Herstellung von Janus-Partikeln und Wechselstrom-Elektrokinetischen Messungen mit einem schnell gefertigten Indium-Zinn-Oxid-Elektroden-Array

Summary

In diesem Artikel wird ein einfaches Verfahren zur Herstellung von teilweise oder vollständig beschichteten metallischen Teilchen und zur Durchführung von elektrokinetischen Eigenschaftsmessungen mit einer schnell hergestellten Indiumzinnoxid (ITO) Elektrodenanordnung gezeigt.

Abstract

Dieser Artikel stellt ein einfaches Verfahren bereit, um teilweise oder vollständig beschichtete metallische Teilchen herzustellen und die schnelle Herstellung von Elektrodenanordnungen durchzuführen, die elektrische Experimente in mikrofluidischen Vorrichtungen erleichtern können. Janus-Partikel sind asymmetrische Partikel, die zwei unterschiedliche Oberflächeneigenschaften auf beiden Seiten enthalten. Zur Herstellung von Janus-Partikeln wird eine Monoschicht aus Siliciumdioxid-Partikeln durch ein Trocknungsverfahren hergestellt. Gold (Au) wird auf einer Seite jedes Teilchens unter Verwendung einer Zerstäubungsvorrichtung abgeschieden. Die vollständig beschichteten metallischen Partikel werden nach dem zweiten Beschichtungsprozess vervollständigt. Zur Analyse der elektrischen Oberflächeneigenschaften von Janus-Partikeln werden Wechselstrom- (AC) elektrokinetische Messungen wie Dielektrophorese (DEP) und Elektrorotation (EROT) durchgeführt, die spezifisch konstruierte Elektrodenarrays in der experimentellen Vorrichtung erfordern. Jedoch erfordern herkömmliche Verfahren zur Herstellung von Elektrodenanordnungen, wie die photolithographische Technik, eine ReiheKomplizierte Verfahren. Hier stellen wir eine flexible Methode zur Herstellung eines entworfenen Elektrodenarrays vor. Ein Indium-Zinnoxid (ITO) -Glas wird durch eine Faserlaser-Markierungsmaschine (1,064 nm, 20 W, 90 bis 120 ns Pulsbreite und 20 bis 80 kHz Pulswiederholfrequenz) gemustert, um ein Vierphasen-Elektroden-Array zu erzeugen. Um das Vierphasen-Feld zu erzeugen, sind die Elektroden mit einem 2-Kanal-Funktionsgenerator und mit zwei Invertern verbunden. Die Phasenverschiebung zwischen den benachbarten Elektroden wird entweder auf 90 ° (für EROT) oder 180 ° (für DEP) eingestellt. Repräsentative Ergebnisse von AC-Elektrokinetischen Messungen mit einem Vier-Phasen-ITO-Elektroden-Array werden vorgestellt.

Introduction

Janus-Partikel, benannt nach dem römischen Gott mit einer doppelten Fläche, sind asymmetrische Teilchen, deren zwei Seiten physikalisch oder chemisch unterschiedliche Oberflächeneigenschaften ^{1 , 2 haben} . Aufgrund dieses asymmetrischen Merkmals zeigen Janus-Partikel spezielle Reaktionen unter elektrischen Feldern wie DEP ^{3 , 4 , 5 , 6} , EROT ² und induzierte Ladungselektrophorese (ICEP) ^{7 , 8 , 9} . In letzter Zeit wurden mehrere Verfahren zur Herstellung von Janus-Partikeln beschrieben, einschließlich des Pickering-Emulsionsverfahrens ¹⁰ , des elektrohydrodynamischen Co-Jetting-Verfahrens ¹¹ und des mikrofluidischen Photopolymerisationsverfahrens ¹² . Diese Methoden erfordern jedoch eine Reihe von compGerichtete Geräte und Verfahren. Dieser Artikel stellt eine einfache Methode zur Herstellung von Janus-Partikeln und vollständig beschichteten metallischen Partikeln vor. Eine Monoschicht aus mikroskaligen Siliciumdioxidpartikeln wird in einem Trocknungsprozess hergestellt und in eine mit Au beschichtete Sputtervorrichtung gegeben. Eine Halbkugel des Teilchens ist schattiert, und nur die andere Hemisphäre ist mit Au ^{2 , 13} beschichtet. Die Monoschicht des Janus-Teilchens wird mit einem Polydimethylsiloxan (PDMS) -Stampfen versehen und dann mit einem zweiten Beschichtungsverfahren behandelt, um vollständig beschichtete metallische Teilchen ¹⁴ herzustellen.

