Summary
この論文では、部分的または完全に被覆された金属粒子を調製し、急速に製造された酸化インジウムスズ（ITO）電極アレイを用いてAC動電学的特性測定を行う簡単な方法を実証する。
Abstract
この記事では、部分的または完全に被覆された金属粒子を調製し、マイクロ流体装置における電気実験を容易にすることができる電極アレイの迅速な製造を行うための簡単な方法を提供する。ヤヌス粒子は、その2つの面に2つの異なる表面特性を含む非対称粒子である。ヤヌス粒子を調製するために、シリカ粒子の単層が乾燥プロセスによって調製される。スパッタ装置を用いて各粒子の片面に金（Au）を蒸着する。完全に被覆された金属粒子は、第2のコーティングプロセスの後に完成する。 Janus粒子の電気的表面特性を分析するために、誘電泳動（DEP）および電気回転（EROT）のような交流（AC）動電学的測定が実施される。しかしながら、フォトリソグラフィ技術のような電極アレイを製造する従来の方法は、複雑な手順のここでは、設計された電極アレイを製造するための柔軟な方法を紹介する。インジウムスズ酸化物（ITO）ガラスをファイバレーザマーキング機（1,064nm、20W、パルス幅90~120ns、パルス繰り返し周波数20~80kHz）でパターン化して4相電極アレイを作成する。 4相電場を発生させるために、電極は2チャンネルのファンクションジェネレータと2つのインバータに接続されています。隣接する電極間の位相シフトは90°（EROTの場合）または180°（DEPの場合）のいずれかに設定されます。 4相ITO電極アレイを用いた交流電気力学測定の代表的な結果を示す。
Introduction
二重の顔をしたローマ神にちなんで命名されたヤヌス粒子は、物理的または化学的に異なる表面特性1,2を持つ非対称な粒子です。この非対称な特徴のため、Janus粒子は、DEP 3,4,5,6、EROT 2 、誘導電荷電気泳動（ICEP）7,8,9などの電界下で特別な反応を示す。近年、ピカリングエマルジョン法10 、電気流体力学的共噴射法11 、およびマイクロ流体光重合法12を含む、ヤヌス粒子を調製するいくつかの方法が報告されている。しかし、これらのメソッドは、一連のcomplicated装置および手順。この記事では、Janus粒子と完全に被覆された金属粒子を調製する簡単な方法を紹介します。乾燥工程で微細なシリカ粒子の単分子膜を作製し、これをスパッタ装置に入れてAuを被覆する。粒子の1つの半球が陰影付けされ、他の半球だけがAu 2 13で被覆される。ヤヌス粒子の単分子層にポリジメチルシロキサン（PDMS）スタンプを打ち抜き、第2のコーティングプロセスで処理して完全に被覆された金属粒子14を調製する。
Janus粒子の電気的特性を特徴付けるために、DEP、EROT、および電場配向などの異なるAC動電学的応答が広く用いられている9,15,16,17,18
この記事では、直接的な光パターニングによって、電極アレイの迅速な製造が実証されています。ガラス基板上にコーティングされた透明な薄膜ITO層をファイバレーザマーキング装置（1,064nm、20W、90〜120nsパルス幅、20〜80kHzパルス繰り返し周波数）で部分的に除去して4相電極アレイ。斜め電極間の距離は150〜800μmであり、これは実験に合わせて調整することができる。 4相電極アレイは、異なるマイクロ流体デバイス15,16,18内の粒子を特徴付け、濃縮するために使用することができる。 4相の電界を生成するために、電極アレイは、2チャネルの関数発生器と2つのインバータに接続される。隣接する電極間の位相シフトは、90°（EROTの場合）または180°（DEPの場合） 15 。 AC信号は0.5〜4Vp-pの電圧振幅で印加され、動作プロセス中の周波数は100Hz〜5MHzの範囲である。 Janus粒子、金属粒子、およびシリカ粒子は、それらのAC動電学的特性を測定するための試料として使用される。粒子の懸濁液を電極アレイの中央領域に置き、40X、NA0.6の対物レンズを備えた倒立光学顕微鏡下で観察する。パーティクルの動きと回転は、デジタルカメラで記録されます。 DEPの動きは、アレイ中心から半径方向に40~65μmの環状領域に記録され、EROTは、アレイ領域から半径方向に65μm離れた円形領域に記録される。粒子速度および角速度は、粒子追跡法によって測定される。粒子重心は、ソフトウェアを使用して粒子のグレースケールまたはジオメトリによって区別されます。粒子速度と角速度は粒子重心の動きを測定する。
この記事では、任意のパターンの電極アレイを迅速に製造する簡単な方法を提供します。それは、生物学から産業応用に至るまで、さまざまな分野で使用できる完全または部分的に被覆された金属粒子の調製を紹介しています。
