Preparación de partículas de Janus y mediciones electrocinéticas de corriente alterna con una matriz de electrodos de óxido de estaño de índices fabricados rápidamente

Resumen

En este artículo, se demuestra un método sencillo para preparar partıculas metálicas parcialmente o completamente revestidas y para realizar mediciones de propiedad electrocinética de CA con una disposición de electrodo de óxido de indio y esta~no (ITO) fabricado rápidamente.

Resumen

Este artículo proporciona un método simple para preparar partıculas metálicas parcialmente o completamente revestidas y para realizar la fabricación rápida de conjuntos de electrodos, que pueden facilitar experimentos eléctricos en dispositivos microfluídicos. Las partículas de Janus son partículas asimétricas que contienen dos propiedades de superficie diferentes en sus dos lados. Para preparar partıculas de Janus, se prepara una monocapa de partıculas de sılice mediante un proceso de secado. El oro (Au) se deposita en un lado de cada partícula usando un dispositivo de pulverización catódica. Las partículas metálicas totalmente recubiertas se completan después del segundo proceso de revestimiento. Para analizar las propiedades eléctricas de las partículas de Janus, se realizan mediciones electrocinéticas de corriente alterna (AC), como la dielectroforesis (DEP) y la electrorreformación (EROT), que requieren conjuntos de electrodos diseñados específicamente en el dispositivo experimental. Sin embargo, los métodos tradicionales para fabricar matrices de electrodos, como la técnica fotolitográfica, requieren una serieDe procedimientos complicados. Aquí, introducimos un método flexible para fabricar una matriz de electrodos diseñada. Un vidrio de óxido de estaño de indio (ITO) está modelado por una máquina de marcado por láser de fibra (1.064 nm, 20 W, anchura de impulso de 90 a 120 ns y frecuencia de repetición de pulso de 20 a 80 kHz) para crear un conjunto de electrodos de cuatro fases. Para generar el campo eléctrico de cuatro fases, los electrodos están conectados a un generador de funciones de 2 canales ya dos inversores. El desplazamiento de fase entre los electrodos adyacentes se establece en 90 ° (para EROT) o 180 ° (para DEP). Se presentan resultados representativos de mediciones electrocinéticas de CA con un conjunto de electrodos de ITO de cuatro fases.

Introducción

Las partículas de Janus, nombradas después del dios romano con una cara doble, son partículas asimétricas cuyos dos lados tienen propiedades superficiales físicamente o químicamente diferentes ^{1 , 2} . Debido a esta característica asimétrica, las partículas de Janus exhiben respuestas especiales bajo campos eléctricos, tales como DEP ^{3 , 4 , 5 , 6} , EROT ² , y electroforesis de carga inducida (ICEP) ^{7 , 8 , 9} . Recientemente, se han descrito varios métodos para preparar partıculas de Janus, incluyendo el método de emulsión ^{10 de} Pickering, el método ^de co-chorreado electrohidrodinámico ¹¹ y el método de fotopolimerización microfluídica ¹² . Sin embargo, estos métodos requieren una serie de compY procedimientos. Este artículo presenta un método simple para preparar partículas de Janus y partículas metálicas completamente recubiertas. Una monocapa de partículas de sílice microescaladas se prepara en un proceso de secado y se pone en un dispositivo de pulverización catódica para recubrir con Au. Un hemisferio de la partícula está sombreado, y sólo el otro hemisferio está recubierto con Au ^{2 , 13} . La monocapa de la partícula Janus se estampa con un sello de polidimetilsiloxano (PDMS) y luego se trata con un segundo proceso de revestimiento para preparar partıculas metálicas ¹⁴ totalmente recubiertas.