Um die elektrischen Eigenschaften eines Janus-Teilchens zu charakterisieren, werden verschiedene AC-Elektrokinetische Reaktionen wie DEP, EROT und Elektro-Orientierung weit verbreitet ^{9 , 15 , 16 , 17 , 18 verwendet , 19 Beispielsweise ist EROT die stationäre Rotationsreaktion eines Teilchens unter einem extern auferlegten rotierenden elektrischen Feld 2 , 9 , 15 , 16 . Durch Messung der EROT kann die Wechselwirkung zwischen dem induzierten Dipol der Teilchen und den elektrischen Feldern erreicht werden. DEP, das aus der Wechselwirkung zwischen den induzierten Dipolen und einem ungleichförmigen elektrischen Feld entsteht, kann zur Teilchenbewegung 3 , 4 , 5 , 9 , 15 führen . Verschiedene Arten von Partikeln können von (positiven DEP) angezogen oder von (negativen DEP) der Elektrodenkanten abgestoßen werden, was als allgemeines Verfahren zur Manipulation und Charakterisierung von Partikeln in der mikrofluidischen Vorrichtung dient. Die Translations (DEP) und Rota (EROT) -Eigenschaften des Teilchens unter dem elektrischen Feld werden durch den Real- und Imaginärteil des Clausius-Mossotti (CM) -Faktors dominiert. Der CM-Faktor hängt von den elektrischen Eigenschaften der Partikel und der umgebenden Flüssigkeit ab, die sich aus der charakteristischen Frequenz ω _c = 2σ / aC _DL von DEP und EROT ergeben, wobei σ die Flüssigkeitsleitfähigkeit ist, a der Partikelradius, Und C _DL ist die Kapazität der elektrischen Doppelschicht 15 , 16 . Zur Messung der EROT und DEP von Partikeln werden speziell entwickelte Elektroden-Array-Muster benötigt. Herkömmlicherweise wird eine photolithographische Technik verwendet, um Elektrodenanordnungen zu erzeugen, und erfordert eine Reihe von komplizierten Prozeduren, einschließlich Photoresist-Schleuderbeschichtung, Maskenausrichtung, Belichtung und Entwicklung 15 , 18 ,S = "xref"> 19 , 20 .}

In diesem Artikel wird die schnelle Herstellung von Elektrodenanordnungen durch direkte optische Strukturierung demonstriert. Eine transparente Dünnfilm-ITO-Schicht, die auf das Glassubstrat aufgetragen wird, wird teilweise durch eine Faserlaser-Markierungsmaschine (1.064 nm, 20 W, 90 bis 120 ns Pulsbreite und 20 bis 80 kHz Pulswiederholfrequenz) entfernt Ein Vierphasen-Elektroden-Array. Der Abstand zwischen den Diagonalelektroden beträgt 150-800 μm, der an die Experimente angepasst werden kann. Die Vierphasen-Elektrodenanordnung kann verwendet werden, um Partikel in verschiedenen mikrofluidischen Vorrichtungen ^{15 , 16 , 18} zu charakterisieren und zu konzentrieren. Um das Vierphasen-Feld zu erzeugen, ist das Elektroden-Array mit einem 2-Kanal-Funktionsgenerator und mit zwei Invertern verbunden. Die Phasenverschiebung zwischen den benachbarten Elektroden wird entweder auf 90 ° (für EROT) oder 1 eingestellt80 ° (für DEP) ¹⁵ . Das Wechselstromsignal wird bei einer Amplitude von 0,5 bis 4 V _pp angelegt, und die Frequenz reicht von 100 Hz bis 5 MHz während des Betriebsprozesses. Janus-Partikel, metallische Partikel und Siliciumdioxid-Partikel werden als Proben verwendet, um ihre elektrokinetischen Eigenschaften zu messen. Suspensionen der Partikel werden auf den mittleren Bereich des Elektrodenarrays gelegt und unter einem invertierten optischen Mikroskop mit einem 40X, NA 0.6-Objektiv beobachtet. Partikelbewegung und Rotation werden mit einer Digitalkamera aufgenommen. Die DEP-Bewegung wird am ringförmigen Bereich zwischen 40 und 65 μm radial entfernt von der Array-Mitte aufgezeichnet und EROT wird im kreisförmigen Bereich, 65 μm radial entfernt von der Array-Mitte aufgezeichnet. Die Partikelgeschwindigkeit und die Winkelgeschwindigkeit werden nach dem Partikel-Tracking-Verfahren gemessen. Die Partikel-Zentroide zeichnen sich durch Graustufen oder Geometrie von Partikeln mit Software aus. Die Teilchengeschwindigkeit und die Winkelgeschwindigkeit werden durch erhaltenMessung der Bewegungen der Partikel-Zentroide.