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Protocol
1.マイクロチップの製作
- ITO電極の作製
- 市販のイラストレーションソフトウェアを使って十字模様を描きましょう。斜め電極間の距離を160μmに設定し、 図1に示すように、幅30 mm、長さ55 mmの十字パターンのアームを作成します 。イラストファイルをDXFファイルとして保存します。
- ガラスカッターを使用して、ITOガラスを25 mm x 50 mm（幅x長さ）のサイズにトリミングします。 75％エタノールとDI水を使用して、ITOガラスを数回すすいでください。
- パルスガラスレーザマーキングマシンにITOガラスを置きます。 ITOガラスとレーザーの距離を279.5 mmに調整して、レーザーをITOガラスの表面に合わせます。
注：ここで使用されるレーザーは、約5×10 5 W / cm 2のパルス光強度を有する、1,064nm、20W、90〜120nsパルス幅、および20〜80kHzパルス繰返し周波数を有する。）。 - レーザーマーキングマシンのコンピュータにイラストファイル（DXFファイル）を直接入力してください。 "Mark Parameter"ボタンをクリックし、以下のパラメータを入力します：speed、 "800 mm / s;"パワー "、" 60％; "周波数は「40kHz」となります。 「フレーム」、「塗りつぶし」、「塗りつぶし」の用語をチェックします。
- "プレビュー"ボタンをクリックして、パターンをITOガラスセンターに配置します。 "Sample Sample"ボタンをクリックしてITOガラスをパターニングします（ 図 1A ）。
- 4相ジェネレータの設定と実験用マイクロチップの接続
- 図2Aに示すように、インバータの回路を構築します 。
- 図 2Cに示すように、4相電極の4本のワイヤをテープに直接接触させて接続します。 「Chann」を分割する関数発生器の「el1」をダブルBNCコネクタを使用して2つのブランチに分割します。
- 1つのブランチをITO電極に接続されたワイヤ（＃1）に接続し、もう1つをインバータの入力に接続します。 図 2Bに示すように、インバータの出力を配線（＃3）に接続します。
- 手順1.2.2と同じ手順で「チャンネル2」を接続しますが、 図 2Bに示すようにワイヤ（＃2と＃4）に接続します。
- EROT実験では、2つのチャンネル間の位相シフトを関数発生器で直接90°に設定します。 図 2Dに示すように、実験中、0.5〜4Vp -pの電圧振幅および100Hz〜5MHzの範囲の周波数の正弦波を印加する。
- DEP実験では、チャネル1の1つのブランチをITO電極に取り付けられたワイヤ（＃1）に接続し、もう1つをインバータの入力。インバータの出力を配線（＃2）に接続します。同じ手順でチャンネル2を接続しますが、ワイヤー（＃3と＃4）に接続してください。
- 2つのチャンネル間の位相シフトをファンクションジェネレータに直接0°に設定します。 図 2Dに示すように、実験中、0.5〜4Vp -pの電圧振幅および100Hz〜5MHzの範囲の周波数の正弦波を印加する。
2.試料の調製
- ヤヌス粒子の調製
- 2μmのシリカ粒子水性懸濁液（10％w / w）を2,200 xgで1分間遠心分離する。
- 沈降シリカ粒子2μLを1.5mL微量遠心分離管にピペットし、500μLのエタノール（99.5％v / v）を加える。
注：上清は廃棄する必要はありません。 4℃の冷蔵庫に保存してください。 pipettinの前に再懸濁する必要はありませんg。 - 超音波破砕機（43kHz、50W）を用いてエタノール - シリカ粒子懸濁液を1分間超音波処理した後、2,200xgで3分間遠心分離する。
- 上清を500μLのエタノールで置換し、ステップ2.1.3を3回繰り返す。
- 上清を8μLのエタノールで置換し、超音波装置（43kHz、50W）を用いてエタノール - シリカ粒子懸濁液を3分間超音波処理する。
注：この段階で約10μLのエタノール - シリカ粒子懸濁液がチューブ内に残るはずです。 - エタノール - シリカ粒子懸濁液2μLをピペットして、通常のガラススライド（幅25mm、長さ75mm、厚さ1.2mm）に滴下して液滴を形成させる。
注：この量の粒子懸濁液は、5〜6枚のスライド（各スライドにつき2μL）の単層を調製するのに十分である。 - カバーガラスでゆっくりとエタノール - シリカ粒子の液滴をドラッグして、シリカ粒子の単層を形成する（ 図3 A ）。
- シリカ粒子の単層を有するスライドをスパッタリング装置に入れ、Auでコーティングする。
