Name: Herstellung von Janus-Partikeln und Wechselstrom-Elektrokinetischen Messungen mit einem schnell gefertigten Indium-Zinn-Oxid-Elektroden-Array (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2017-06-23T14:00:00.000+00:00
Duration: 9 min 55 s
Description: Lernen Sie die schnelle Herstellung von Indium-Zinn-Oxid-Elektroden und die Präparation metallbeschichteter Partikel für elektrokinetische Experimente. Diese Methode ermöglicht präzise AC-Elektrokinetik-Messungen in der Mikrofluidik.

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Diese Arbeit wurde vom Ministerium für Wissenschaft und Technologie, Taiwan, ROC, unter Grant NSC 103-2112-M-002-008-MY3 unterstützt.

1. Herstellung des Mikrochips <ol><li> Vorbereitung der ITO-Elektrode <ol><li> Verwenden Sie kommerzielle Illustration Software, um ein Kreuzmuster zu zeichnen. Stellen Sie den Abstand zwischen den Diagonalelektroden auf 160 &amp; 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. </li><li> 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. </li><li> 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). </li><li> Laden Sie die Bilddatei (DXF-Datei) direkt auf den Computer der Lasermarkierungsmaschine. Klicken Sie auf die Schaltfläche &quot;Parameter markieren&quot; und geben Sie folgende Parameter ein: Geschwindigkeit, &quot;800 mm / s&quot;; Macht, &quot;60%;&quot; Und Frequenz, &quot;40 kHz&quot;. Markiere den &quot;Frame&quot;, &quot;Fill&quot; und &quot;Fill First&quot;. <ol><li> Klicken Sie auf die Schaltfläche &quot;Vorschau&quot;, um das Muster an der ITO-Glaszentrale zu positionieren. Klicken Sie auf die Schaltfläche &quot;Stichprobe markieren&quot;, um das ITO-Glas zu kopieren ( Abbildung 1 A ). </li></ol></li></ol></li><li> Einrichten eines Vierphasengenerators und Verbinden des experimentellen Mikrochips <ol><li> Bauen Sie die Schaltkreise der Inverter, wie in Abbildung 2 gezeigt. </li><li> Verbinden Sie die 4 Drähte auf der Vierphasenelektrode durch direkten Kontakt mit dem Band, wie in Abbildung 2 C gezeigt . Teilen Sie die &quot;ChannEl 1 &quot;des Funktionsgenerators in zwei Zweige mit einem Doppel-BNC-Stecker. <ol><li> 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 . </li></ol></li><li> Verbinden Sie &quot;Kanal 2&quot; 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 . </li><li> 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. </li><li> 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). </li><li> 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. </li></ol></li></ol> 2. Vorbereitung der Proben <ol><li> Vorbereitung der Janus-Partikel <ol><li> Die 2 μm Siliciumdioxidteilchen-wässrige Suspension (10% Gew./Gew.) Bei 2.200 xg für 1 min zentrifugieren </li><li> 2 &amp; mgr; l sedimentäre Siliciumdioxidteilchen in ein 1,5 ml Mikrozentrifugenröhrchen pipettieren und 500 &amp; 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. </li><li> 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. </li><li> Ersetzen Sie den Überstand mit 500 μl Ethanol und wiederholen Sie Schritt 2.1.3 dreimal. </li><li> 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. </li><li> 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. </li><li> Ziehen Sie das Ethanol-Siliciumdioxid-Partikel-Tröpfchen langsam mit einem Deckglas ab, um eine Monoschicht aus Siliciumdioxid-Partikeln zu bilden ( Abbildung 3 </stRong&gt; A ). </li><li> Setzen Sie den Objektträger mit der Monoschicht aus Siliciumdioxidteilchen in eine mit Au beschichtete Sputtervorrichtung. <ol><li> 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. </li><li> Setzen Sie den Strom auf 15 mA für 200 s. ( Fig. 3B ); Janus-Partikel werden bereits in diesem Schritt vorbereitet. </li></ol></li><li> 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. </li><li> Das Janus-Partikel-Suspensions-Tröpfchen pipettieren und in ein weiteres 1,5-ml-Zentrifugenröhrchen geben. </li><li> 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. </li></ol></li><li> Herstellung von vollständig beschichteten metallischen Partikeln 14 <ol><li> Mischen Sie die PDMS-Polymerbasis und das Härtungsmittel in einem Gewichtsverhältnis von 10: 1. </li><li> 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 . </li><li> 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. </li><li> 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. </li><li> 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. </li><li> Folgen Sie den Schritten von 2.1.1-2.1.8, um eine Monoschicht von Janus-Partikeln auf einer Folie vorzubereiten. </li><li> Benutze die flache Oberfläche des PDMS-Stempels, um die Monoschicht mit gleichmäßigem Druck zu stempeln. </li><li> 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. <ol><li> 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. </li><li> Setzen Sie den Strom auf 15 mA für 200 s ( Abbildung 4 C ); Die vollständig beschichteten metallischen Partikel werden bereits bei diesem Schritt hergestellt. </li></ol></li><li> Folgen Sie den Schritten vom 2.1.9-2.1.11, um die Probe für Experimente vorzubereiten. </li> &lt;/ Ol&gt; </li></ol> 3. Experimente zur AC-Elektrokinetischen Messung <ol><li> 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. <ol><li> 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. </li></ol></li><li> 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. <ol><li> Wählen Sie die Wellenform, indem Sie auf die Schaltfläche &quot;Wellenform&quot; 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 &quot;Ausgang&quot; klicken. </li></ol></li><li> 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. </li><li> Schalten Sie das Wechselstromsignal ein, indem Sie auf die Schaltfläche &quot;Ausgang&quot; klicken und die Bilder der Partikelbewegung und Rotation unter einem invertierten optischen Mikroskop mit einem 40X, NA 0.6 Objektiv mit einer Kamera aufnehmen. </li><li> 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 &quot;Image J&quot; -Software und ihr &quot;MultiTracker&quot; Plugin wurden hier für die Bildbinärisierung und Partikelverfolgung verwendet. </li></ol>

