Методическая статья

Приготовление частиц Януса и электрокинетических измерений переменного тока с быстродействующим массивом электродов оксида олова олова

7.7K просмотров

⸱

DOI:

10.3791/55950

⸱

23 июня 2017 г.

 , 
1Institute of Applied Mechanics, National Taiwan University

В этой статье

Краткое содержание

В этой статье продемонстрирован простой способ получения частично или полностью покрытых металлических частиц и проведения измерений электрокинетических свойств AC с помощью быстродействующей схемы электродов из индия-олова (ITO).

Аннотация

В этой статье представлен простой способ получения частично или полностью покрытых металлических частиц и для быстрой сборки электродных массивов, что может облегчить электрические эксперименты на микрожидкостных устройствах. Частицы Януса представляют собой асимметричные частицы, которые с двух сторон имеют два разных поверхностных свойства. Для приготовления частиц Janus монослой частиц диоксида кремния получают путем сушки. Золото (Au) осаждается с одной стороны каждой частицы с помощью распыляющего устройства. Полностью покрытые металлические частицы завершаются после второго процесса нанесения покрытия. Для анализа электрических свойств поверхности частиц Януса выполняются электрокинетические измерения переменного тока (AC), такие как диэлектрофорез (DEP) и электроротирование (EROT), которые требуют специально разработанных электродных массивов в экспериментальном устройстве. Однако традиционные способы изготовления электродных массивов, такие как фотолитографическая техника, требуют серииСложных процедур. Здесь мы вводим гибкий метод изготовления сконструированной электродной матрицы. Стекло индия-олова (ITO) структурировано с помощью волоконно-лазерной маркировочной машины (1,064 нм, 20 Вт, от 90 до 120 нс ширины импульса и от 20 до 80 кГц частоты повторения импульсов) для создания четырехфазной электродной матрицы. Для генерации четырехфазного электрического поля электроды подключаются к 2-канальному генератору функций и к двум инверторам. Фазовый сдвиг между соседними электродами устанавливается либо на 90 ° (для EROT), либо на 180 ° (для DEP). Представлены репрезентативные результаты электрокинетических измерений переменного тока с четырехфазной сеткой электродов ITO.

Введение

Частицы Януса, названные в честь римского бога с двойным лицом, представляют собой асимметричные частицы, у которых две стороны имеют физически или химически разные свойства поверхности 1 , 2 . Из-за этой асимметричной функции частицы Януса проявляют особые реакции в электрических полях, таких как DEP 3 , 4 , 5 , 6 , EROT 2 и электрофорез с индуцированным зарядом (ICEP) 7 , 8 , 9 . В последнее время сообщалось о нескольких способах приготовления частиц Януса, включая метод эмульсии Пикеринга 10 , способ электрогидродинамической совместной струйной обработки 11 и метод микрофлюидной фотополимеризации 12 . Однако для этих методов требуется серия compИ устройства и процедуры. В этой статье представлен простой способ приготовления частиц Януса и полностью покрытых металлических частиц. Монослой микрочастичных частиц диоксида кремния готовят в процессе сушки и помещают в распыляющее устройство для покрытия Au. Одно полушарие частицы заштриховано, а только другое полушарие покрыто Au 2 , 13 . Монослой частицы Януса штамповали штаммом полидиметилсилоксана (PDMS) и затем обрабатывали вторым процессом покрытия для получения полностью покрытых металлических частиц 14 .