Dieser Artikel stellt eine einfache Methode zur schnellen Herstellung von willkürlich gemusterten Elektrodenanordnungen bereit. Es stellt die Vorbereitung von vollständig oder teilweise beschichteten metallischen Partikeln vor, die in verschiedenen Bereichen eingesetzt werden können, mit Anwendungen, die von Biologie bis hin zu Industrieanwendungen reichen.

Protocol

1. Herstellung des Mikrochips

1. Vorbereitung der ITO-Elektrode
   1. Verwenden Sie kommerzielle Illustration Software, um ein Kreuzmuster zu zeichnen. Stellen Sie den Abstand zwischen den Diagonalelektroden auf 160 & mgr; m ein und machen Sie die Arme des Kreuzmusters 30 mm breit und 55 mm lang, wie in 1 gezeigt . Speichern Sie die Illustrationsdatei als DXF-Datei.
   2. Verwenden Sie einen Glasschneider, um das ITO-Glas auf eine Größe von 25 mm x 50 mm (Breite x Länge) zu schneiden. Verwenden Sie 75% Ethanol und DI Wasser, um das ITO-Glas mehrmals zu spülen.
   3. Setzen Sie das ITO-Glas auf die Pulsfaser-Lasermarkierungsmaschine. Fokussieren Sie den Laser auf die Oberfläche des ITO-Glases, indem Sie den Abstand zwischen dem ITO-Glas und dem Laser auf 279,5 mm einstellen.
      HINWEIS: Der hier verwendete Laser hat folgende Spezifikationen: 1.064 nm, 20 W, 90 bis 120 ns Pulsbreite und 20 bis 80 kHz Impulswiederholfrequenz mit einer Impulslichtintensität bei ca. 5 x 10 ⁵ W / cm ²).
   4. Laden Sie die Bilddatei (DXF-Datei) direkt auf den Computer der Lasermarkierungsmaschine. Klicken Sie auf die Schaltfläche "Parameter markieren" und geben Sie folgende Parameter ein: Geschwindigkeit, "800 mm / s"; Macht, "60%;" Und Frequenz, "40 kHz". Markiere den "Frame", "Fill" und "Fill First".
      1. Klicken Sie auf die Schaltfläche "Vorschau", um das Muster an der ITO-Glaszentrale zu positionieren. Klicken Sie auf die Schaltfläche "Stichprobe markieren", um das ITO-Glas zu kopieren ( Abbildung 1 A ).
2. Einrichten eines Vierphasengenerators und Verbinden des experimentellen Mikrochips
   1. Bauen Sie die Schaltkreise der Inverter, wie in Abbildung 2 gezeigt.
   2. Verbinden Sie die 4 Drähte auf der Vierphasenelektrode durch direkten Kontakt mit dem Band, wie in Abbildung 2 C gezeigt . Teilen Sie die "ChannEl 1 "des Funktionsgenerators in zwei Zweige mit einem Doppel-BNC-Stecker.
      1. Verbinden Sie einen Zweig mit dem Draht (# 1), der an der ITO-Elektrode und der andere an den Eingang des Inverters angeschlossen ist. Verbinden Sie den Ausgang des Inverters mit dem Draht (# 3), wie in Abbildung 2 B gezeigt .
   3. Verbinden Sie "Kanal 2" mit dem gleichen Verfahren wie in Schritt 1.2.2, aber verbinden Sie sich mit den Drähten (# 2 und # 4), wie in Abbildung 2 B gezeigt .
   4. Für die EROT-Experimente die Phasenverschiebung zwischen den beiden Kanälen auf 90 °, direkt am Funktionsgenerator einstellen. Eine Sinuswelle mit einer Amplitude von 0,5-4 Vpp und einer Frequenz von 100 Hz bis 5 MHz während der Experimente anwenden, wie in Abbildung 2 gezeigt.
   5. Für die DEP-Experimente, verbinden Sie einen Zweig von Kanal 1 mit dem Draht (# 1), der an der ITO-Elektrode und der anderen an derEingang des Inverters. Verbinden Sie den Ausgang des Inverters mit dem Draht (# 2). Verbinden Sie Kanal 2 mit dem gleichen Verfahren, aber verbinden Sie sich mit den Drähten (# 3 und # 4).
   6. Stellen Sie die Phasenverschiebung zwischen den 2 Kanälen bei 0 °, direkt am Funktionsgenerator ein. Eine Sinuswelle mit einer Amplitude von 0,5-4 Vpp und einer Frequenz von 100 Hz bis 5 MHz während der Experimente anwenden, wie in Abbildung 2 gezeigt.