Para caracterizar las propiedades eléctricas de una partícula de Janus, se utilizan ampliamente diferentes respuestas electrocinéticas de CA, como DEP, EROT y electro-orientación ^{9 , 15 , 16 , 17 , 18 , 19 . Por ejemplo, EROT es la respuesta rotatoria en estado estacionario de una partícula bajo un campo eléctrico giratorio impuesto externamente 2 , 9 , 15 , 16 . Midiendo el EROT, se puede obtener la interacción entre el dipolo inducido de las partículas y los campos eléctricos. DEP, que surge de la interacción entre los dipolos inducidos y un campo eléctrico no uniforme, es capaz de conducir al movimiento de partículas 3 , 4 , 5 , 9 , 15 . Se pueden atraer diferentes tipos de partículas (DEP positivo) o se repelen de (DEP negativo) los bordes del electrodo, lo cual sirve como un método general para manipular y caracterizar partículas en el dispositivo microfluídico. La traducción (DEP) y la rotación (EROT) de la partícula bajo el campo eléctrico están dominadas por la parte real e imaginaria del factor de Clausius-Mossotti (CM), respectivamente. El factor CM depende de las propiedades eléctricas de las partículas y del líquido circundante, que se revelan a partir de la frecuencia característica, ω _c = 2σ / aC _DL , de DEP y EROT, donde σ es la conductividad del líquido, a es el radio de la partícula, Y C _DL es la capacitancia de la doble capa eléctrica 15 , 16 . Para medir el EROT y el DEP de partículas, se necesitan patrones de electrodos especialmente diseñados. Tradicionalmente, se utiliza una técnica fotolitográfica para crear conjuntos de electrodos y requiere una serie de procedimientos complicados, incluyendo el revestimiento por fotorresistencia, la alineación de la máscara, la exposición y el desarrollo 15 , 18 ,S = "xref"> 19 , 20 .}

En este artículo, la fabricación rápida de matrices de electrodos se demuestra mediante patrones ópticos directos. Una capa de ITO de película delgada transparente, que está recubierta sobre el sustrato de vidrio, se elimina parcialmente mediante una máquina de marcado por láser de fibra (1064 nm, 20 W, anchura de impulso de 90 a 120 ns y frecuencia de repetición de impulsos de 20 a 80 kHz) para formar Una disposición de electrodos de cuatro fases. La distancia entre los electrodos diagonales es de 150-800 μm, que puede ajustarse para adaptarse a los experimentos. El conjunto de electrodos de cuatro fases puede usarse para caracterizar y concentrar partículas en diferentes dispositivos microfluídicos ^{15 , 16 , 18} . Para generar el campo eléctrico de cuatro fases, la matriz de electrodos está conectada a un generador de funciones de 2 canales ya dos inversores. El desplazamiento de fase entre los electrodos adyacentes se establece en 90 ° (para EROT) o 180 ° (para DEP) ¹⁵ . La señal de CA se aplica a una amplitud de voltaje de 0,5 a 4 V _pp , y la frecuencia oscila entre 100 Hz y 5 MHz durante el proceso de operación. Las partículas de Janus, partículas metálicas y partículas de sílice se utilizan como muestras para medir sus propiedades electrocinéticas AC. Las suspensiones de las partículas se colocan sobre la región central de la disposición de electrodos y se observan bajo un microscopio óptico invertido con un objetivo 40X, NA 0.6. El movimiento de las partículas y la rotación se registran con una cámara digital. El movimiento DEP se registra en la región anular, entre 40 y 65 μm radialmente lejos del centro de la matriz, y EROT se registra en la región circular, 65 μm radialmente lejos del centro de la matriz. La velocidad de la partícula y la velocidad angular se miden por el método de seguimiento de partículas. Los centroides de partículas se distinguen por escala de grises o geometría de partículas usando software. La velocidad de la partícula y la velocidad angular se obtienenMidiendo los movimientos de los centroides de las partículas.

Este artículo proporciona un método simple para fabricar rápidamente arrays de electrodos con diseños arbitrarios. Introduce la preparación de partículas metálicas totalmente o parcialmente recubiertas, que pueden ser utilizadas en diferentes campos, con usos que van desde la biología hasta aplicaciones industriales.

