使用快速制造的氧化铟锡电极阵列制备Janus粒子和交流电动势测量
2017年6月23日
在本文中，证明了使用快速制造的氧化铟锡（ITO）电极阵列制备部分或完全涂覆的金属颗粒和进行交流电动特性测量的简单方法。
该程序的总体目标是快速制备氧化铟锡电极并制备用于电动实验的金属涂层颗粒。该方法有助于电动力学领域的实验，如电旋转、介电泳和微流体。该技术的主要优点是它提供了一种快速便捷的方法来制造 ITO 电极和制备金属涂层颗粒。
要开始制造电极，请将一块干净的 25 毫米 x 50 毫米 ITO 涂层玻璃放在脉冲光纤激光雕刻机的载物台上。将激光器放置在 ITO 玻璃上方 279.5 毫米处。将电极模式导入仪器控制软件。
首先选择 Frame （框架）、Fill（填充）和 Fill（填充）。将雕刻速度设置为每秒 800 毫米，激光功率为 60%，频率为 40 千赫兹。预览雕刻图案，并手动调整玻璃位置以使图案在玻璃上居中。
图案居中后，执行雕刻以将导电表面划分为象限。使用聚酰亚胺胶带将绝缘绞合线固定到雕刻 ITO 玻璃的每个导电象限上。然后，使用双 BNC 连接器分离双功能发生器的每个通道输出。
为每个通道的一个输出配备一个反相运算放大器。要准备用于电旋转测量的电极阵列，首先将左上角的电极直接连接到第一个通道的双 BNC 连接器。将相应的逆变器输出连接到不相邻的电极。
然后，将左下角的电极连接到第二个通道。将相应的逆变器输出连接到最后一根导线，以产生相邻电极之间具有 90 度相移的电极阵列。要准备用于介电泳的电极阵列，请将倒置的第一个通道连接到左下角的电极。
将右下电极连接到第二个通道。将最后一个电极连接到相应的逆变器输出，以产生相邻电极之间具有 180 度相移的阵列。要开始制备 Janus 颗粒，请将两个微米二氧化硅颗粒的 10% 重量水悬浮液以 2， 200 倍 g 离心一分钟。
将 2 μL 所得沉淀二氧化硅颗粒转移到 1.5 mL 微量离心管中。向二氧化硅颗粒中加入 500 微升 99.5% 乙醇。对悬浮液超声处理 1 分钟，然后以 2， 200 倍 g 离心悬浮液 3 分钟。
倒出上清液，并向样品中再加入 500 μL 乙醇。再重复超声处理和离心 3 次，每次刷新乙醇。然后，倒出上清液并向样品中加入 8 μL 乙醇。
对样品进行超声处理 3 分钟。将两微升所得悬浮液移液到载玻片上。使用盖玻片将液滴缓慢分布在玻片上，以形成单层二氧化硅颗粒。
溶剂蒸发后，将玻片放入带有金靶材的溅射镀膜机中。以 15 毫安的剂量溅射涂覆载玻片 200 秒以制备 Janus 颗粒。在载玻片上涂抹 20 微升去离子水。
用 200 微升移液器吸头小心地去除 Janus 颗粒，使颗粒悬浮在水滴中。然后，将 Janus 颗粒悬浮液转移到 1.5 mL 微量离心管中。根据需要用去离子水稀释悬浮液，以达到适合实验的 Janus 颗粒浓度。
要开始制备全涂层金属颗粒，请将聚二甲基硅氧烷聚合物基及其固化剂以 10 比 1 的重量比混合在一起。将胶带贴在载玻片的边缘以形成容器。将 PDMS 混合物倒入带墙容器中，深度为 2 到 3 毫米。
在真空下对 PDMS 进行脱气 30 分钟，然后在 70 摄氏度下固化 PDMS 2 小时。然后，将固化的 PDMS 与胶带和载玻片分开，以获得光滑的 PDMS 印章。在载玻片上准备单层 Janus 颗粒。
然后，将 PDMS 压印光滑的一面朝下放在载玻片上，并施加均匀的压力以将 Janus 颗粒转移到压印上。小心地将载玻片与 PDMS 印章分开，以露出 Janus 颗粒的二氧化硅面。溅射在 PDMS 印章上的颗粒上涂上另一层薄薄的金，以获得完全涂层的颗粒。
使用一滴去离子水和移液器吸头将颗粒从邮票表面移出，以悬浮在液滴中。将悬浮液转移至微量离心管中，并根据需要稀释悬浮液。要开始实验，请用五张石蜡实验室胶片覆盖 ITO 四相电极阵列。
使用热风枪将石蜡层固定到电极阵列上，形成一个 500 微米的垫片。然后，将电极阵列放在带有 40X 0.6 NA 物镜的倒置显微镜的载物台上。将 8 微升颗粒悬浮液放在阵列的中心，并用盖玻片盖住。
对于电旋转实验，将函数发生器相移设置为 90 度，对于介电泳实验，将函数发生器相移设置为 0 度。选择一个正弦波作为波形，并设置峰峰值电压和频率。启动信号发生器，并使用倒置显微镜相机捕获粒子运动和旋转的图像。
使用图像处理软件确定粒子速度以进行进一步分析。对具有不同程度金涂层的二氧化硅颗粒进行交流电动性能测量。发现 Janus 粒子在低频时与电场旋转的方向相同，在高频时与反场旋转。
在特征频率下观察到最大角速度。裸露二氧化硅颗粒的电旋转测量显示，在所有测量频率下均存在共场旋转。在最低测量频率下观察到最大角速度。
相比之下，镀金二氧化硅颗粒在所有测量频率上都表现出反场旋转。在低于 Janus 粒子的特征频率下观察到镀金颗粒的最大角速度。总体而言，这些结果表明 Janus 粒子行为不能归因于简单的双半球叠加模型。
全金涂层颗粒的介电泳测量显示，在低频下为 N-介电泳响应，在高频下为 P-介电泳响应。分频频率与观察到最大角速度的特征频率非常匹配。开发后，这些技术为软物质领域的研究人员探索微流体合成中层流的电极冠层铺平了道路。
看完这个视频，你应该对如何使用激光打标机制作ITO电极和准备用于电动实验的金属涂层颗粒有了很好的了解。
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概述
本文演示了一种制备具有部分或全部涂层的金属颗粒并使用快速制造的氧化铟锡（ITO）电极阵列进行交流电动力学性质测量的方法。
关键研究组成部分
科学领域
- 电动力学
- 材料制造
- 微流体学
背景
- 电动力学技术对于操控微流体系统中的颗粒至关重要。
- 氧化铟锡（ITO）是一种广泛用于电极的导电材料。
- 快速制造方法可以提高实验效率。
- 金属涂层颗粒具有对各种应用有益的独特性质。
研究目的
- 提供一种便捷的ITO电极制造方法。
- 为电动力学实验准备金属涂层颗粒。
- 促进电旋转、介电泳和微流体研究。
使用的方法
- 使用脉冲光纤激光雕刻机制造ITO电极。
- 制备具有不同涂层的金属颗粒。
- 测量交流电动力学性质。
- 使用仪器控制软件导入模式。
主要结果
- 该方法允许快速高效地制造ITO电极。
- 可以精确制备金属涂层颗粒。
- 可以有效地进行交流电动力学测量。
- 该技术增强了电动力学实验的能力。
结论
- 所提出的方法简化了ITO电极和金属颗粒的制备。
- 为电动力学领域的研究人员提供了显著优势。
- 该方法可以推动微流体应用的发展。
常见问题
Executive Industry Relevance
This method enables rapid prototyping of electrode arrays and preparation of asymmetric particles for electrokinetic characterization, supporting early-stage target validation in biophysical screening. By reducing fabrication complexity, it accelerates assay development workflows for mechanistically de-risking particle-based therapeutic hypotheses. The approach enhances predictive confidence in lead identification by providing quantitative, reproducible electrokinetic readouts.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables interrogation of surface property asymmetry in Janus particles to clarify target engagement mechanisms.
