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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

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DOI：

10.3791/55950

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2017年6月23日

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1Institute of Applied Mechanics, National Taiwan University

本文内容

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挡，仅另一半表面被镀上Au2,13。随后，利用聚二甲基硅氧烷（PDMS）印章将该Janus颗粒单层转移，并通过第二次镀膜处理制备完全包覆的金属颗粒14。

为了表征Janus颗粒的电学特性，广泛使用不同的交流电动力学响应，例如介电泳（DEP）、电旋转（EROT）和电取向9,15,16,17,18,19。例如，EROT是指颗粒在外加旋转电场作用下产生的稳态旋转响应2,9,15,16。通过测量EROT，可以获得颗粒诱导偶极矩与电场之间的相互作用。DEP源于诱导偶极矩与非均匀电场之间的相互作用，能够导致颗粒运动3,4,5,9,15。不同类型的颗粒可被吸引至（正向DEP）或排斥离开（负向DEP）电极边缘，这在微流控器件中是一种操控和表征颗粒的通用方法。颗粒在电场作用下的平移（DEP）和旋转（EROT）特性分别由Clausius-Mossotti（CM）因子的实部和虚部决定。CM因子取决于颗粒及其周围液体的电学性质，这些性质可通过DEP和EROT的特征频率ωc = 2σ / aCDL反映出来，其中σ为液体电导率，a为颗粒半径，CDL为双电层电容15,16。为了测量颗粒的EROT和DEP，需要专门设计的电极阵列图案。传统上采用光刻技术制备电极阵列，该过程需经历一系列复杂步骤，包括光刻胶旋涂、掩模对准、曝光和显影15,18,19,20。

本文通过直接光学图案化技术演示了电极阵列的快速制备。在玻璃基底上涂覆的透明ITO薄膜层，利用光纤激光打标机（1,064 nm，20 W，脉冲宽度90至120 ns，脉冲重复频率20至80 kHz）部分去除，形成四相电极阵列。对角电极之间的距离为150–800 µm，可根据实验需求进行调整。该四相电极阵列可用于在不同微流控器件中表征和富集颗粒15,16,18。为产生四相电场，将电极阵列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）15。交流信号的电压幅值为0.5至4 Vpp，工作频率范围为100 Hz至5 MHz。采用Janus颗粒、金属颗粒和二氧化硅颗粒作为样品，测量其交流电动力学特性。将颗粒悬浮液置于电极阵列中心区域，并在倒置光学显微镜下使用40X、NA 0.6物镜进行观察。通过数字相机记录颗粒的运动与旋转行为。介电泳（DEP）运动在距阵列中心径向距离40至65 µm的环形区域记录，而电旋转（EROT）在距阵列中心径向距离65 µm的圆形区域记录。采用颗粒追踪法测量颗粒的速度和角速度。通过软件根据颗粒的灰度或几何形状区分颗粒质心，并通过测量质心位移获得颗粒速度和角速度。

本文提供了一种快速制备任意图案化电极阵列的简单方法。介绍了全涂覆或部分涂覆金属颗粒的制备过程，这些颗粒可用于从生物学到工业应用的多个领域。

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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" 按钮用于对 ITO 玻璃进行图案化处理（图1A).
  2. 设置四相发电机并连接实验微芯片
    1. 按照所示方式构建反相器电路 图2A.
    2. 通过胶带将四相电极上的4根导线直接接触连接，如图所示 图2C. 分成 "通道1" 使用双BNC连接器将函数发生器的输出分为两个支路。
      1. 将一个分支连接到附着在 ITO 电极上的导线（#1），另一个分支连接到反相器的输入端。将反相器的输出端连接到导线（#3），如图所示 图2B.
    3. 连接 "通道 2" 与步骤1.2.2采用相同操作，但按图示连接至导线（#2和#4） 图2B.
    4. 对于 EROT 实验，在函数发生器上将两个通道之间的相位差设置为 90°，并施加 0.5–4 V 的正弦波pp 电压幅度以及100 Hz至5 MHz范围内的频率进行实验，如图所示 图2D.
    5. 进行介电泳（DEP）实验时，将通道1的一端连接至连接在ITO电极上的导线（#1），另一端连接至反相器的输入端；将反相器的输出端连接至导线（#2）。通道2采用相同步骤连接，但分别连接至导线（#3和#4）。
    6. 将函数发生器上两个通道之间的相位差直接设置为 0°。施加 0.5–4 V 的正弦波pp 电压幅度以及100 Hz至5 MHz范围内的频率进行实验，如图所示 图2D.