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</ol>

Die Autoren haben nichts zu offenbaren.

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...

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 <sUp&gt;, 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<html> (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 = &quot;xref&quot;&gt; 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.

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

herstellung von janus-partikeln und wechselstrom-elektrokinetischen messungen mit einem schnell gefertigten indium-zinn-oxid-elektroden-array

Preparation of Janus Particles and Alternating Current Electrokinetic Measurements with a Rapidly Fabricated Indium Tin Oxide Electrode Array

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.

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. <img alt="Abbildung 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/55950/55950fig1.jpg" /> <strong class="...

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.

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

This article provides a simple method to prepare partially or fully coated metallic particles and to perform the rapid fabrication of electrode arrays, ...

Das übergeordnete Ziel dieses Verfahrens besteht darin, Indium-Zinn-Oxid-Elektroden rasch herzustellen und metallbeschichtete Partikel für elektrokinetische Experimente vorzubereiten. Diese Methode kann Experimente im Bereich der Elektrokinetik, wie Elektrorotation, Dielektrophorese und Mikrofluidik, erleichtern. Der Hauptvorteil dieser Technik liegt darin, dass sie eine schnelle und praktische Methode zur Herstellung von ITO-Elektroden und zur Vorbereitung metallbeschichteter Partikel bietet.Um mit der Herstellung der Elektrode zu beginnen, platzieren Sie ein sauberes Stück ITO-beschichtetes Glas der Größe 25 Millimeter mal 50 Millimeter auf dem Tisch einer gepulsten Faserlaser-Gravurmaschine. Positionieren Sie den Laser 279,5 Millimeter über dem ITO-Glas. Importieren Sie das Elektrodenmuster in die Instrumentensteuerungssoftware.Wählen Sie Rahmen, Füllen und Erstes Füllen aus. Stellen Sie die Gravurgeschwindigkeit auf 800 Millimeter pro Sekunde, die Laserleistung auf 60 % und die Frequenz auf 40 Kilohertz ein. Zeigen Sie eine Vorschau des Gravurmusters an und passen Sie manuell die Glasposition an, um das Muster mittig auf dem Glas zu positionieren.Nachdem das Muster zentriert ist, führen Sie die Gravur durch, um die leitfähige Oberfläche in Quadranten zu unterteilen. Befestigen Sie mit Polyimidband einen isolierten Litzenkabel an jedem leitfähigen Quadranten des gravierten ITO-Glases. Anschließend teilen Sie jeden Kanalausgang eines Zweifunktionsgenerators mit doppelten BNC-Steckverbindern auf.Rüsten Sie einen Ausgang jedes Kanals mit einem invertierenden Operationsverstärker aus. Um ein Elektrodenarray für Elektrorotationsmessungen vorzubereiten, verbinden Sie zunächst die obere linke Elektrode direkt mit dem Doppel-BNC-Stecker des ersten Kanals. Verbinden Sie den entsprechenden Inverterausgang mit der nicht benachbarten Elektrode.Verbinden Sie dann die linke untere Elektrode mit dem zweiten Kanal. Verbinden Sie den entsprechenden Inverterausgang mit dem letzten Draht, um ein Elektrodenarray mit einer Phasenverschiebung von 90 Grad zwischen benachbarten Elektroden zu erzeugen. Um ein Elektrodenarray für die Dielektrophorese vorzubereiten, verbinden Sie