Приготовление частиц Януса и электрокинетических измерений переменного тока с быстродействующим массивом электродов оксида олова олова
Summary
В этой статье продемонстрирован простой способ получения частично или полностью покрытых металлических частиц и проведения измерений электрокинетических свойств AC с помощью быстродействующей схемы электродов из индия-олова (ITO).
Abstract
В этой статье представлен простой способ получения частично или полностью покрытых металлических частиц и для быстрой сборки электродных массивов, что может облегчить электрические эксперименты на микрожидкостных устройствах. Частицы Януса представляют собой асимметричные частицы, которые с двух сторон имеют два разных поверхностных свойства. Для приготовления частиц Janus монослой частиц диоксида кремния получают путем сушки. Золото (Au) осаждается с одной стороны каждой частицы с помощью распыляющего устройства. Полностью покрытые металлические частицы завершаются после второго процесса нанесения покрытия. Для анализа электрических свойств поверхности частиц Януса выполняются электрокинетические измерения переменного тока (AC), такие как диэлектрофорез (DEP) и электроротирование (EROT), которые требуют специально разработанных электродных массивов в экспериментальном устройстве. Однако традиционные способы изготовления электродных массивов, такие как фотолитографическая техника, требуют серииСложных процедур. Здесь мы вводим гибкий метод изготовления сконструированной электродной матрицы. Стекло индия-олова (ITO) структурировано с помощью волоконно-лазерной маркировочной машины (1,064 нм, 20 Вт, от 90 до 120 нс ширины импульса и от 20 до 80 кГц частоты повторения импульсов) для создания четырехфазной электродной матрицы. Для генерации четырехфазного электрического поля электроды подключаются к 2-канальному генератору функций и к двум инверторам. Фазовый сдвиг между соседними электродами устанавливается либо на 90 ° (для EROT), либо на 180 ° (для DEP). Представлены репрезентативные результаты электрокинетических измерений переменного тока с четырехфазной сеткой электродов ITO.
Introduction
Частицы Януса, названные в честь римского бога с двойным лицом, представляют собой асимметричные частицы, у которых две стороны имеют физически или химически разные свойства поверхности 1 , 2 . Из-за этой асимметричной функции частицы Януса проявляют особые реакции в электрических полях, таких как DEP 3 , 4 , 5 , 6 , EROT 2 и электрофорез с индуцированным зарядом (ICEP) 7 , 8 , 9 . В последнее время сообщалось о нескольких способах приготовления частиц Януса, включая метод эмульсии Пикеринга 10 , способ электрогидродинамической совместной струйной обработки 11 и метод микрофлюидной фотополимеризации 12 . Однако для этих методов требуется серия compИ устройства и процедуры. В этой статье представлен простой способ приготовления частиц Януса и полностью покрытых металлических частиц. Монослой микрочастичных частиц диоксида кремния готовят в процессе сушки и помещают в распыляющее устройство для покрытия Au. Одно полушарие частицы заштриховано, а только другое полушарие покрыто Au 2 , 13 . Монослой частицы Януса штамповали штаммом полидиметилсилоксана (PDMS) и затем обрабатывали вторым процессом покрытия для получения полностью покрытых металлических частиц 14 .
Для характеристики электрических свойств частицы Януса различные электрокинетические реакции электрона, такие как DEP, EROT и электроориентация, широко используются 9 , 15 , 16 , 17 , 18 <sВверх>, 19 . Например, EROT представляет собой стационарный вращательный отклик частицы под действием внешнего электрического вращающегося электрического поля 2 , 9 , 15 , 16 . Измеряя ЭРОТ, можно получить взаимодействие между индуцированным диполем частиц и электрическими полями. DEP, возникающий из-за взаимодействия между индуцированными диполями и неравномерным электрическим полем, способен приводить к движению частиц 3 , 4 , 5 , 9 , 15 . Различные виды частиц могут быть притянуты к (положительному DEP) или отталкиваться от (отрицательного DEP) краев электрода, который служит в качестве общего метода манипулирования и характеристики частиц в микрожидкостном устройстве. Переводческая (DEP) и рота (EROT) частицы частицы под электрическим полем доминируют действительная и мнимая часть фактора Клаузиуса-Моссотти (CM) соответственно. СМ-фактор зависит от электрических свойств частиц и окружающей жидкости, которые обнаруживаются из характерной частоты, ω c = 2σ / aC DL , DEP и EROT, где σ – удельная проводимость жидкости, a – радиус частицы, И C DL – емкость электрического двойного слоя 15 , 16 . Для измерения EROT и DEP частиц необходимы специально разработанные шаблоны электродов. Традиционно фотолитографический метод используется для создания электродных массивов и требует ряда сложных процедур, в том числе фоторезистивного спин-покрытия, выравнивания маски, экспозиции и развития 15 , 18 ,S = "xref"> 19 , 20 .
В этой статье быстрое изготовление электродных массивов демонстрируется прямым оптическим паттерном. Прозрачный тонкопленочный слой ITO, который покрыт стеклянной подложкой, частично удаляется с помощью лазерной маркировочной машины (1,064 нм, 20 Вт, ширины импульса от 90 до 120 нс и частоты повторения импульсов 20 – 80 кГц), чтобы сформировать Четырехфазную электродную решетку. Расстояние между диагональными электродами составляет 150-800 мкм, которое можно отрегулировать в соответствии с экспериментами. Четырехфазную электродную решетку можно использовать для характеристики и концентрации частиц в различных микрожидкостных устройствах 15 , 16 , 18 . Для генерации четырехфазного электрического поля массив электродов подключается к 2-канальному генератору функций и двум инверторам. Фазовый сдвиг между соседними электродами установлен на уровне 90 ° (для EROT) или 180 ° (для DEP) 15 . Сигнал переменного тока подается при амплитуде напряжения 0,5 – 4 В pp , а частота изменяется от 100 Гц до 5 МГц во время процесса работы. Частицы Януса, металлические частицы и частицы диоксида кремния используются в качестве образцов для измерения их электрокинетических свойств. Суспензии частиц помещаются в центральную область электродной решетки и наблюдаются под инвертированным оптическим микроскопом с объективом 40X, NA 0.6. Движение и вращение частиц регистрируются цифровой камерой. Движение DEP регистрируется в кольцевой области от 40 до 65 мкм в радиальном направлении от центра матрицы, а EROT регистрируется в круговой области, 65 мкм в радиальном направлении от центра массива. Скорость частиц и угловая скорость измеряются методом отслеживания частиц. Центроиды частиц отличаются серой шкалой или геометрией частиц с использованием программного обеспечения. Скорость частиц и угловая скорость получаются формулойИзмерение движений центроидов частиц.
В этой статье представлен простой способ быстрого изготовления произвольно структурированных электродных массивов. Он представляет собой получение полностью или частично покрытых металлических частиц, которые могут быть использованы в разных областях, с использованием от биологии до применения в промышленности.
Protocol
Representative Results
Discussion
Изготовление массивов электродов ITO с использованием волоконно-лазерной маркировочной машины обеспечивает быстрый способ получения электродов с произвольными узорами. Тем не менее, есть еще некоторые недостатки этого метода, такие как меньшее количество носителей заряда и более низ…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Эта работа была поддержана Министерством науки и технологий, Тайванем, РПЦ, грантом 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
- 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).