2. 样品制备

  1. Janus 颗粒的制备
    1. 将 2 µm 二氧化硅颗粒水悬浮液（10% w/w）在 2,200 × g 条件下离心 1 分钟。
    2. 用移液器吸取 2 µL 沉淀的二氧化硅颗粒至 1.5 mL 微量离心管中，并加入 500 µL 乙醇（99.5% v/v）。
      注意：上清液无需弃去，只需在 4 °C 冰箱中保存即可。移液前无需重新悬浮。
    3. 使用超声仪（43 kHz，50 W）对乙醇-二氧化硅颗粒悬浮液超声处理 1 分钟，然后在 2,200 × g 条件下离心 3 分钟。
    4. 将上清液替换为 500 µL 乙醇，并重复步骤 2.1.3 三次。
    5. 将上清液替换为 8 µL 乙醇，使用超声仪（43 kHz，50 W）对乙醇-二氧化硅颗粒悬浮液超声处理 3 分钟。
      注意：此步骤中，管内应保留约 10 µL 的乙醇-二氧化硅颗粒悬浮液。
    6. 吸取 2 µL 乙醇-二氧化硅颗粒悬浮液，滴加到普通载玻片（宽度：25 mm，长度：75 mm，厚度：1.2 mm）上形成液滴。
      注意：此量的颗粒悬浮液足以制备 5–6 张载玻片的单层膜（每张载玻片使用 2 µL）。
    7. 用盖玻片缓慢轻拖乙醇-二氧化硅颗粒液滴，形成二氧化硅颗粒的单层膜（图 3A）。
    8. 将带有二氧化硅颗粒单层膜的载玻片放入溅射装置中进行金（Au）镀膜。
      1. 在 100 mTorr 条件下抽除溅射室中的空气，并通入氩气 10 分钟（以氩气置换空气）。停止通入氩气后，在 70 mTorr 条件下抽出腔室内的氩气。
      2. 设置电流为 15 mA，持续 200 秒（图 3B）；此步骤完成后，Janus 颗粒即已制备完成。
    9. 在溅射处理后的载玻片上滴加 20 µL 去离子水，使用普通的 200 µL 移液器吸头刮取单层膜上的 Janus 颗粒。
      注意：此步骤中，从单层膜上刮取的 Janus 颗粒悬浮于去离子水液滴中。
    10. 吸取 Janus 颗粒悬浮液液滴，并转移至另一支 1.5 mL 离心管中。
    11. 将 Janus 颗粒悬浮液用去离子水稀释至适合实验的浓度，用于样品制备。
      注意：本实验中所用颗粒悬浮液的浓度约为 2,000 个/µL。
  2. 全包覆金属颗粒的制备14
    1. 按 10:1 的质量比混合 PDMS 聚合物基体与固化剂。
    2. 用胶带围绕载玻片形成容器的侧壁。将 PDMS 混合物倒入贴好胶带的载玻片上，形成 2–3 mm 厚的 PDMS 层，如 图 4A 所示。
    3. 将贴好胶带的载玻片（容器）连同 PDMS 混合物放入密闭腔室，启动真空泵抽气 30 分钟，以去除 PDMS 混合物中的气泡。
    4. 将贴好胶带的载玻片（容器）连同 PDMS 混合物（步骤 2.2.3）放入烘箱，在 70 °C 下固化 2 小时，形成 PDMS 印模。
    5. PDMS 印模固化完成后，取下载玻片和胶带，获得 PDMS 印模，其原本与载玻片接触的表面形成平整表面，如 图 4B 所示。
    6. 按照步骤 2.1.1–2.1.8 在载玻片上制备 Janus 颗粒的单层膜。
    7. 使用 PDMS 印模的平整表面，在单层膜上均匀施压进行印模。
    8. 将带有 Janus 颗粒单层膜的 PDMS 印模（由步骤 2.1.8 中的载玻片翻转获得）放入溅射装置中进行金（Au）镀膜。
      1. 在 100 mTorr 条件下抽除溅射室中的空气，并通入氩气 10 分钟（以氩气置换空气）。停止通入氩气后，在 70 mTorr 条件下抽出腔室内的氩气。
      2. 设置电流为 15 mA，持续 200 秒（图 4C）；此步骤完成后，全包覆金属颗粒即已制备完成。
    9. 按照步骤 2.1.9–2.1.11 制备用于实验的样品。