Для характеристики электрических свойств частицы Януса различные электрокинетические реакции электрона, такие как DEP, EROT и электроориентация, широко используются 9 , 15 , 16 , 17 , 18 , 19 . Например, EROT представляет собой стационарный вращательный отклик частицы под действием внешнего электрического вращающегося электрического поля 2 , 9 , 15 , 16 . Измеряя ЭРОТ, можно получить взаимодействие между индуцированным диполем частиц и электрическими полями. DEP, возникающий из-за взаимодействия между индуцированными диполями и неравномерным электрическим полем, способен приводить к движению частиц 3 , 4 , 5 , 9 , 15 . Различные виды частиц могут быть притянуты к (положительному DEP) или отталкиваться от (отрицательного DEP) краев электрода, который служит в качестве общего метода манипулирования и характеристики частиц в микрожидкостном устройстве. Переводческая (DEP) и рота (EROT) частицы частицы под электрическим полем доминируют действительная и мнимая часть фактора Клаузиуса-Моссотти (CM) соответственно. СМ-фактор зависит от электрических свойств частиц и окружающей жидкости, которые обнаруживаются из характерной частоты, ω c = 2σ / aC DL , DEP и EROT, где σ - удельная проводимость жидкости, a - радиус частицы, И C DL - емкость электрического двойного слоя 15 , 16 . Для измерения EROT и DEP частиц необходимы специально разработанные шаблоны электродов. Традиционно фотолитографический метод используется для создания электродных массивов и требует ряда сложных процедур, в том числе фоторезистивного спин-покрытия, выравнивания маски, экспозиции и развития 15 , 18 ,S = "xref"> 19 , 20 .

В этой статье быстрое изготовление электродных массивов демонстрируется прямым оптическим паттерном. Прозрачный тонкопленочный слой ITO, который покрыт стеклянной подложкой, частично удаляется с помощью лазерной маркировочной машины (1,064 нм, 20 Вт, ширины импульса от 90 до 120 нс и частоты повторения импульсов 20 - 80 кГц), чтобы сформировать Четырехфазную электродную решетку. Расстояние между диагональными электродами составляет 150-800 мкм, которое можно отрегулировать в соответствии с экспериментами. Четырехфазную электродную решетку можно использовать для характеристики и концентрации частиц в различных микрожидкостных устройствах 15 , 16 , 18 . Для генерации четырехфазного электрического поля массив электродов подключается к 2-канальному генератору функций и двум инверторам. Фазовый сдвиг между соседними электродами установлен на уровне 90 ° (для EROT) или 180 ° (для DEP) 15 . Сигнал переменного тока подается при амплитуде напряжения 0,5 - 4 В pp , а частота изменяется от 100 Гц до 5 МГц во время процесса работы. Частицы Януса, металлические частицы и частицы диоксида кремния используются в качестве образцов для измерения их электрокинетических свойств. Суспензии частиц помещаются в центральную область электродной решетки и наблюдаются под инвертированным оптическим микроскопом с объективом 40X, NA 0.6. Движение и вращение частиц регистрируются цифровой камерой. Движение DEP регистрируется в кольцевой области от 40 до 65 мкм в радиальном направлении от центра матрицы, а EROT регистрируется в круговой области, 65 мкм в радиальном направлении от центра массива. Скорость частиц и угловая скорость измеряются методом отслеживания частиц. Центроиды частиц отличаются серой шкалой или геометрией частиц с использованием программного обеспечения. Скорость частиц и угловая скорость получаются формулойИзмерение движений центроидов частиц.

В этой статье представлен простой способ быстрого изготовления произвольно структурированных электродных массивов. Он представляет собой получение полностью или частично покрытых металлических частиц, которые могут быть использованы в разных областях, с использованием от биологии до применения в промышленности.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Протокол

