Herstellung von Janus-Partikeln und Wechselstrom-Elektrokinetischen Messungen mit einem schnell gefertigten Indium-Zinn-Oxid-Elektroden-Array
Summary
In diesem Artikel wird ein einfaches Verfahren zur Herstellung von teilweise oder vollständig beschichteten metallischen Teilchen und zur Durchführung von elektrokinetischen Eigenschaftsmessungen mit einer schnell hergestellten Indiumzinnoxid (ITO) Elektrodenanordnung gezeigt.
Abstract
Dieser Artikel stellt ein einfaches Verfahren bereit, um teilweise oder vollständig beschichtete metallische Teilchen herzustellen und die schnelle Herstellung von Elektrodenanordnungen durchzuführen, die elektrische Experimente in mikrofluidischen Vorrichtungen erleichtern können. Janus-Partikel sind asymmetrische Partikel, die zwei unterschiedliche Oberflächeneigenschaften auf beiden Seiten enthalten. Zur Herstellung von Janus-Partikeln wird eine Monoschicht aus Siliciumdioxid-Partikeln durch ein Trocknungsverfahren hergestellt. Gold (Au) wird auf einer Seite jedes Teilchens unter Verwendung einer Zerstäubungsvorrichtung abgeschieden. Die vollständig beschichteten metallischen Partikel werden nach dem zweiten Beschichtungsprozess vervollständigt. Zur Analyse der elektrischen Oberflächeneigenschaften von Janus-Partikeln werden Wechselstrom- (AC) elektrokinetische Messungen wie Dielektrophorese (DEP) und Elektrorotation (EROT) durchgeführt, die spezifisch konstruierte Elektrodenarrays in der experimentellen Vorrichtung erfordern. Jedoch erfordern herkömmliche Verfahren zur Herstellung von Elektrodenanordnungen, wie die photolithographische Technik, eine ReiheKomplizierte Verfahren. Hier stellen wir eine flexible Methode zur Herstellung eines entworfenen Elektrodenarrays vor. Ein Indium-Zinnoxid (ITO) -Glas wird durch eine Faserlaser-Markierungsmaschine (1,064 nm, 20 W, 90 bis 120 ns Pulsbreite und 20 bis 80 kHz Pulswiederholfrequenz) gemustert, um ein Vierphasen-Elektroden-Array zu erzeugen. Um das Vierphasen-Feld zu erzeugen, sind die Elektroden mit einem 2-Kanal-Funktionsgenerator und mit zwei Invertern verbunden. Die Phasenverschiebung zwischen den benachbarten Elektroden wird entweder auf 90 ° (für EROT) oder 180 ° (für DEP) eingestellt. Repräsentative Ergebnisse von AC-Elektrokinetischen Messungen mit einem Vier-Phasen-ITO-Elektroden-Array werden vorgestellt.
Introduction
Janus-Partikel, benannt nach dem römischen Gott mit einer doppelten Fläche, sind asymmetrische Teilchen, deren zwei Seiten physikalisch oder chemisch unterschiedliche Oberflächeneigenschaften 1 , 2 haben . Aufgrund dieses asymmetrischen Merkmals zeigen Janus-Partikel spezielle Reaktionen unter elektrischen Feldern wie DEP 3 , 4 , 5 , 6 , EROT 2 und induzierte Ladungselektrophorese (ICEP) 7 , 8 , 9 . In letzter Zeit wurden mehrere Verfahren zur Herstellung von Janus-Partikeln beschrieben, einschließlich des Pickering-Emulsionsverfahrens 10 , des elektrohydrodynamischen Co-Jetting-Verfahrens 11 und des mikrofluidischen Photopolymerisationsverfahrens 12 . Diese Methoden erfordern jedoch eine Reihe von compGerichtete Geräte und Verfahren. Dieser Artikel stellt eine einfache Methode zur Herstellung von Janus-Partikeln und vollständig beschichteten metallischen Partikeln vor. Eine Monoschicht aus mikroskaligen Siliciumdioxidpartikeln wird in einem Trocknungsprozess hergestellt und in eine mit Au beschichtete Sputtervorrichtung gegeben. Eine Halbkugel des Teilchens ist schattiert, und nur die andere Hemisphäre ist mit Au 2 , 13 beschichtet. Die Monoschicht des Janus-Teilchens wird mit einem Polydimethylsiloxan (PDMS) -Stampfen versehen und dann mit einem zweiten Beschichtungsverfahren behandelt, um vollständig beschichtete metallische Teilchen 14 herzustellen.