3. 交流电动力学测量实验

  1. 用5层石蜡膜制备一个间隔垫。使用热风枪将ITO电极阵列与厚度为500 µm的膜间隔垫结合，并将电极放置在显微镜载物台上。
    1. 取8 µL在步骤2.1和2.2中制备的粒子悬浮液，滴加到叉指电极阵列的中心位置。将盖玻片放置在间隔垫上。
  2. 进行EROT实验时，在函数发生器上将两个通道之间的相位差设置为90°。实验过程中施加幅值为0.5–4 Vpp、频率范围为100 Hz至5 MHz的正弦波信号（依据步骤1.2.2–1.2.3中的连接方式）。
    1. 通过点击函数发生器上的"waveform"按钮选择波形。使用函数发生器上的数字按键输入电压和频率值，然后点击"output"按钮开启交流信号。
  3. 进行DEP实验时，将两个通道之间的相位差设置为0°。实验过程中施加幅值为0.5–4 Vpp、频率为100 Hz至5 MHz的正弦波信号（依据步骤1.2.5中的连接方式），函数发生器的设置参照步骤3.2.1。
  4. 点击"output"按钮开启交流信号，并使用配备40X、NA 0.6物镜的倒置光学显微镜和相机捕捉粒子运动与旋转的图像。
  5. 将粒子运动与旋转的图像输入软件，通过粒子追踪分析粒子轨迹，获得粒子的线速度和角速度。
    注：此处使用"Image J"软件及其"MultiTracker"插件进行图像二值化处理和粒子追踪。

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结果

四相电极阵列由光纤激光打标机制备而成。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。

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图 1：ITO 电极的制备。（A）使用光纤激光打标机（1,064 nm，20 W，90 至 120 ns 脉冲宽度，20 至 80 kHz 脉冲重复频率）制备四相 ITO 电极的示意图。（B）显微镜下观察的叉指电极阵列的明场图像。

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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...

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披露

作者无任何利益冲突需要披露。

致谢

本工作得到中国台湾科技事务主管部门的支持，项目编号为 NSC 103-2112-M-002-008-MY3。

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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 µmBangs LaboratoriesSS04N
乙醇（99.5%）KATAYAMA CHEMICALE-0105
SYLGARD 184 A&B 硅橡胶弹性体（PDMS）DOW CORNINGPDMS 
 ITO 玻璃Luminescence TechnologyLT-G001
光纤激光打标机Taiwan 3Axle TechnologyTAFB-R-20W
 双通道函数发生器GwinsekAFG-2225
CMOS 相机Point GreyGS3-U3-32S4M-C
溅射仪JEOLJFC-1100E
运算放大器Texas InstrumentsLM6361NOP 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LMSMC-MCF-2360
显微镜盖玻片Marienfeld-Superior18*18mm
倒置光学显微镜OlympusOX-71 
Parafilm 封口膜bemis间隔物

参考文献

  1. Walther, A., Müller, A. H. Janus particles. Soft Matter. 4 (4), 663-668 (2008).
  2. Chen, Y. -L., Jiang, H. -R. Electrorotation of a metallic coated Janus particle under AC electric fields. Appl Phys Lett. 109 (19), 191605(2016).
  3. 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).
  4. Gangwal, S., Cayre, O. J., Velev, O. D. Dielectrophoretic assembly of metallodielectric Janus particles in AC electric fields. Langmuir. 24 (23), 13312-13320 (2008).
  5. Zhang, L., Zhu, Y. Dielectrophoresis of Janus particles under high frequency ac-electric fields. Appl Phys Lett. 96 (14), 141902(2010).
  6. 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).
  7. Gangwal, S., Cayre, O. J., Bazant, M. Z., Velev, O. D. Induced-charge electrophoresis of metallodielectric particles. Phys Rev Lett. 100 (5), 058302(2008).
  8. 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).
  9. Ramos, A., García-Sánchez, P., Morgan, H. AC electrokinetics of conducting microparticles: A review. Curr Opin Colloid Interface Sci. 24, 79-90 (2016).
  10. Hong, L., Jiang, S., Granick, S. Simple method to produce Janus colloidal particles in large quantity. Langmuir. 22 (23), 9495-9499 (2006).
  11. Bhaskar, S., Hitt, J., Chang, S. W. L., Lahann, J. Multicompartmental microcylinders. Angewandte Chemie International Edition. 48 (25), 4589-4593 (2009).
  12. 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).
  13. 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).
  14. Pawar, A. B., Kretzschmar, I. Multifunctional patchy particles by glancing angle deposition. Langmuir. 25 (16), 9057-9063 (2009).
  15. 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).
  16. Ren, Y. K., Morganti, D., Jiang, H. Y., Ramos, A., Morgan, H. Electrorotation of metallic microspheres. Langmuir. 27 (6), 2128-2131 (2011).
  17. Jones, T. B., Jones, T. B. Electromechanics of particles. , Cambridge University Press. Cambridge, UK. (2005).
  18. Morganti, D. AC electrokinetic analysis of chemically modified microparticles. , University of Southampton. (2012).
  19. Morgan, H., Hughes, M. P., Green, N. G. Separation of submicron bioparticles by dielectrophoresis. Biophys J. 77 (1), 516-525 (1999).
  20. Ren, Y., et al. Induced-charge electroosmotic trapping of particles. Lab Chip. 15 (10), 2181-2191 (2015).

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ITO PDMS

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