1. Изготовление микрочипа

  1. Подготовка электрода ITO
    1. Используйте программное обеспечение для коммерческих иллюстраций, чтобы нарисовать кросс-шаблон. Установите расстояние между диагональными электродами до 160 мкм и сделайте плечи поперечного рисунка шириной 30 мм и длиной 55 мм, как показано на рисунке 1 . Сохраните файл иллюстраций в виде файла DXF.
    2. Используйте стеклянный резак для обрезки стекла ITO размером 25 мм x 50 мм (ширина x длина). Используйте 75% этанола и воды DI для полоскания стекла ITO несколько раз.
    3. Поместите стекло ITO на лазерную маркировочную машину с импульсным волокном. Фокусируйте лазер на поверхности стекла ITO, отрегулировав расстояние между стеклом ITO и лазером до 279,5 мм.
      ПРИМЕЧАНИЕ. Используемый здесь лазер имеет следующие характеристики: 1,064 нм, 20 Вт, длительность импульса от 90 до 120 нс и частоту повторения импульсов от 20 до 80 кГц с интенсивностью импульсного света около 5 × 10 5 Вт / см 2).
    4. Непосредственно введите файл иллюстраций (файл DXF) на компьютер лазерной маркировочной машины. Нажмите кнопку «Отметить параметр» и введите следующие параметры: скорость, «800 мм / с;» Мощность ", 60%;" И частота «40 кГц». Отметьте условия «Рамка», «Заполнить» и «Заполнить первый».
      1. Нажмите кнопку «Предварительный просмотр», чтобы расположить шаблон в центре стекла ITO. Нажмите кнопку «Отметить образец», чтобы нарисовать окно ITO ( рисунок 1 A ).
  2. Настройка четырехфазного генератора и подключение экспериментального микрочипа
    1. Постройте схемы инверторов, как показано на рисунке 2 A.
    2. Подключите 4 провода на четырехфазном электроде прямым контактом с лентой, как показано на рисунке 2 C. Разделите «ЧанEl 1 "функционального генератора на две ветви с использованием двойного разъема BNC.
      1. Подключите одну ветвь к проводу (№ 1), прикрепленному к электроду ITO, а другой к входу инвертора. Подключите выход инвертора к проводу (№ 3), как показано на рисунке 2 B.
    3. Подключите «Канал 2» с той же процедурой, что и на шаге 1.2.2, но подключитесь к проводам (№ 2 и № 4), как показано на рисунке 2 B.
    4. Для экспериментов EROT установите фазовый сдвиг между двумя каналами на 90 ° непосредственно на генератор функций. Примените синусоидальную волну при амплитуде напряжения 0,5-4 В pp и частоте в диапазоне от 100 Гц до 5 МГц во время экспериментов, как показано на рисунке 2 D.
    5. Для экспериментов DEP подключите одну ветвь канала 1 к проводу (№ 1), прикрепленному к электроду ITO, а к другомуВход инвертора. Подключите выход инвертора к проводу (# 2). Подключите канал 2, используя ту же процедуру, но подключитесь к проводам (№ 3 и № 4).
    6. Установите фазовый сдвиг между двумя каналами при 0 °, непосредственно на генераторе функций. Примените синусоидальную волну при амплитуде напряжения 0,5-4 В pp и частоте в диапазоне от 100 Гц до 5 МГц во время экспериментов, как показано на рисунке 2 D.