Um die elektrischen Eigenschaften eines Janus-Teilchens zu charakterisieren, werden verschiedene AC-Elektrokinetische Reaktionen wie DEP, EROT und Elektro-Orientierung weit verbreitet 9 , 15 , 16 , 17 , 18 verwendet <sUp>, 19 Beispielsweise ist EROT die stationäre Rotationsreaktion eines Teilchens unter einem extern auferlegten rotierenden elektrischen Feld 2 , 9 , 15 , 16 . Durch Messung der EROT kann die Wechselwirkung zwischen dem induzierten Dipol der Teilchen und den elektrischen Feldern erreicht werden. DEP, das aus der Wechselwirkung zwischen den induzierten Dipolen und einem ungleichförmigen elektrischen Feld entsteht, kann zur Teilchenbewegung 3 , 4 , 5 , 9 , 15 führen . Verschiedene Arten von Partikeln können von (positiven DEP) angezogen oder von (negativen DEP) der Elektrodenkanten abgestoßen werden, was als allgemeines Verfahren zur Manipulation und Charakterisierung von Partikeln in der mikrofluidischen Vorrichtung dient. Die Translations (DEP) und Rota (EROT) -Eigenschaften des Teilchens unter dem elektrischen Feld werden durch den Real- und Imaginärteil des Clausius-Mossotti (CM) -Faktors dominiert. Der CM-Faktor hängt von den elektrischen Eigenschaften der Partikel und der umgebenden Flüssigkeit ab, die sich aus der charakteristischen Frequenz ω c = 2σ / aC DL von DEP und EROT ergeben, wobei σ die Flüssigkeitsleitfähigkeit ist, a der Partikelradius, Und C DL ist die Kapazität der elektrischen Doppelschicht 15 , 16 . Zur Messung der EROT und DEP von Partikeln werden speziell entwickelte Elektroden-Array-Muster benötigt. Herkömmlicherweise wird eine photolithographische Technik verwendet, um Elektrodenanordnungen zu erzeugen, und erfordert eine Reihe von komplizierten Prozeduren, einschließlich Photoresist-Schleuderbeschichtung, Maskenausrichtung, Belichtung und Entwicklung 15 , 18 ,S = "xref"> 19 , 20 .
In diesem Artikel wird die schnelle Herstellung von Elektrodenanordnungen durch direkte optische Strukturierung demonstriert. Eine transparente Dünnfilm-ITO-Schicht, die auf das Glassubstrat aufgetragen wird, wird teilweise durch eine Faserlaser-Markierungsmaschine (1.064 nm, 20 W, 90 bis 120 ns Pulsbreite und 20 bis 80 kHz Pulswiederholfrequenz) entfernt Ein Vierphasen-Elektroden-Array. Der Abstand zwischen den Diagonalelektroden beträgt 150-800 μm, der an die Experimente angepasst werden kann. Die Vierphasen-Elektrodenanordnung kann verwendet werden, um Partikel in verschiedenen mikrofluidischen Vorrichtungen 15 , 16 , 18 zu charakterisieren und zu konzentrieren. Um das Vierphasen-Feld zu erzeugen, ist das Elektroden-Array mit einem 2-Kanal-Funktionsgenerator und mit zwei Invertern verbunden. Die Phasenverschiebung zwischen den benachbarten Elektroden wird entweder auf 90 ° (für EROT) oder 1 eingestellt80 ° (für DEP) 15 . Das Wechselstromsignal wird bei einer Amplitude von 0,5 bis 4 V pp angelegt, und die Frequenz reicht von 100 Hz bis 5 MHz während des Betriebsprozesses. Janus-Partikel, metallische Partikel und Siliciumdioxid-Partikel werden als Proben verwendet, um ihre elektrokinetischen Eigenschaften zu messen. Suspensionen der Partikel werden auf den mittleren Bereich des Elektrodenarrays gelegt und unter einem invertierten optischen Mikroskop mit einem 40X, NA 0.6-Objektiv beobachtet. Partikelbewegung und Rotation werden mit einer Digitalkamera aufgenommen. Die DEP-Bewegung wird am ringförmigen Bereich zwischen 40 und 65 μm radial entfernt von der Array-Mitte aufgezeichnet und EROT wird im kreisförmigen Bereich, 65 μm radial entfernt von der Array-Mitte aufgezeichnet. Die Partikelgeschwindigkeit und die Winkelgeschwindigkeit werden nach dem Partikel-Tracking-Verfahren gemessen. Die Partikel-Zentroide zeichnen sich durch Graustufen oder Geometrie von Partikeln mit Software aus. Die Teilchengeschwindigkeit und die Winkelgeschwindigkeit werden durch erhaltenMessung der Bewegungen der Partikel-Zentroide.
Dieser Artikel stellt eine einfache Methode zur schnellen Herstellung von willkürlich gemusterten Elektrodenanordnungen bereit. Es stellt die Vorbereitung von vollständig oder teilweise beschichteten metallischen Partikeln vor, die in verschiedenen Bereichen eingesetzt werden können, mit Anwendungen, die von Biologie bis hin zu Industrieanwendungen reichen.
Protocol
Representative Results
Discussion
Das Herstellen von ITO-Elektrodenanordnungen unter Verwendung der Faserlaser-Markierungsmaschine stellt eine schnelle Methode zur Herstellung von Elektroden mit beliebigen Mustern bereit. Allerdings gibt es noch einige Nachteile für dieses Verfahren, wie z. B. weniger Ladungsträger und die geringere Herstellungsgenauigkeit von ITO-Elektroden im Vergleich zu Metallelektroden, die durch herkömmliche Verfahren hergestellt wurden. Diese Nachteile könnten einige Experimente einschränken. Zum Beispiel könnten weniger La…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Diese Arbeit wurde vom Ministerium für Wissenschaft und Technologie, Taiwan, ROC, unter Grant NSC 103-2112-M-002-008-MY3 unterstützt.
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
- 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).