Protocolo

1. Fabricación del Microchip

1. Preparación del electrodo ITO
   1. Utilice software de ilustración comercial para dibujar un patrón cruzado. Establezca la distancia entre los electrodos diagonales a 160 μm y haga que los brazos del patrón cruzado tengan 30 mm de ancho y 55 mm de largo, como se muestra en la Figura 1 . Guarde el archivo de ilustración como un archivo DXF.
   2. Utilice un cortador de vidrio para recortar el vidrio ITO a un tamaño de 25 mm x 50 mm (ancho x largo). Utilice 75% de etanol y agua DI para enjuagar el vidrio ITO varias veces.
   3. Coloque el vidrio ITO en la máquina de marcado láser de fibra pulsada. Enfoque el láser en la superficie del vidrio ITO ajustando la distancia entre el cristal ITO y el láser a 279,5 mm.
      NOTA: El láser utilizado tiene las siguientes especificaciones: 1.064 nm, 20 W, anchura de impulso de 90 a 120 ns y frecuencia de repetición de impulsos de 20 a 80 kHz, con una intensidad de luz pulsada de aproximadamente 5 x 10 ⁵ W / cm ²).
   4. Introduzca directamente el archivo de ilustración (archivo DXF) en el ordenador de la máquina de marcado láser. Haga clic en el botón "Marcar parámetro" e ingrese los siguientes parámetros: velocidad, "800 mm / s;" Poder ", 60%; Y frecuencia, "40 kHz". Marque los términos "Cuadro", "Rellenar" y "Rellenar primero".
      1. Haga clic en el botón "Vista previa" para posicionar el patrón en el centro de vidrio ITO. Haga clic en el botón "Mark Sample" para modelar el cristal ITO ( Figura 1 A ).
2. Configuración de un generador de cuatro fases y conexión del microchip experimental
   1. Construir los circuitos de los inversores, como se muestra en la Figura 2 A.
   2. Conecte los 4 hilos en el electrodo de cuatro fases por contacto directo con la cinta, como se muestra en la Figura 2C . Divida el canal "ChannEl 1 "del generador de funciones en dos ramas usando un conector BNC doble.
      1. Conecte una rama al cable (# 1) unido al electrodo ITO y el otro a la entrada del inversor. Conecte la salida del inversor al cable (# 3), como se muestra en la Figura 2B .
   3. Conecte el "Canal 2" con el mismo procedimiento que en el paso 1.2.2, pero conecte los cables (# 2 y # 4) como se muestra en la Figura 2B .
   4. Para los experimentos EROT, ajuste el desplazamiento de fase entre los dos canales a 90 °, directamente en el generador de funciones. Aplique una onda sinusoidal a una amplitud de voltaje de 0,5-4 V _pp y una frecuencia que oscile entre 100 Hz y 5 MHz durante los experimentos, como se muestra en la Figura 2D .
   5. Para los experimentos DEP, conecte una rama del Canal 1 al cable (# 1) unido al electrodo ITO y el otro alEntrada del inversor. Conecte la salida del inversor al cable (# 2). Conecte el canal 2 utilizando el mismo procedimiento, pero conecte los cables (# 3 y # 4).
   6. Ajuste el desfase entre los 2 canales a 0 °, directamente en el generador de funciones. Aplique una onda sinusoidal a una amplitud de voltaje de 0,5-4 V _pp y una frecuencia que oscile entre 100 Hz y 5 MHz durante los experimentos, como se muestra en la Figura 2D .