2. Подготовка образцов

  1. Приготовление частиц Януса
    1. Центрифугируют 2 мкл водной суспензии частиц двуокиси кремния (10% по весу) при 2200 мкг в течение 1 мин.
    2. Внесите 2 мкл осадочных частиц диоксида кремния в 1,5 мл микроцентрифужную пробирку и добавьте 500 мкл этанола (99,5% об. / Об.).
      ПРИМЕЧАНИЕ. Супернатант не нужно отбрасывать; Просто сохраните его в холодильнике при температуре 4 ° C. Его не нужно ресуспендировать перед пипеттиномг.
    3. Сонатируйте суспензию частиц этанол-диоксид кремния с использованием ультразвукового аппарата (43 кГц, 50 Вт) в течение 1 мин, а затем центрифугируйте его при 2200 мкг в течение 3 мин.
    4. Замените супернатант 500 мкл этанола и повторите шаг 2.1.3 три раза.
    5. Замените супернатант 8 мкл этанола и обработайте суспензию частиц этанол-диоксид кремния с помощью ультразвукового аппарата (43 кГц, 50 Вт) в течение 3 мин.
      ПРИМЕЧАНИЕ. Около 10 мкл суспензии частиц этанол-диоксид кремния должны оставаться в трубке на этой стадии.
    6. Нанесите 2 мкл суспензии частиц этанол-диоксид кремния и опустите его на нормальный стеклянный предмет (ширина: 25 мм, длина: 75 мм и толщина: 1,2 мм), чтобы образовать каплю.
      Примечание. Это количество суспензии частиц достаточно для приготовления монослоев для 5-6 слайдов (2 мкл для каждого слайда).
    7. Медленно слегка перетащите капельки частиц этанол-диоксид кремния с помощью покрывающего стекла с образованием монослоя частиц двуокиси кремния ( рис. 3 A ).
    8. Поместите слайд с монослоем частиц диоксида кремния в распыляющее устройство, которое будет покрыто Au.
      1. Удалите воздух из камеры распыления при 100 мТорр и введите аргон в течение 10 минут (замените воздух аргоном). Прекратите впрыскивать аргон и затем удалите аргон из камеры при 70 мТорр.
      2. Установите ток на 15 мА в течение 200 с. ( Фиг. 3В ); Частицы Януса уже подготовлены на этом этапе.
    9. Бросьте 20 мкл воды DI на напыленное слайд и очистите частицы Janus от монослоя, используя обычный наконечник пипетки 200 мкл.
      ПРИМЕЧАНИЕ. Частицы Януса соскоблили из монослоя, суспендированного в капельке воды DI на этом этапе.
    10. Пипеткой капли суспензии частиц Janus и упасть в другую 1,5-миллиметровую центрифужную пробирку.
    11. Используйте суспензию частиц Janus для приготовления образца, разбавив его водой DI до подходящего концентратаДля экспериментов.
      ПРИМЕЧАНИЕ. Концентрация суспензии частиц в описанных здесь экспериментах составляет около 2000 грамм / мкл.
  2. Получение полностью покрытых металлических частиц 14
    1. Смешайте полимерную основу PDMS и отверждающий агент с массовым соотношением 10: 1.
    2. Лента вокруг стекла скользит, чтобы образовать боковые стенки контейнера. Налейте смесь PDMS на ленточный слайд для достижения слоя PDMS 2-3 мм, как показано на рисунке 4 A.
    3. Поместите скотч (контейнер) с смесью PDMS в воздухонепроницаемую камеру и пропустите вакуумный насос в течение 30 минут, чтобы удалить пузырьки в смеси PDMS.
    4. Поместите наклейку (контейнер) с смесью PDMS (шаг 2.2.3) в печь. Вылечить смесь PDMS при 70 ° C в течение 2 часов для образования штампа PDMS.
    5. После извлечения штампа PDMS удалите слайд и ленту, чтобы получить печать PDMS, поверхностьИз которых прикреплены первоначально к стеклянному слайду, образуя плоскую поверхность, как показано на фиг.4В .
    6. Следуйте шагам из 2.1.1-2.1.8, чтобы подготовить монослой частиц Януса на слайде.
    7. Используйте плоскую поверхность штампа PDMS для штамповки монослоя с равномерным давлением.
    8. Поместите штамп PDMS с монослоем частиц Janus, который перевернут из стекла, сделанного на этапе 2.1.8, в распыляющее устройство, которое будет покрыто Au.
      1. Удалите воздух из камеры распыления при 100 мТорр и введите аргон в течение 10 минут (замените воздух аргоном). Прекратите впрыскивать аргон и затем удалите аргон из камеры при 70 мТорр.
      2. Установите ток на 15 мА в течение 200 с ( рисунок 4 C ); На этом этапе уже приготовлены полностью покрытые металлические частицы.
    9. Выполните шаги, указанные в 2.1.9-2.1.11, чтобы подготовить образец для экспериментов.