stattdessen den invertierten ersten Kanal mit der linken unteren Elektrode.Verbinden Sie die untere rechte Elektrode mit dem zweiten Kanal. Verbinden Sie die letzte Elektrode mit dem entsprechenden Inverterausgang, um ein Array mit einer Phasenverschiebung von 180 Grad zwischen benachbarten Elektroden zu erzeugen. Um mit der Herstellung der Janus-Partikel zu beginnen, zentrifugieren Sie eine wässrige Suspension mit zwei Mikrometer großen Silicapartikeln mit einem Gewichtsanteil von 10 % bei 2.200 × g für eine Minute.Überführen Sie zwei Mikroliter der resultierenden sedimentären Kieselpartikel in ein 1,5-Milliliter-Mikrozentrifugenröhrchen. Geben Sie 500 Mikroliter 99,5 % Ethanol zu den Kieselpartikeln hinzu. Sonizieren Sie die Suspension eine Minute lang und zentrifugieren Sie sie anschließend bei 2.200 × g für drei Minuten.Decantieren Sie den Überstand und geben Sie weitere 500 Mikroliter Ethanol zur Probe hinzu. Wiederholen Sie die Beschallung und Zentrifugation dreimal, wobei jedes Mal frisches Ethanol verwendet wird. Danach decantieren Sie den Überstand und geben acht Mikroliter Ethanol zur Probe hinzu.Sonifizieren Sie die Probe drei Minuten lang. Pipettieren Sie zwei Mikroliter der resultierenden Suspension auf einen Objektträger. Verwenden Sie ein Deckglas, um den Tropfen langsam über den Objektträger zu verteilen, sodass sich eine Monolage aus Kieselpartikeln bildet.Nachdem das Lösungsmittel verdunstet ist, wird der Objektträger in einen Sputter-Coater mit Goldtarget eingelegt. Der Objektträger wird 200 Sekunden lang bei 15 Milliampere beschichtet, um die Janus-Partikel herzustellen. Tragen Sie 20 Mikroliter entionisiertes Wasser auf den Objektträger auf.L&ouml;sen Sie die Janus-Partikel vorsichtig mit einer 200-Mikroliter-Pipettenspitze, sodass die Partikel in dem Wassertropfen suspendiert sind. &Uuml;berf&uuml;hren Sie dann die Janus-Partikelsuspension in ein 1,5-Milliliter-Mikrozentrifugenr&ouml;hrchen. Verd&uuml;nnen Sie die Suspension bei Bedarf mit entionisiertem Wasser, um eine geeignete Janus-Partikelkonzentration f&uuml;r das Experiment zu erreichen.Um vollständig beschichtete metallische Partikel herzustellen, mischen Sie eine Polydimethylsiloxan-Polymerbasis mit ihrem Härter im Gewichtsverhältnis 10 zu 1. Bringen Sie Klebeband an den Rändern eines Objektträgers an, um einen Behälter zu bilden. Gießen Sie die PDMS-Mischung in den mit Klebeband begrenzten Behälter bis zu einer Tiefe von zwei bis drei Millimetern ein.Entgasen Sie das PDMS unter Vakuum für 30 Minuten und härten Sie das PDMS bei 70 Grad Celsius für zwei Stunden aus. Trennen Sie danach das ausgehärtete PDMS von dem Klebeband und dem Objektträger, um einen glatten PDMS-Stempel zu erhalten. Bereiten Sie eine Monolage aus Janus-Partikeln auf einem Glasobjektträger vor.Danach das PDMS-Prägeteil glatte Seite nach unten auf den Objektträger legen und gleichmäßigen Druck ausüben, um die Janus-Partikel auf das Prägeteil zu übertragen. Den Objektträger vorsichtig vom PDMS-Prägeteil trennen, um die Silica-Oberflächen der Janus-Partikel freizulegen. Die Partikel auf dem PDMS-Prägeteil mit einer weiteren dünnen Goldschicht durch Sputtern beschichten, um vollständig beschichtete Partikel zu erhalten.Verwenden Sie einen Tropfen deionisiertes Wasser und eine Pipettenspitze, um die Partikel von der Stempeloberfläche zu lösen, sodass sie in dem Tropfen suspendiert werden. Überführen Sie die Suspension in ein Mikrozentrifugenröhrchen