Framställning av Janus-partiklar och växlande strömelektrokinetiska mätningar med en snabbt framställd indium-tennoxidelektroder-uppsättning
Summary
I denna artikel visas en enkel metod för att framställa partiellt eller helt belagda metallpartiklar och att utföra AC-elektrokinetiska egenskapsmätningar med en snabbt tillverkad indiumtennoxid (ITO) -elektrodmatris.
Abstract
Denna artikel tillhandahåller en enkel metod för att framställa delvis eller helt belagda metallpartiklar och att utföra snabb tillverkning av elektrodskivor, vilket kan underlätta elektriska experiment i mikrofluidiska anordningar. Januspartiklar är asymmetriska partiklar som innehåller två olika ytegenskaper på båda sidor. För att framställa Januspartiklar framställes ett monoskikt av kiseldioxidpartiklar genom en torkningsprocess. Guld (Au) avsätts på ena sidan av varje partikel med hjälp av en förstoftningsanordning. De helt belagda metallpartiklarna är färdiga efter den andra beläggningsprocessen. För att analysera de elektriska ytegenskaperna hos Janus-partiklar utförs elektrodemätningar av växelströms (AC), såsom dielektrofores (DEP) och elektrorotation (EROT) – vilka kräver specifikt utformade elektroduppsättningar i experimentenheten – utförs. Traditionella metoder för att tillverka elektrodskivor, såsom fotolitografisk teknik, kräver emellertid en serieAv komplicerade förfaranden. Här introducerar vi en flexibel metod för att tillverka en konstruerad elektrodmatris. Ett glas av indiumtennoxid (ITO) mönstras av en fiberlasermärkningsmaskin (1,064 nm, 20 W, 90 till 120 ns pulsbredd och 20 till 80 kHz pulsrepetitionsfrekvens) för att skapa en fyrfaselektrodmatris. För att generera fyrfasens elektriska fält är elektroderna anslutna till en 2-kanalig funktionsgenerator och till två inverterare. Fasskiftet mellan de intilliggande elektroderna är inställt på antingen 90 ° (för EROT) eller 180 ° (för DEP). Representativa resultat av AC-elektrokinetiska mätningar med en fyrfas ITO-elektrodmatris presenteras.
Introduction
Januspartiklar, namngivna efter den romerska guden med dubbelt ansikte, är asymmetriska partiklar vars två sidor har fysiskt eller kemiskt olika ytegenskaper 1 , 2 . På grund av denna asymmetriska funktion uppvisar Janus-partiklar speciella svar inom elektriska fält, såsom DEP 3 , 4 , 5 , 6 , EROT 2 och inducerad laddningselektrofores (ICEP) 7 , 8 , 9 . Nyligen har flera metoder för beredning av Janus-partiklar rapporterats, inklusive Pickering-emulsionsmetoden 10 , den elektrohydrodynamiska sammjukningsmetoden 11 och den mikrofluidiska fotopolymerisationsmetoden 12 . Emellertid kräver dessa metoder en serie av kompLicerade apparater och förfaranden. Denna artikel introducerar en enkel metod för att bereda Januspartiklar och fullt belagda metallpartiklar. Ett monoskikt av mikroskalade kiseldioxidpartiklar framställes i en torkningsprocess och sätts i en förstoftningsanordning som skall beläggas med Au. En halvklot av partikeln är skuggad och endast den andra halvklotet är belagd med Au 2 , 13 . Janus-partikelns monoskikt stämplas med en polydimetylsiloxan (PDMS) -stämpel och behandlas därefter med en andra beläggningsprocess för att framställa fullständigt belagda metallpartiklar 14 .