    3. Эксперименты по электрокинетическому измерению переменного тока

    1. Оберните 5 частей парафиновой пленки, чтобы подготовить прокладку. Объедините массив электродов ITO с разделителем пленки толщиной 500 мкм с использованием теплового пистолета и поместите электрод на ступень микроскопа.
      1. Бросьте 8 мкл суспензии частиц, которая была приготовлена ​​на стадиях 2.1 и 2.2, в центр решетки поперечных электродов. Поместите крышку на прокладку.
    2. Для экспериментов EROT на функциональном генераторе установите фазовый сдвиг между двумя каналами на 90 °. Примените синусоидальную волну при амплитуде напряжения 0,5-4 В pp и частоте в диапазоне от 100 Гц до 5 МГц во время экспериментов (на основе соединения в шагах 1.2.2-1.2.3).
      1. Выберите форму волны, нажав кнопку «waveform» на генераторе функций. Введите значение напряжения и частоты с помощью пронумерованных кнопок на функции geNerator, а затем включите сигнал AC, нажав кнопку «Выход».
    3. Для экспериментов DEP установите фазовый сдвиг между двумя каналами на 0 °. Применяйте синусоидальную волну с амплитудой 0,5-4 В pp и частотой от 100 Гц до 5 МГц во время экспериментов (на основе соединений на шаге 1.2.5), настроив генератор функций, как на этапе 3.2.1.
    4. Включите сигнал переменного тока, нажав кнопку «Выход» и захватите изображения движения частиц и вращения под инвертированным оптическим микроскопом с объективом 40X, NA 0.6 с использованием камеры.
    5. Введите изображения движения частиц и вращения в программное обеспечение и проанализируйте траекторию частиц путем отслеживания частиц для получения частиц и угловых скоростей.
      Примечание. Программное обеспечение «Image J» и его плагин «MultiTracker» были использованы здесь для бинаризации изображений и отслеживания частиц.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Результаты

Четырехфазная электродная решетка создается с помощью лазерной маркировочной машины. Проводящий слой ITO, покрытый стеклом, удаляется фокусирующим лазером с образованием поперечного рисунка с зазором 160 мкм, как показано на рисунке 1 B.

figure-results-1
Рисунок 1 : Подгот...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Обсуждение

Изготовление массивов электродов ITO с использованием волоконно-лазерной маркировочной машины обеспечивает быстрый способ получения электродов с произвольными узорами. Тем не менее, есть еще некоторые недостатки этого метода, такие как меньшее количество носителей заряда и более низкая точность изготовления ITO-электродов по сравнению с металлическими электродами, создаваемыми традиционными методами. Эти недостатки могут ограничивать некоторые эксперименты. Например, меньшее количество носителей заряда может повлиять на...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Раскрытие информации

Авторам нечего раскрывать.

Благодарности

Эта работа была поддержана Министерством науки и технологий, Тайванем, РПЦ, грантом NSC 103-2112-M-002-008-MY3.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Материалы

Список материалов, использованных в этой статье
ИмяКомпанияКаталожный номерКомментарии
Микросфера диоксида кремния-2.34 & микро; mBangs LaboratoriesSS04N
Этиловый спирт (99,5%)KATAYAMA CHEMICALE-0105
SYLGARD 184 A& B Силиконовый эластомер (PDMS)DOW CORNINGPDMS 
  Технологиялюминесценциистекла ITO LT-G001
Маркировочный станок с волоконным лазеромТайвань 3-осевая технологияTAFB-R-20W
  2-канальный функциональный генераторGwinsekAFG-2225
CMOS камераPoint GreyGS3-U3-32S4M-C
SputterJEOLJFC-1100E
Операционные усилителиInstrumentsLM6361NOP invertor 
Ультразвуковой очистительGui Lin Yiyuan Ultrasonic Machinery Co.DG-1
МикроцентрифугаScientific Specialties, Inc.
Мини-центрифуга1,5 мл LMSMC-MCF-2360
Чехол для микроскопаМариенфельд-Супериор18 * 18 мм
Инвертированный оптический микроскопOlympusOX-71  
Парапленочнаяпрокладкаbemis
Texas

