Preparación de partículas de Janus y mediciones electrocinéticas de corriente alterna con una matriz de electrodos de óxido de estaño de índices fabricados rápidamente

Summary

En este artículo, se demuestra un método sencillo para preparar partıculas metálicas parcialmente o completamente revestidas y para realizar mediciones de propiedad electrocinética de CA con una disposición de electrodo de óxido de indio y esta~no (ITO) fabricado rápidamente.

Abstract

Este artículo proporciona un método simple para preparar partıculas metálicas parcialmente o completamente revestidas y para realizar la fabricación rápida de conjuntos de electrodos, que pueden facilitar experimentos eléctricos en dispositivos microfluídicos. Las partículas de Janus son partículas asimétricas que contienen dos propiedades de superficie diferentes en sus dos lados. Para preparar partıculas de Janus, se prepara una monocapa de partıculas de sılice mediante un proceso de secado. El oro (Au) se deposita en un lado de cada partícula usando un dispositivo de pulverización catódica. Las partículas metálicas totalmente recubiertas se completan después del segundo proceso de revestimiento. Para analizar las propiedades eléctricas de las partículas de Janus, se realizan mediciones electrocinéticas de corriente alterna (AC), como la dielectroforesis (DEP) y la electrorreformación (EROT), que requieren conjuntos de electrodos diseñados específicamente en el dispositivo experimental. Sin embargo, los métodos tradicionales para fabricar matrices de electrodos, como la técnica fotolitográfica, requieren una serieDe procedimientos complicados. Aquí, introducimos un método flexible para fabricar una matriz de electrodos diseñada. Un vidrio de óxido de estaño de indio (ITO) está modelado por una máquina de marcado por láser de fibra (1.064 nm, 20 W, anchura de impulso de 90 a 120 ns y frecuencia de repetición de pulso de 20 a 80 kHz) para crear un conjunto de electrodos de cuatro fases. Para generar el campo eléctrico de cuatro fases, los electrodos están conectados a un generador de funciones de 2 canales ya dos inversores. El desplazamiento de fase entre los electrodos adyacentes se establece en 90 ° (para EROT) o 180 ° (para DEP). Se presentan resultados representativos de mediciones electrocinéticas de CA con un conjunto de electrodos de ITO de cuatro fases.

Introduction

Las partículas de Janus, nombradas después del dios romano con una cara doble, son partículas asimétricas cuyos dos lados tienen propiedades superficiales físicamente o químicamente diferentes ^{1 , 2} . Debido a esta característica asimétrica, las partículas de Janus exhiben respuestas especiales bajo campos eléctricos, tales como DEP ^{3 , 4 , 5 , 6} , EROT ² , y electroforesis de carga inducida (ICEP) ^{7 , 8 , 9} . Recientemente, se han descrito varios métodos para preparar partıculas de Janus, incluyendo el método de emulsión ^{10 de} Pickering, el método ^de co-chorreado electrohidrodinámico ¹¹ y el método de fotopolimerización microfluídica ¹² . Sin embargo, estos métodos requieren una serie de compY procedimientos. Este artículo presenta un método simple para preparar partículas de Janus y partículas metálicas completamente recubiertas. Una monocapa de partículas de sílice microescaladas se prepara en un proceso de secado y se pone en un dispositivo de pulverización catódica para recubrir con Au. Un hemisferio de la partícula está sombreado, y sólo el otro hemisferio está recubierto con Au ^{2 , 13} . La monocapa de la partícula Janus se estampa con un sello de polidimetilsiloxano (PDMS) y luego se trata con un segundo proceso de revestimiento para preparar partıculas metálicas ¹⁴ totalmente recubiertas.

