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

Das übergeordnete Ziel dieses Verfahrens ist es, Indiumzinnoxid-Elektroden schnell herzustellen und metallbeschichtete Partikel für elektrokinetische Experimente vorzubereiten. Diese Methode kann Experimente im elektrokinetischen Bereich erleichtern, wie z. B. Elektrorotation, Dielektrophorese und Mikrofluidik. Der Hauptvorteil dieser Technik besteht darin, dass sie eine schnelle und bequeme Methode zur Herstellung von ITO-Elektroden und zur Vorbereitung von Metallbeschichtungspartikeln bietet.

Um mit der Herstellung der Elektrode zu beginnen, legen Sie ein sauberes Stück 25 Millimeter x 50 Millimeter ITO-beschichtetes Glas auf die Bühne einer gepulsten Faserlaser-Graviermaschine. Positionieren Sie den Laser 279,5 Millimeter über dem ITO-Glas. Importieren Sie das Elektrodenmuster in die Gerätesteuerungssoftware.

Wählen Sie zuerst Rahmen, Füllung und Füllung 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 die Glasposition manuell an, um das Muster auf dem Glas zu zentrieren.

Sobald das Muster zentriert ist, führen Sie die Gravur durch, um die leitfähige Oberfläche in Quadranten zu unterteilen. Verwenden Sie Polyimidband, um einen isolierten Litzendraht an jedem leitfähigen Quadranten des gravierten ITO-Glases zu befestigen. Teilen Sie dann jeden Kanalausgang eines Generators mit zwei Funktionen mit doppelten BNC-Anschlüssen auf.

Statten Sie einen Ausgang jedes Kanals mit einem invertierenden Operationsverstärker aus. Um ein Elektrodenarray für Elektrorotationsmessungen vorzubereiten, schließen Sie zunächst die obere linke Elektrode direkt an den Doppel-BNC-Anschluss des ersten Kanals an. Verbinden Sie den entsprechenden Wechselrichterausgang mit der nicht benachbarten Elektrode.

Verbinden Sie dann die untere linke Elektrode mit dem zweiten Kanal. Verbinden Sie den entsprechenden Wechselrichterausgang mit dem letzten Draht, um ein Elektrodenarray mit einer 90-Grad-Phasenverschiebung zwischen benachbarten Elektroden zu erzeugen. Um ein Elektrodenarray für die Dielektrophorese vorzubereiten, verbinden Sie stattdessen den invertierten ersten Kanal mit der unteren linken Elektrode.

Verbinden Sie die untere rechte Elektrode mit dem zweiten Kanal. Verbinden Sie die letzte Elektrode mit dem entsprechenden Wechselrichterausgang, um ein Array mit einer Phasenverschiebung von 180 Grad zwischen benachbarten Elektroden zu erzeugen. Um mit der Vorbereitung der Janus-Partikel zu beginnen, zentrifugieren Sie eine Minute lang eine wässrige Suspension von zwei Mikrometer-Kieselsäurepartikeln mit 10 Gew.-% bei 2.200 g Partikeln.

Übertragen Sie zwei Mikroliter der resultierenden sedimentären Kieselsäurepartikel in ein 1,5-Milliliter-Mikrozentrifugenröhrchen. Fügen Sie 500 Mikroliter 99,5%iges Ethanol zu den Kieselsäurepartikeln hinzu. Die Suspension wird eine Minute lang beschallt und dann drei Minuten lang bei 2.200 g zentrifugiert.

Dekantieren Sie den Überstand und geben Sie weitere 500 Mikroliter Ethanol in die Probe. Wiederholen Sie die Beschallung und Zentrifugation noch drei weitere Male und erfrischen Sie das Ethanol jedes Mal. Dekantieren Sie dann den Überstand und geben Sie acht Mikroliter Ethanol in die Probe.

Beschallen Sie die Probe drei Minuten lang. Pipettieren Sie zwei Mikroliter der resultierenden Suspension auf einen Objektträger. Verwenden Sie einen Objektträger, um das Tröpfchen langsam über den Objektträger zu verteilen, um eine Monoschicht aus Kieselsäurepartikeln zu bilden.

Sobald das Lösungsmittel verdunstet ist, legen Sie den Objektträger in einen Sputter-Coater mit einem Goldtarget. Sputtern Sie den Objektträger 200 Sekunden lang bei 15 Milliampere, um die Januspartikel vorzubereiten. Tragen Sie 20 Mikroliter deionisiertes Wasser auf den Objektträger auf.

Entfernen Sie die Janus-Partikel vorsichtig mit einer 200-Mikroliter-Pipettenspitze, so dass die Partikel im Wassertropfen schweben. Übertragen Sie dann die Janus-Partikelsuspension in ein 1,5-Milliliter-Mikrozentrifugenröhrchen. Die Suspension wird bei Bedarf mit entionisiertem Wasser verdünnt, um eine für das Experiment geeignete Januspartikelkonzentration zu erreichen.