2. Preparación de las muestras

1. Preparación de partículas de Janus
   1. Centrifugar la suspensión acuosa de partícula de sílice de 2 μm (10% p / p) a 2.200 xg durante 1 min.
   2. Pipetee 2 μL de partículas de sílice sedimentaria en un tubo de microcentrífuga de 1,5 ml y añada 500 μl de etanol (99,5% v / v).
      NOTA: El sobrenadante no necesita desecharse; Sólo guardar en el refrigerador a 4 ° C. No necesita ser resuspendido antes de pipeteargramo.
   3. Sonicar la suspensión de partículas de etanol-sílice usando un ultrasonor (43 kHz, 50 W) durante 1 min y después centrifugarlo a 2.200 xg durante 3 min.
   4. Sustituir el sobrenadante con 500 μl de etanol y repetir el paso 2.1.3 tres veces.
   5. Sustituir el sobrenadante con 8 μl de etanol y sonicar la suspensión de partículas de etanol-sílice utilizando un ultrasonor (43 kHz, 50 W) durante 3 min.
      NOTA: En este paso deben permanecer en el tubo aproximadamente 10 μl de suspensión de partículas de etanol-sílice.
   6. Pipetee 2 μl de suspensión de partículas de etanol-sílice y colóquela en un portaobjetos normal de vidrio (ancho: 25 mm, largo: 75 mm, y espesor: 1,2 mm) para formar una gotita.
      Nota: Esta cantidad de suspensión de partículas es suficiente para preparar las monocapas para 5-6 diapositivas (2 μl para cada diapositiva).
   7. Arrastre lentamente la gota de partícula de etanol-sílice ligeramente con un vidrio de cubierta para formar una monocapa de partículas de sílice ( Figura 3 A ).
   8. Coloque la diapositiva con la monocapa de partículas de sílice en un dispositivo de pulverización catódica para recubrir con Au.
      1. Retire el aire de la cámara de pulverización a 100 mTorr e inyecte argón durante 10 min (reemplace el aire por argón). Deje de inyectar argón y luego extraiga el argón de la cámara a 70 mTorr.
      2. Ajuste la corriente a 15 mA durante 200 s. ( Figura 3 B ); Las partículas de Janus ya están preparadas en este paso.
   9. Deje caer 20 μL de agua DI en el portaobjetos y raspe las partículas de Janus de la monocapa usando una punta de pipeta normal de 200 μl.
      NOTA: Las partículas de Janus raspadas de la monocapa se suspenden en la gotita de agua DI en este paso.
   10. Pipetee la gota de suspensión de partícula Janus y colóquela en otro tubo de centrífuga de 1,5 ml.
   11. Utilizar la suspensión de partículas de Janus para preparar la muestra diluyéndola con agua DI a una concentración adecuadaPara experimentos.
       NOTA: La concentración de la suspensión de partículas en los experimentos descritos aquí es de aproximadamente 2.000 recuentos / μl.
2. Preparación de partículas metálicas completamente recubiertas ¹⁴
   1. Mezclar la base de polímero PDMS y el agente de curado a una relación en peso de 10: 1.
   2. Cinta alrededor de la corredera de vidrio para formar las paredes laterales del contenedor. Verter la mezcla de PDMS sobre un portaobjetos con cinta para lograr una capa PDMS de 2-3 mm, como se muestra en la Figura 4A .
   3. Coloque la diapositiva con cinta (recipiente) con la mezcla de PDMS en una cámara hermética y ejecute la bomba de vacío durante 30 minutos para eliminar las burbujas en la mezcla PDMS.
   4. Coloque el portaobjetos con cinta (recipiente) con la mezcla PDMS (paso 2.2.3) en el horno. Cure la mezcla PDMS a 70 ° C durante 2 h para formar un sello PDMS.
   5. Después de que se haya curado el sello PDMS, retire la corredera y la cinta para obtener el sello PDMS, la superficieDe los cuales unidos originalmente al portaobjetos de vidrio, formando una superficie plana, como se muestra en la Figura 4B .
   6. Siga los pasos de 2.1.1-2.1.8 para preparar una monocapa de partículas Janus en una diapositiva.
   7. Utilice la superficie plana del sello PDMS para estampar la monocapa con presión uniforme.
   8. Coloque el sello PDMS con la monocapa de partículas de Janus, que se invierte de la diapositiva de vidrio realizada en el paso 2.1.8, en el dispositivo de pulverización catódica para recubrir con Au.
      1. Retire el aire de la cámara de pulverización a 100 mTorr e inyecte argón durante 10 min (reemplace el aire por argón). Deje de inyectar argón y luego extraiga el argón de la cámara a 70 mTorr.
      2. Ajuste la corriente a 15 mA durante 200 s ( Figura 4 C ); Las partículas metálicas totalmente recubiertas ya están preparadas en esta etapa.
   9. Siga los pasos del 2.1.9-2.1.11 para preparar la muestra para experimentos.

