonales est de 150 à 800 μm, ce qui peut être adapté aux expériences. Le réseau d'électrodes à quatre phases peut être utilisé pour caractériser et concentrer les particules dans différents dispositifs microfluidiques 15 , 16 , 18 . Pour générer le champ électrique à quatre phases, le réseau d'électrodes est connecté à un générateur de fonctions à 2 canaux et à deux inverseurs. Le déphasage entre les électrodes adjacentes est réglé à 90 ° (pour EROT) ou 180 ° (pour DEP) 15 . Le signal AC est appliqué à une amplitude de tension de 0,5 à 4 V pp et la fréquence varie de 100 Hz à 5 MHz pendant le processus d'opération. Les particules de Janus, les particules métalliques et les particules de silice sont utilisées comme échantillons pour mesurer leurs propriétés électro-cinétiques. Les suspensions des particules sont placées sur la zone centrale du réseau d'électrodes et sont observées sous un microscope optique inversé avec un objectif 40X, NA 0.6. Le mouvement des particules et la rotation sont enregistrés avec un appareil photo numérique. Le mouvement DEP est enregistré dans la région annulaire, entre 40 et 65 μm radialement à l'écart du centre du réseau, et EROT est enregistré dans la région circulaire, à 65 μm radialement à l'écart du centre du tableau. La vitesse des particules et la vitesse angulaire sont mesurées par la méthode de suivi des particules. Les centroïdes de particules se distinguent par l'échelle de gris ou la géométrie des particules à l'aide d'un logiciel. La vitesse de la particule et la vitesse angulaire sont obtenues parMesurant les mouvements des centroïdes des particules.
Cet article fournit une méthode simple pour fabriquer rapidement des matrices d'électrodes à motifs arbitraires. Il introduit la préparation de particules métalliques entièrement ou partiellement revêtues, qui peuvent être utilisées dans différents domaines, avec des utilisations allant de la biologie aux applications de l'industrie.
Protocol
Representative Results
Discussion
La fabrication des matrices d'électrode ITO à l'aide de la machine de marquage laser à fibre fournit une méthode rapide pour préparer des électrodes avec des motifs arbitraires. Cependant, il existe encore certains inconvénients à cette méthode, tels que moins de porteurs de charge et la précision de fabrication inférieure des électrodes ITO par rapport aux électrodes métalliques créées par des méthodes traditionnelles. Ces inconvénients pourraient limiter certaines expériences. Par exemple, m…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Ce travail a été soutenu par le ministère de la Science et de la Technologie, Taiwan, ROC, sous 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 |
References
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