Janus颗粒的制备及基于快速制备的氧化铟锡电极阵列的交流电动力学测量

摘要

本文展示了一种制备部分或完全包覆的金属颗粒的简单方法，以及利用快速制备的氧化铟锡（ITO）电极阵列进行交流电动力学性质测量的方法。

摘要

本文提供了一种简单的方法，用于制备部分或完全包覆的金属颗粒，并实现电极阵列的快速制备，从而促进微流控装置中的电学实验。Janus颗粒是一类具有不对称结构的颗粒，其两侧表面具有不同的性质。制备Janus颗粒时，首先通过干燥法形成一层二氧化硅颗粒的单层结构，然后利用溅射设备在每个颗粒的一侧沉积金（Au）。经过第二次包覆处理后，即可获得完全包覆的金属颗粒。为了分析Janus颗粒的电学表面特性，需进行交流电（AC）电动力学测量，例如介电电泳（DEP）和电旋转（EROT），这些实验需要在装置中使用特定设计的电极阵列。然而，传统的电极阵列制备方法（如光刻技术）需要一系列复杂的步骤。本文介绍了一种灵活的电极阵列制备方法：采用光纤激光打标机（1,064 nm，20 W，脉冲宽度90至120 ns，脉冲重复频率20至80 kHz）对氧化铟锡（ITO）玻璃进行图案化，以制备四相电极阵列。为了产生四相电场，将电极连接至双通道函数发生器和两个反相器。相邻电极之间的相位差设定为90°（用于EROT）或180°（用于DEP）。本文展示了使用四相ITO电极阵列进行交流电动力学测量的典型实验结果。

引言

Janus颗粒因其具有两张面孔的罗马神而得名，是一类两面具有不同物理或化学表面特性的非对称颗粒^1,2。由于这种非对称结构，Janus颗粒在电场下表现出特殊的响应行为，例如介电泳（DEP）^3,4,5,6、电旋转（EROT）²以及诱导电荷电泳（ICEP）^7,8,9。近年来，已有多种制备Janus颗粒的方法被报道，包括Pickering乳液法¹⁰、电液动力共射流法¹¹和微流控光聚合方法¹²。然而，这些方法通常需要一系列复杂的设备和操作步骤。本文介绍一种制备Janus颗粒及完全包覆金属颗粒的简便方法：通过干燥过程制备单层微米级二氧化硅颗粒，将其置于溅射设备中进行金（Au）镀膜；由于颗粒一半表面被遮....

方案

1. 微芯片的制备

1. ITO电极的制备
   1. 使用商业绘图软件绘制十字图案。将对角电极之间的距离设为 160 µm，十字图案的臂宽设为 30 mm，臂长设为 55 mm，如图所示 图1将插图文件另存为 DXF 文件。
   2. 使用玻璃刀将ITO玻璃裁剪至25 mm × 50 mm（宽度 × 长度）的尺寸。用75%乙醇和去离子水将ITO玻璃冲洗数次。
   3. 将ITO玻璃放置于脉冲光纤激光打标机上。通过调节ITO玻璃与激光之间的距离至279.5 mm，使激光聚焦于ITO玻璃表面。
      注意：此处使用的激光器参数如下：1,064 nm，20 W，脉冲宽度90至120 ns，脉冲重复频率20至80 kHz，脉冲光强度约为5 x 10⁵ W/cm²).
   4. 将插图文件（DXF 文件）直接输入至激光打标机的计算机中。点击 "标记参数" 按钮并输入以下参数：速度， "800 mm/s" 功率 "60%;" 频率 "40 kHz" 勾选 "帧，" "填充，" 和 "填充第一" 术语。
      1. 点击 "预览" 按钮，将图案定位在ITO玻璃中心。单击 "标记样本&....

结果

采用光纤激光打标机制造四相电极阵列。通过聚焦激光去除涂覆在玻璃上的ITO导电层，形成间隙为160 µm的十字图案，如图1B所示。

图1：ITO电极的制备。（A）使用光纤激光打标机（1,064 nm，20 W，90–120 ns脉宽，20–80 kHz脉冲重复频率）制备四相ITO电极的示意图。（B

讨论

使用光纤激光打标机制备ITO电极阵列提供了一种快速制备具有任意图案电极的方法。然而，该方法仍存在一些缺点，例如与传统方法制备的金属电极相比，ITO电极的载流子数量较少，且加工精度较低。这些缺点可能限制某些实验的应用。例如，当电极间距较大时，较少的载流子可能影响电场的分布。此外，图案化参数的调整是该方法中的关键步骤，直接影响ITO电极阵列的质量。例如，激光功率影响ITO导电层从玻璃基底上的去除效果；激光的频率和速度决定了ITO电极边缘的平滑程度。通常，合适的图案化参数需通过反复试验来确定。总之，该方法能够快速高效地在ITO玻璃上制备出任意图案的电极，可广泛应用于多种类型的电学实验及相关研究领域。

通过干燥法制备Janus颗粒和金属颗粒是一种简单且便捷的方法。与其他方法（如Pickering乳液法¹⁰、电液动力共喷法¹¹、微流控光聚合方法¹²以及化学合成法¹⁵）相比，该方法能够在短时间内制备大量颗.......

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
二氧化硅微球-2.34 µm	Bangs Laboratories	SS04N
乙醇（99.5%）	KATAYAMA CHEMICAL	E-0105
SYLGARD 184 A&B 硅橡胶弹性体（PDMS）	DOW CORNING		PDMS
ITO 玻璃	Luminescence Technology	LT-G001
光纤激光打标机	Taiwan 3Axle Technology	TAFB-R-20W
双通道函数发生器	Gwinsek	AFG-2225
CMOS 相机	Point Grey	GS3-U3-32S4M-C
溅射仪	JEOL	JFC-1100E
运算放大器	Texas Instruments	LM6361N	OP 反相器
超声波清洗机	桂林益源超声机械有限公司	DG-1
微量离心机	Scientific Specialties, Inc.		1.5ml
迷你离心机	LMS	MC-MCF-2360
显微镜盖玻片	Marienfeld-Superior		18*18mm
倒置光学显微镜	Olympus	OX-71
Parafilm 封口膜	bemis		间隔物