2. Vorbereitung der Proben

1. Vorbereitung der Janus-Partikel
   1. Die 2 μm Siliciumdioxidteilchen-wässrige Suspension (10% Gew./Gew.) Bei 2.200 xg für 1 min zentrifugieren
   2. 2 & mgr; l sedimentäre Siliciumdioxidteilchen in ein 1,5 ml Mikrozentrifugenröhrchen pipettieren und 500 & mgr; l Ethanol (99,5% V / V) zugeben.
      HINWEIS: Der Überstand muss nicht weggeworfen werden; Nur bei 4 ° C im Kühlschrank lagern. Es muss nicht vor Pipettin resuspendiert werdenG.
   3. Die Ethanol-Siliciumdioxid-Partikel-Suspension wird mit einem Ultraschallgerät (43 kHz, 50 W) für 1 min inkubiert und dann bei 2.200 xg für 3 min zentrifugiert.
   4. Ersetzen Sie den Überstand mit 500 μl Ethanol und wiederholen Sie Schritt 2.1.3 dreimal.
   5. Ersetzen Sie den Überstand mit 8 μl Ethanol und schlagen Sie die Ethanol-Siliciumdioxid-Partikelsuspension mit einem Ultraschallgerät (43 kHz, 50 W) für 3 min auf.
      HINWEIS: Etwa 10 μl Ethanol-Siliciumdioxid-Partikel-Suspension sollten in diesem Schritt in der Röhre verbleiben.
   6. 2 μl Ethanol-Siliciumdioxid-Partikelsuspension pipettieren und auf einen normalen Glasschieber (Breite: 25 mm, Länge: 75 mm und Dicke: 1,2 mm) tropfen lassen, um ein Tröpfchen zu bilden.
      Hinweis: Diese Menge an Partikelsuspension reicht aus, um die Monoschichten für 5-6 Folien (2 μl für jede Folie) herzustellen.
   7. Ziehen Sie das Ethanol-Siliciumdioxid-Partikel-Tröpfchen langsam mit einem Deckglas ab, um eine Monoschicht aus Siliciumdioxid-Partikeln zu bilden ( Abbildung 3 A ).
   8. Setzen Sie den Objektträger mit der Monoschicht aus Siliciumdioxidteilchen in eine mit Au beschichtete Sputtervorrichtung.
      1. Entfernen Sie die Luft aus der Sputterkammer bei 100 mTorr und injizieren Sie Argon für 10 min (ersetzen Sie die Luft mit Argon). Stoppen Sie die Injektion von Argon und entfernen Sie dann das Argon aus der Kammer bei 70 mTorr.
      2. Setzen Sie den Strom auf 15 mA für 200 s. ( Fig. 3B ); Janus-Partikel werden bereits in diesem Schritt vorbereitet.
   9. 20 μl DI-Wasser auf die gesputterte Folie geben und die Janus-Partikel aus der Monoschicht mit einer normalen 200 μl Pipettenspitze kratzen.
      HINWEIS: Die Janus-Partikel, die von der Monoschicht abgeschabt wurden, hielten sich im DI-Wassertropfen bei diesem Schritt ab.