För att karakterisera de elektriska egenskaperna hos en Janus-partikel används olika AC-elektrokinetiska svar, såsom DEP, EROT och elektroorientering, i stor utsträckning 9 , 15 , 16 , 17 , 18 <sUpp>, 19 . Exempelvis är EROT det roterande svaret hos en partikel under ett externt infört roterande elektriskt fält 2 , 9 , 15 , 16 . Genom mätning av EROT kan interaktionen mellan den inducerade dipolen i partiklarna och de elektriska fälten erhållas. DEP, som uppstår genom interaktionen mellan de inducerade dipolerna och ett icke-likformigt elektriskt fält, kan leda till partikelrörelse 3 , 4 , 5 , 9 , 15 . Olika typer av partiklar kan lockas till (positiv DEP) eller avstötas från (negativa DEP) elektrodkanterna, vilket tjänar som en allmän metod för att manipulera och karakterisera partiklar i mikrofluidisk anordning. Den translationella (DEP) och rota (EROT) egenskaper hos partikeln under det elektriska fältet domineras av den reella och imaginära delen av Clausius-Mossotti (CM) -faktorn. CM-faktorn beror på partiklarnas elektriska egenskaper och den omgivande vätskan, vilka uppenbaras av den karakteristiska frekvensen, c c = 2σ / aC DL , av DEP och EROT, där σ är vätskeledningsförmågan, a är partikelradien, Och C DL är kapacitansen hos det elektriska dubbelskiktet 15 , 16 . För att mäta EROT och DEP av partiklar behövs specialdesignade elektrodmatrismönster. Traditionellt används en fotolithografisk teknik för att skapa elektroduppsättningar och kräver en rad komplicerade procedurer, inklusive fotoresist spin-beläggning, maskjustering, exponering och utveckling 15 , 18 ,S = "xref"> 19 , 20 .
I denna artikel visas den snabba tillverkningen av elektrodmatriser genom direkt optisk patrering. Ett transparent tunnfilm-ITO-skikt, som är belagt på glassubstratet, avlägsnas partiellt av en fiberlasermärkningsmaskin (1,064 nm, 20 W, 90 till 120 ns pulsbredd och 20 till 80 kHz pulsrepetitionsfrekvens) för att bilda En fyrfaselektrodmatris. Avståndet mellan diagonala elektroder är 150-800 μm, vilket kan justeras för att passa experimenten. Fyrfaselektrodmatrisen kan användas för att karakterisera och koncentrera partiklar i olika mikrofluidiska anordningar 15 , 16 , 18 . För att generera det fyrfasiga elektriska fältet är elektrodmatrisen ansluten till en 2-kanalig funktionsgenerator och till två inverterare. Fasskiftet mellan de intilliggande elektroderna är inställt på antingen 90 ° (för EROT) eller 180 ° (för DEP) 15 . AC-signalen appliceras vid en 0,5 till 4 V pp spänningsamplitud, och frekvensen sträcker sig från 100 Hz till 5 MHz under operationsprocessen. Januspartiklar, metallpartiklar och kiseldioxidpartiklar används som prov för att mäta deras AC-elektrokinetiska egenskaper. Suspensioner av partiklarna placeras på mittområdet av elektrodmatrisen och observeras under ett inverterat optiskt mikroskop med ett 40X, NA 0,6-mål. Partikelrörelse och rotation registreras med en digitalkamera. DEP-rörelsen registreras i den ringformiga regionen, mellan 40 och 65 μm radiellt bort från matriscentret, och EROT spelas in i det cirkulära området 65 μm radiellt bort från matriscentret. Partikelhastighet och vinkelhastighet mäts med partikelspårningsmetoden. Partikelcentroiderna utmärks av gråskala eller geometri av partiklar med hjälp av programvara. Partikelhastigheten och vinkelhastigheten erhålls genomMäta rörelserna hos partikelcentroiderna.
Denna artikel tillhandahåller en enkel metod för att snabbt skapa godtyckliga mönstrade elektrodskivor. Det introducerar förberedelsen av helt eller delvis belagda metallpartiklar, som kan användas i olika områden, med användningsområden som sträcker sig från biologi till industriapplikationer.
Protocol
Representative Results
Discussion
Tillverkning av ITO-elektrodskivor med hjälp av fiberlasermarkeringsmaskinen ger en snabb metod att förbereda elektroder med godtyckliga mönster. Det finns emellertid fortfarande några nackdelar med denna metod, såsom färre laddningsbärare och den lägre tillverkningsnoggrannheten hos ITO-elektroder jämfört med metallelektroder skapade med traditionella metoder. Dessa nackdelar kan begränsa vissa experiment. Till exempel kan färre laddningsbärare påverka distributionen av det elektriska fältet när det fin…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Detta arbete stöddes av ministeriet för vetenskap och teknik, 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 |
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).