- Operational Value: Supports functional validation of asymmetric biomarkers through controlled electrokinetic profiling.
Screening & Assay Development
- Scientific Value: Provides standardized, reproducible electrode arrays for consistent dielectrophoresis and electrorotation measurements.
- Operational Value: Facilitates high-throughput screening readiness via rapid ITO patterning and particle coating workflows.
Translational & Preclinical Research
- Scientific Value: Enables disease-relevant system modeling by characterizing particle electrokinetic responses under physiologically relevant conditions.
- Operational Value: Supports translational biomarker alignment through quantifiable electrokinetic signatures linked to surface modifications.
Pipeline & Workflow Integration
This method integrates into early discovery workflows by enabling rapid generation of validated particle systems and electrode platforms for downstream screening and mechanistic studies.
- Discovery Biology: Supports hypothesis testing of surface-modified particles through precise electrokinetic property measurements.
- Screening: Delivers assay-ready electrode arrays with high reproducibility for compound or particle library evaluation.
- Analytics: Generates quantitative dependent variable outputs (angular velocity, crossover frequency) for comparative condition analysis.
- Translational Research: Connects particle surface engineering to functional outputs via electrokinetic phenotyping in microfluidic environments.
- Enterprise Reuse: Establishes a reusable capability for electrode fabrication and particle preparation across multiple electrokinetic assays.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Predictive confidence in particle behavior, reduction of mechanistic ambiguity in asymmetric systems.
- Operational Value: Standardization, reproducibility, and scalability of electrode array fabrication.
- Strategic Value: Better go/no-go decisions in lead identification, capital efficiency, reduced late-stage biological risk.
- Portfolio Impact: Risk-adjusted prioritization based on electrokinetic profiling of particle variants.
Implementation Considerations
- Requires expertise in laser-based microfabrication and colloidal particle handling.
- Needs access to pulsed fiber laser engraving systems and sputter coating equipment.
- Demands cross-team standardization for electrode design and particle suspension protocols.
- Involves adaptation considerations for varying particle sizes, materials, and coating thicknesses.
- Practical limitations include electrode stability under prolonged AC fields and particle aggregation in suspension.
Biopharma FAQs
Chapters in this video
0:05
Title
0:39
Four-phase Indium Tin Oxide (ITO) Electrode Fabrication
9:14
Conclusion
7:59
Results: EROT and DEP Measurements of Janus Particles and Fully-coated Metallic Particles
3:00
Janus Particles Preparation
5:11
Metallic Particle Preparation
6:46
Alternative Current Electrokinetic Measurements