   10. Das Janus-Partikel-Suspensions-Tröpfchen pipettieren und in ein weiteres 1,5-ml-Zentrifugenröhrchen geben.
   11. Verwenden Sie die Janus-Partikel-Suspension, um die Probe durch Verdünnen mit DI-Wasser auf eine geeignete Konzentration zuzubereitenFür Experimente.
       HINWEIS: Die Konzentration der Partikelsuspension in den hier beschriebenen Versuchen beträgt etwa 2.000 Zählungen / μL.
2. Herstellung von vollständig beschichteten metallischen Partikeln ¹⁴
   1. Mischen Sie die PDMS-Polymerbasis und das Härtungsmittel in einem Gewichtsverhältnis von 10: 1.
   2. Tape um den Glasschieber um die Seitenwände des Behälters zu bilden. Gießen Sie die Mischung von PDMS auf einen geklebten Objektträger, um eine PDMS-Schicht von 2-3 mm zu erreichen, wie in Abbildung 4 A gezeigt .
   3. Setzen Sie den Taped Slide (Container) mit dem PDMS-Gemisch in eine luftdichte Kammer und führen Sie die Vakuumpumpe für 30 min, um die Blasen in der PDMS-Mischung zu entfernen.
   4. Setzen Sie den Taped Slide (Container) mit der PDMS Mischung (Schritt 2.2.3) in den Ofen. Die PDMS-Mischung bei 70 ° C für 2 h aushärten, um einen PDMS-Stempel zu bilden.
   5. Nachdem der PDMS-Stempel gehärtet ist, entfernen Sie die Folie und das Band, um den PDMS-Stempel, die Oberfläche zu erhaltenVon denen ursprünglich an den Glasschieber gebunden ist, wodurch eine flache Oberfläche gebildet wird, wie in Fig . 4B gezeigt.
   6. Folgen Sie den Schritten von 2.1.1-2.1.8, um eine Monoschicht von Janus-Partikeln auf einer Folie vorzubereiten.
   7. Benutze die flache Oberfläche des PDMS-Stempels, um die Monoschicht mit gleichmäßigem Druck zu stempeln.
   8. Setzen Sie den PDMS-Stempel mit der Monoschicht von Janus-Partikeln, die von dem in Schritt 2.1.8 hergestellten Glasschieber umgekehrt wird, in die mit Au beschichtete Sputtervorrichtung.
      1. Luft aus der Sputterkammer bei 100 mTorr entfernen und Argon für 10 min einspritzen (die Luft mit Argon ersetzen). Stoppen Sie die Injektion von Argon und entfernen Sie dann das Argon aus der Kammer bei 70 mTorr.
      2. Setzen Sie den Strom auf 15 mA für 200 s ( Abbildung 4 C ); Die vollständig beschichteten metallischen Partikel werden bereits bei diesem Schritt hergestellt.
   9. Folgen Sie den Schritten vom 2.1.9-2.1.11, um die Probe für Experimente vorzubereiten.