und verdünnen Sie die Suspension nach Bedarf. Um das Experiment zu beginnen, bedecken Sie die ITO-Vier-Phasen-Elektrodenanordnung mit fünf Lagen Paraffin-Laborfolie.Verwenden Sie eine Heißluftpistole, um die Paraffinschichten auf dem Elektrodenarray zu fixieren, wodurch ein 500-Mikrometer-Abstandshalter entsteht. Anschließend platzieren Sie das Elektrodenarray auf dem Objektträger eines invertierten Mikroskops mit einer 40X-0,6-NA-Objektivlinse. Geben Sie acht Mikroliter einer Partikelsuspension in die Mitte des Arrays und bedecken Sie es mit einem Deckglas.Stellen Sie die Phasenverschiebung des Funktionsgenerators auf 90 Grad für ein Elektrorotations-Experiment oder auf null Grad für ein Dielektrophorese-Experiment ein. Wählen Sie eine Sinuswelle als Wellenform und stellen Sie die Spitze-zu-Spitze-Spannung sowie die Frequenz ein. Schalten Sie den Signalgenerator ein und verwenden Sie die Kamera des invertierten Mikroskops, um Bilder der Teilchenbewegung und -rotation aufzuzeichnen.Verwenden Sie Bildverarbeitungssoftware, um die Partikelgeschwindigkeiten für eine weitere Analyse zu bestimmen. Messungen der elektrokinetischen Eigenschaften mit Wechselstrom wurden an Silicapartikeln mit unterschiedlichem Goldbeschichtungsgrad durchgeführt. Es wurde festgestellt, dass Janus-Partikel bei niedrigen Frequenzen in dieselbe Richtung wie das elektrische Feld rotieren und bei höheren Frequenzen gegenläufig zum Feld.Die maximale Winkelgeschwindigkeit wurde bei einer charakteristischen Frequenz beobachtet. Elektrorotationsmessungen von unbeschichteten Silicapartikeln zeigten bei allen gemessenen Frequenzen eine Mitfeldrotation. Die maximale Winkelgeschwindigkeit wurde bei der niedrigsten gemessenen Frequenz beobachtet.Im Gegensatz dazu zeigten goldbeschichtete Silicapartikel bei allen gemessenen Frequenzen eine gegenfeldige Rotation. Die maximale Winkelgeschwindigkeit für die goldbeschichteten Partikel wurde bei einer niedrigeren charakteristischen Frequenz beobachtet als bei den Janus-Partikeln. Insgesamt legten diese Ergebnisse nahe, dass das Verhalten der Janus-Partikel nicht auf ein einfaches Überlagerungsmodell aus zwei Hemisphären zurückgeführt werden konnte.Die Dielektrophorese-Messungen der vollständig goldbeschichteten Partikel zeigten eine N-Dielektrophorese-Reaktion bei niedrigen Frequenzen und eine P-Dielektrophorese-Reaktion bei hohen Frequenzen. Die Übergangsfrequenz stimmte gut mit der charakteristischen Frequenz überein, bei der die maximale Winkelgeschwindigkeit beobachtet worden war. Nach ihrer Entwicklung ebneten diese Techniken den Forschern auf dem Gebiet der weichen Materie den Weg, um Elektrodenverkleidungen für laminare Strömungen in der mikrofluidischen Synthese zu untersuchen.Nachdem Sie sich dieses Video angesehen haben, sollten Sie ein gutes Verständnis dafür haben, wie man eine ITO-Elektrode mit einer Laserbeschriftungsmaschine herstellt und metallbeschichtete Partikel für elektrokinetische Experimente vorbereitet.

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Forschung

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Ingenieurwesen

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Herstellung von Janus-Partikeln und Wechselstrom-Elektrokinetischen Messungen mit einem schnell gefertigten Indium-Zinn-Oxid-Elektroden-Array (Video) | JoVE Journal

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

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