Um mit der Herstellung von vollständig beschichteten metallischen Partikeln zu beginnen, mischen Sie eine Polydimethylsiloxan-Polymerbasis und ihr Härter in einem Gewichtsverhältnis von 10 zu eins. Klebeband an den Rändern eines Objektträgers anbringen, um einen Behälter zu bilden. Gießen Sie die PDMS-Mischung bis zu einer Tiefe von zwei bis drei Millimetern in den klebebandigen Behälter.

Entgasen Sie das PDMS 30 Minuten lang unter Vakuum und härten Sie das PDMS zwei Stunden lang bei 70 Grad Celsius aus. Trennen Sie dann das ausgehärtete PDMS vom Klebeband und dem Objektträger, um einen glatten PDMS-Stempel zu erhalten. Bereiten Sie eine Monoschicht aus Janus-Partikeln auf einem Objektträger vor.

Legen Sie dann den PDMS-Stempel mit der glatten Seite nach unten auf den Objektträger und üben Sie gleichmäßigen Druck aus, um die Januspartikel auf den Stempel zu übertragen. Trennen Sie den Objektträger vorsichtig vom PDMS-Stempel, um die Kieselsäureflächen der Januspartikel freizulegen. Sputtern Sie die Partikel auf dem PDMS-Stempel mit einer weiteren dünnen Goldschicht, um die vollständig beschichteten Partikel zu erhalten.

Verwenden Sie ein Tröpfchen deionisiertes Wasser und eine Pipettenspitze, um die Partikel von der Stempeloberfläche zu lösen, die in dem Tröpfchen suspendiert werden sollen. Übertragen Sie die Suspension in ein Mikrozentrifugenröhrchen und verdünnen Sie die Suspension nach Bedarf. Zu Beginn des Experiments wird das vierphasige Elektrodenarray ITO mit fünf Blättern Paraffin-Laborfolie abgedeckt.

Verwenden Sie eine Heißluftpistole, um die Paraffinschichten auf dem Elektrodenarray zu befestigen, so dass ein 500-Mikrometer-Abstandshalter entsteht. Platzieren Sie dann das Elektrodenarray auf dem Tisch eines inversen Mikroskops mit einer 40X 0,6 NA-Objektivlinse. Platzieren Sie acht Mikroliter einer Partikelsuspension in der Mitte des Arrays und decken Sie es mit einem Deckglas ab.

Stellen Sie die Phasenverschiebung des Funktionsgenerators für ein Elektrorotationsexperiment auf 90 Grad oder für ein Dielektrophoreseexperiment auf null Grad ein. Wählen Sie eine Sinuswelle als Wellenform aus und stellen Sie die Spitze-Spitze-Spannung und -Frequenz ein. Starten Sie den Signalgenerator und verwenden Sie die Kamera des inversen Mikroskops, um Bilder von Teilchenbewegungen und -drehungen aufzunehmen.

Verwenden Sie eine Bildverarbeitungssoftware, um die Partikelgeschwindigkeiten für die weitere Analyse zu bestimmen. Messungen der elektrokinetischen Eigenschaften von Wechselstrom wurden an Siliziumdioxidpartikeln mit unterschiedlichem Grad an Goldbeschichtung durchgeführt. Es wurde festgestellt, dass Janusteilchen bei niedrigen Frequenzen in die gleiche Richtung wie das elektrische Feld rotieren und bei höheren Frequenzen ein Gegenfeld bilden.

Die maximale Winkelgeschwindigkeit wurde bei einer charakteristischen Frequenz beobachtet. Elektrorotationsmessungen von blanken Siliziumdioxidpartikeln zeigten eine Gleichfeldrotation bei allen gemessenen Frequenzen. Die maximale Winkelgeschwindigkeit wurde bei der niedrigsten gemessenen Frequenz beobachtet.

Im Gegensatz dazu zeigten goldbeschichtete Siliziumdioxidpartikel bei allen gemessenen Frequenzen eine Gegenfeldrotation. Die maximale Winkelgeschwindigkeit für die goldbeschichteten Partikel wurde bei einer niedrigeren charakteristischen Frequenz als bei den Janus-Partikeln beobachtet. Insgesamt deuteten diese Ergebnisse darauf hin, dass das Verhalten der Janus-Teilchen nicht auf ein einfaches Überlagerungsmodell mit zwei Hemisphären zurückgeführt werden konnte.

Dielektrophoresemessungen der vollständig goldbeschichteten Partikel zeigten eine N-Dielektrophorese-Reaktion bei niedrigen Frequenzen und eine P-Dielektrophorese-Reaktion bei hohen Frequenzen. Die Trennfrequenz entsprach weitgehend der charakteristischen Frequenz, bei der die maximale Winkelgeschwindigkeit beobachtet worden war. Nach ihrer Entwicklung ebneten diese Techniken den Weg für die Forscher auf dem Gebiet der weichen Materie, um das Elektrodendach für laminare Synthesen in der mikrofluidischen Synthese zu erforschen.

Nachdem Sie sich dieses Video angesehen haben, sollten Sie ein gutes Verständnis dafür haben, wie man ITO-Elektroden mit einer Laserbeschriftungsmaschine herstellt und Metallschichtpartikel für elektrokinetische Experimente vorbereitet.