   3. Experimentos para la medición Electrocinética de CA

   1. Envuelva 5 trozos de película de parafina para preparar un espaciador. Combinar la matriz de electrodos ITO con el separador de película de 500 μm de espesor utilizando una pistola de calor y colocar el electrodo en la etapa del microscopio.
      1. Dejar caer 8 μl de suspensión de partículas, que se preparó en los pasos 2.1 y 2.2, sobre el centro de la matriz de electrodos cruzados. Coloque un cristal de cubierta en el espaciador.
   2. Para los experimentos EROT, en el generador de funciones, ajuste el desplazamiento de fase entre los 2 canales a 90 °. Aplicar una onda sinusoidal a una amplitud de tensión de 0,5-4 V _pp y una frecuencia que oscile entre 100 Hz y 5 MHz durante los experimentos (en base a la conexión en los pasos 1.2.2-1.2.3).
      1. Elija el formulario de onda haciendo clic en el botón "forma de onda" del generador de funciones. Introduzca el valor de voltaje y frecuencia utilizando los botones numerados de la función geY luego encienda la señal AC haciendo clic en el botón "salida".
   3. Para los experimentos DEP, establezca el cambio de fase entre los 2 canales a 0 °. Aplicar una onda senoidal a una amplitud de tensión de 0,5-4 V _pp y una frecuencia de 100 Hz a 5 MHz durante los experimentos (basándose en las conexiones en el paso 1.2.5) configurando el generador de funciones como en el paso 3.2.1.
   4. Encienda la señal AC haciendo clic en el botón "salida" y capture las imágenes de movimiento de partículas y rotación bajo un microscopio óptico invertido con un objetivo 40X, NA 0.6 usando una cámara.
   5. Introduzca las imágenes de movimiento de las partículas y la rotación del software y analizar la trayectoria de las partículas mediante el seguimiento de partículas para obtener la partícula y las velocidades angulares.
      Nota: El software "Image J" y su complemento "MultiTracker" se usaron aquí para la binarización de imágenes y el seguimiento de partículas.

Resultados

La matriz de electrodos de cuatro fases se crea mediante una máquina de marcado por láser de fibra. La capa conductora de ITO revestida sobre el vidrio se retira mediante un láser de enfoque para formar un patrón cruzado con un espacio de 160 μm, como se muestra en la figura 1B .

Discusión

Fabricación de electrodos ITO arrays utilizando el láser de fibra de marcado máquina proporciona un método rápido para preparar los electrodos con patrones arbitrarios. Sin embargo, todavía existen algunas desventajas de este método, tales como un menor número de portadores de carga y la menor precisión de fabricación de los electrodos ITO en comparación con los electrodos metálicos creados por métodos tradicionales. Estas desventajas podrían limitar algunos experimentos. Por ejemplo, un menor número de portadores de ca...

Materiales

Lista de materiales utilizados en este artículo

Nombre	Empresa	Número de catálogo	Comentarios
Microesfera de sílice-2.34 y micro; m	Bangs Laboratories	SS04N
Alcohol etílico (99.5%)	KATAYAMA CHEMICAL	E-0105
SYLGARD 184 A& B Elastómero de silicona (PDMS)	DOW CORNING		PDMS
	Tecnología de luminiscencia	ITO LT-G001
Máquina de marcado láser de fibra	Tecnología de 3 ejes de Taiwán	TAFB-R-20W
Generador de funciones de 2 canales	Gwinsek	AFG-2225
Cámara CMOS	Gris Punto	GS3-U3-32S4M-C
Sputter	JEOL	JFC-1100E
Amplificadores operacionales	Texas Instruments	LM6361N	Inversor OP
Limpiador ultrasónico	Gui Lin Yiyuan Ultrasonic Machinery Co.	DG-1
Microcentrífuga	Especialidades Científicas, Inc.		1,5 ml
	LMS	MC-MCF-2360
Cubierta de cristal para microscopio	Marienfeld-Superior		18 * 18 mm
Microscopio óptico invertido	Olympus	OX-71
Espaciador	parafilm	bemis