Ссылки

  1. Walther, A., Müller, A. H. Janus particles. Soft Matter. 4 (4), 663-668 (2008).
  2. Chen, Y. -L., Jiang, H. -R. Electrorotation of a metallic coated Janus particle under AC electric fields. Appl Phys Lett. 109 (19), 191605(2016).
  3. Zhang, L., Zhu, Y. Directed assembly of janus particles under high frequency ac-electric fields: Effects of medium conductivity and colloidal surface chemistry. Langmuir. 28 (37), 13201-13207 (2012).
  4. Gangwal, S., Cayre, O. J., Velev, O. D. Dielectrophoretic assembly of metallodielectric Janus particles in AC electric fields. Langmuir. 24 (23), 13312-13320 (2008).
  5. Zhang, L., Zhu, Y. Dielectrophoresis of Janus particles under high frequency ac-electric fields. Appl Phys Lett. 96 (14), 141902(2010).
  6. Chen, J., Zhang, H., Zheng, X., Cui, H. Janus particle microshuttle: 1D directional self-propulsion modulated by AC electrical field. AIP Adv. 4 (3), 031325(2014).
  7. Gangwal, S., Cayre, O. J., Bazant, M. Z., Velev, O. D. Induced-charge electrophoresis of metallodielectric particles. Phys Rev Lett. 100 (5), 058302(2008).
  8. Peng, C., Lazo, I., Shiyanovskii, S. V., Lavrentovich, O. D. Induced-charge electro-osmosis around metal and Janus spheres in water: Patterns of flow and breaking symmetries. Phys Rev E. 90 (5), 051002(2014).
  9. Ramos, A., García-Sánchez, P., Morgan, H. AC electrokinetics of conducting microparticles: A review. Curr Opin Colloid Interface Sci. 24, 79-90 (2016).
  10. Hong, L., Jiang, S., Granick, S. Simple method to produce Janus colloidal particles in large quantity. Langmuir. 22 (23), 9495-9499 (2006).
  11. Bhaskar, S., Hitt, J., Chang, S. W. L., Lahann, J. Multicompartmental microcylinders. Angewandte Chemie International Edition. 48 (25), 4589-4593 (2009).
  12. Nie, Z., Li, W., Seo, M., Xu, S., Kumacheva, E. Janus and ternary particles generated by microfluidic synthesis: design, synthesis, and self-assembly. J Am Chem Soc. 128 (29), 9408-9412 (2006).
  13. Jiang, H. -R., Yoshinaga, N., Sano, M. Active motion of a Janus particle by self-thermophoresis in a defocused laser beam. Phys Rev Lett. 105 (26), 268302(2010).
  14. Pawar, A. B., Kretzschmar, I. Multifunctional patchy particles by glancing angle deposition. Langmuir. 25 (16), 9057-9063 (2009).
  15. García-Sánchez, P., Ren, Y., Arcenegui, J. J., Morgan, H., Ramos, A. Alternating current electrokinetic properties of gold-coated microspheres. Langmuir. 28 (39), 13861-13870 (2012).
  16. Ren, Y. K., Morganti, D., Jiang, H. Y., Ramos, A., Morgan, H. Electrorotation of metallic microspheres. Langmuir. 27 (6), 2128-2131 (2011).
  17. Jones, T. B., Jones, T. B. Electromechanics of particles. , Cambridge University Press. Cambridge, UK. (2005).
  18. Morganti, D. AC electrokinetic analysis of chemically modified microparticles. , University of Southampton. (2012).
  19. Morgan, H., Hughes, M. P., Green, N. G. Separation of submicron bioparticles by dielectrophoresis. Biophys J. 77 (1), 516-525 (1999).
  20. Ren, Y., et al. Induced-charge electroosmotic trapping of particles. Lab Chip. 15 (10), 2181-2191 (2015).

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Перепечатки и разрешения

Запросить разрешение на повторное использование текста или иллюстраций этой статьи JoVE

Запросить разрешение

Теги

ITOPDMS

Похожие статьи