Para caracterizar las propiedades eléctricas de una partícula de Janus, se utilizan ampliamente diferentes respuestas electrocinéticas de CA, como DEP, EROT y electro-orientación ^{9 , 15 , 16 , 17 , 18} <sUp>, ¹⁹ . Por ejemplo, EROT es la respuesta rotatoria en estado estacionario de una partícula bajo un campo eléctrico giratorio impuesto externamente ^{2 , 9 , 15 , 16} . Midiendo el EROT, se puede obtener la interacción entre el dipolo inducido de las partículas y los campos eléctricos. DEP, que surge de la interacción entre los dipolos inducidos y un campo eléctrico no uniforme, es capaz de conducir al movimiento de partículas ^{3 , 4 , 5 , 9 , 15} . Se pueden atraer diferentes tipos de partículas (DEP positivo) o se repelen de (DEP negativo) los bordes del electrodo, lo cual sirve como un método general para manipular y caracterizar partículas en el dispositivo microfluídico. La traducción (DEP) y la rotación (EROT) de la partícula bajo el campo eléctrico están dominadas por la parte real e imaginaria del factor de Clausius-Mossotti (CM), respectivamente. El factor CM depende de las propiedades eléctricas de las partículas y del líquido circundante, que se revelan a partir de la frecuencia característica, ω _c = 2σ / aC _DL , de DEP y EROT, donde σ es la conductividad del líquido, a es el radio de la partícula, Y C _DL es la capacitancia de la doble capa eléctrica ^{15 , 16} . Para medir el EROT y el DEP de partículas, se necesitan patrones de electrodos especialmente diseñados. Tradicionalmente, se utiliza una técnica fotolitográfica para crear conjuntos de electrodos y requiere una serie de procedimientos complicados, incluyendo el revestimiento por fotorresistencia, la alineación de la máscara, la exposición y el desarrollo ^{15 , 18 ,}S = "xref"> 19 ^{, 20} .

En este artículo, la fabricación rápida de matrices de electrodos se demuestra mediante patrones ópticos directos. Una capa de ITO de película delgada transparente, que está recubierta sobre el sustrato de vidrio, se elimina parcialmente mediante una máquina de marcado por láser de fibra (1064 nm, 20 W, anchura de impulso de 90 a 120 ns y frecuencia de repetición de impulsos de 20 a 80 kHz) para formar Una disposición de electrodos de cuatro fases. La distancia entre los electrodos diagonales es de 150-800 μm, que puede ajustarse para adaptarse a los experimentos. El conjunto de electrodos de cuatro fases puede usarse para caracterizar y concentrar partículas en diferentes dispositivos microfluídicos ^{15 , 16 , 18} . Para generar el campo eléctrico de cuatro fases, la matriz de electrodos está conectada a un generador de funciones de 2 canales ya dos inversores. El desplazamiento de fase entre los electrodos adyacentes se establece en 90 ° (para EROT) o 180 ° (para DEP) ¹⁵ . La señal de CA se aplica a una amplitud de voltaje de 0,5 a 4 V _pp , y la frecuencia oscila entre 100 Hz y 5 MHz durante el proceso de operación. Las partículas de Janus, partículas metálicas y partículas de sílice se utilizan como muestras para medir sus propiedades electrocinéticas AC. Las suspensiones de las partículas se colocan sobre la región central de la disposición de electrodos y se observan bajo un microscopio óptico invertido con un objetivo 40X, NA 0.6. El movimiento de las partículas y la rotación se registran con una cámara digital. El movimiento DEP se registra en la región anular, entre 40 y 65 μm radialmente lejos del centro de la matriz, y EROT se registra en la región circular, 65 μm radialmente lejos del centro de la matriz. La velocidad de la partícula y la velocidad angular se miden por el método de seguimiento de partículas. Los centroides de partículas se distinguen por escala de grises o geometría de partículas usando software. La velocidad de la partícula y la velocidad angular se obtienenMidiendo los movimientos de los centroides de las partículas.

Este artículo proporciona un método simple para fabricar rápidamente arrays de electrodos con diseños arbitrarios. Introduce la preparación de partículas metálicas totalmente o parcialmente recubiertas, que pueden ser utilizadas en diferentes campos, con usos que van desde la biología hasta aplicaciones industriales.

Protocol

1. Fabricación del Microchip Preparación del electrodo ITO Utilice software de ilustración comercial para dibujar un patrón cruzado. Establezca la distancia entre los electrodos diagonales a 160 μm y haga que los brazos del patrón cruzado tengan 30 mm de ancho y 55 mm de largo, como se muestra en la Figura 1 . Guarde el archivo de ilustración como un archivo DXF. Utilice un cortador de vidrio para recortar el vidrio ITO a un tamaño de 2…

Representative Results

La matriz de electrodos de cuatro fases se crea mediante una máquina de marcado por láser de fibra. La capa conductora de ITO revestida sobre el vidrio se retira mediante un láser de enfoque para formar un patrón cruzado con un espacio de 160 μm, como se muestra en la figura 1B . <strong c…

Discussion

Fabricación de electrodos ITO arrays utilizando el láser de fibra de marcado máquina proporciona un método rápido para preparar los electrodos con patrones arbitrarios. Sin embargo, todavía existen algunas desventajas de este método, tales como un menor número de portadores de carga y la menor precisión de fabricación de los electrodos ITO en comparación con los electrodos metálicos creados por métodos tradicionales. Estas desventajas podrían limitar algunos experimentos. Por ejemplo, un menor número de p…

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