   3. Experimente zur AC-Elektrokinetischen Messung

   1. Wickeln Sie 5 Stück Paraffinfolie ein, um einen Spacer vorzubereiten. Kombinieren Sie das ITO-Elektroden-Array mit dem Film-Spacer von 500 μm Dicke mit einer Heißluftpistole und legen Sie die Elektrode auf die Mikroskopstufe.
      1. Drop 8 μl Partikelsuspension, die in den Schritten 2.1 und 2.2 hergestellt wurde, auf die Mitte der Querelektrodenanordnung. Legen Sie ein Deckglas auf den Abstandshalter.
   2. Für die EROT-Experimente setzen Sie auf dem Funktionsgenerator die Phasenverschiebung zwischen den 2 Kanälen auf 90 °. Für die Experimente (basierend auf der Verbindung in den Schritten 1.2.2-1.2.3) eine Sinuswelle mit einer Amplitude von 0,5-4 Vpp und einer Frequenz von 100 Hz bis 5 MHz anwenden.
      1. Wählen Sie die Wellenform, indem Sie auf die Schaltfläche "Wellenform" auf dem Funktionsgenerator klicken. Geben Sie den Spannungs- und Frequenzwert mit den nummerierten Tasten der Funktion einNerator und schalten Sie dann das AC-Signal ein, indem Sie auf die Schaltfläche "Ausgang" klicken.
   3. Für die DEP-Experimente die Phasenverschiebung zwischen den 2 Kanälen auf 0 ° einstellen. Für die Experimente (basierend auf den Anschlüssen in Schritt 1.2.5) eine Sinuswelle bei 0,5-4 Vpp Spannungsamplitude und eine Frequenz von 100 Hz bis 5 MHz einsetzen, indem der Funktionsgenerator wie in Schritt 3.2.1 aufgebaut wird.
   4. Schalten Sie das Wechselstromsignal ein, indem Sie auf die Schaltfläche "Ausgang" klicken und die Bilder der Partikelbewegung und Rotation unter einem invertierten optischen Mikroskop mit einem 40X, NA 0.6 Objektiv mit einer Kamera aufnehmen.
   5. Geben Sie die Bilder der Partikelbewegung und der Rotation an die Software ein und analysieren Sie die Trajektorie der Partikel durch Partikelverfolgung, um die Partikel- und Winkelgeschwindigkeiten zu erhalten.
      Hinweis: Die "Image J" -Software und ihr "MultiTracker" Plugin wurden hier für die Bildbinärisierung und Partikelverfolgung verwendet.

Results

Die Vierphasen-Elektrodenanordnung wird durch eine Faserlaser-Markierungsmaschine erzeugt. Die auf dem Glas beschichtete ITO-leitfähige Schicht wird durch einen Fokuslaser entfernt, um ein Kreuzmuster mit einem Spalt von 160 um zu bilden, wie in Fig . 1B gezeigt.

Discussion

Das Herstellen von ITO-Elektrodenanordnungen unter Verwendung der Faserlaser-Markierungsmaschine stellt eine schnelle Methode zur Herstellung von Elektroden mit beliebigen Mustern bereit. Allerdings gibt es noch einige Nachteile für dieses Verfahren, wie z. B. weniger Ladungsträger und die geringere Herstellungsgenauigkeit von ITO-Elektroden im Vergleich zu Metallelektroden, die durch herkömmliche Verfahren hergestellt wurden. Diese Nachteile könnten einige Experimente einschränken. Zum Beispiel könnten weniger Ladungst...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Siliziumdioxid-Mikrosphäre-2,34 & Mikro; m	Bangs Laboratories	SS04N
Ethylalkohol (99,5%)	KATAYAMA CHEMICAL	E-0105
SYLGARD 184 A& B Silikonelastomer (PDMS)	DOW CORNING		PDMS
ITO Glas	Lumineszenztechnologie	LT-G001
Faserlaser-Markiermaschine	Taiwan 3Axle Technology	TAFB-R-20W
2-Kanal Funktionsgenerator	Gwinsek	AFG-2225
CMOS Kamera	Point Grey	GS3-U3-32S4M-C
Sputter	JEOL	JFC-1100E
Operationsverstärker	Texas Instruments	LM6361N	OP Invertor
Ultraschallreiniger	Gui Lin Yiyuan Ultrasonic Machinery Co.	DG-1
Mikrozentrifuge	Scientific Specialties, Inc.		1,5 ml
Mini-Zentrifuge	LMS	MC-MCF-2360
Mikroskop-Deckglas	Marienfeld-Superior		18*18mm
Inverses optisches	Mikroskop Olympus	OX-71
Parafilm	bemis		Spacer