- 100mTorrでスパッタチャンバーから空気を除去し、アルゴンを10分間注入する（空気をアルゴンで置換する）。アルゴンの注入を停止し、チャンバから70mTorrでアルゴンを除去する。
- 電流を200mAで15mAに設定します。 （ 図 3B ）。ヤヌス粒子はこの段階で既に調製されている。
- スパッタされたスライド上に20μLの脱イオン水を滴下し、通常の200μLピペットチップを使用して、Janus粒子を単層から擦る。
注：単層から擦ったヤヌス粒子は、この段階でDI水滴中に懸濁する。 - ヤヌス粒子懸濁液滴をピペットで取り、別の1.5mL遠心分離管に滴下する。
- ヤヌス粒子懸濁液を使用して、サンプルをDI水で適切な濃縮物実験のためにオン。
注記：ここに記載されている実験における粒子懸濁液の濃度は約2,000カウント/μLです。
- 完全に被覆された金属粒子 14の 調製
- PDMSポリマーベースと硬化剤を10：1の重量比で混合する。
- ガラスの周りのテープがスライドして容器の側壁を形成する。 図4Aに示すように、PDMSの混合物をテープスライド上に注ぎ、PDMS層を2〜3mmにする 。
- PDMS混合物を有するテープスライド（容器）を気密チャンバに入れ、PDMS混合物中の気泡を除去するために30分間真空ポンプを作動させる。
- PDMS混合物（ステップ2.2.3）のテープスライド（容器）をオーブンに入れます。 70℃で2時間PDMS混合物を硬化させてPDMSスタンプを形成する。
- PDMSスタンプが硬化した後、スライドとテープを取り出してPDMSスタンプ、表面図4（ B）に示すように、ガラススライドに最初に取り付けられ、平坦な表面を形成する。
- 2.1.1-2.1.8の手順に従って、Janus粒子の単層をスライド上に調製します。
- PDMSスタンプの平坦な表面を使用して、均一な圧力で単層をスタンプします。
- PDMSスタンプを、ステップ2.1.8で作製したスライドガラスから反転したJanus粒子の単層をスパッタリング装置に入れ、Auでコーティングする。
- 100mTorrでスパッタチャンバーから空気を除去し、アルゴンを10分間注入する（空気をアルゴンで置換する）。アルゴンの注入を停止し、チャンバから70mTorrでアルゴンを除去する。
- 電流を200mAで15mAに設定します （ 図 4C ）。完全に被覆された金属粒子はこの段階で既に調製されている。
- 2.1.9-2.1.11の手順に従って、実験用のサンプルを準備します。 </ ol>
3. AC動静力学測定の実験
- 5枚のパラフィンフィルムをラップしてスペーサーを作製する。ヒートガンを用いてITO電極アレイと膜厚500μmのスペーサーを合わせ、顕微鏡ステージ上に電極を置きます。
- ステップ2.1と2.2で調製した粒子懸濁液8μLを交差電極アレイの中心に滴下する。カバーガラスをスペーサーの上に置きます。
- EROT実験では、関数発生器で2チャンネル間の位相シフトを90°に設定します。実験中（ステップ1.2.2-1.2.3の接続に基づく）、0.5〜4V ppの電圧振幅と100Hz〜5MHzの範囲の周波数の正弦波を印加します。
- ファンクションジェネレータの "波形"ボタンをクリックして波形を選択します。関数geの番号付きボタンを使用して電圧と周波数の値を入力します「出力」ボタンをクリックしてAC信号をオンにします。
- DEP実験では、2チャンネル間の位相シフトを0°に設定します。ステップ3.2.1のようにファンクションジェネレータを設定して、実験中（ステップ1.2.5の接続に基づく）、0.5〜4V ppの電圧振幅と100Hz〜5MHzの周波数の正弦波を印加します。
- 「出力」ボタンをクリックしてAC信号をオンにし、40X、NA0.6の対物レンズを備えた倒立光学顕微鏡で、粒子の動きと回転の画像をカメラで撮影します。
- 粒子の動きと回転の画像をソフトウェアに入力し、パーティクルトラッキングによって粒子の軌跡を分析し、粒子と角速度を取得します。
注意：ここでは画像二値化と粒子追跡のために "Image J"ソフトウェアと "MultiTracker"プラグインを使用しました。
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Representative Results
4相電極アレイは、ファイバレーザマーキング機によって生成される。ガラス上にコーティングされたITO導電層は、 図 1Bに示すように、160μmのギャップを有する交差パターンを形成するために、フォーカスレーザーによって除去される。
図1 ：ITO電極の準備。 （ A ）ファイバレーザマーキングマシン（1,064nm、20W、パルス幅90〜120ns、パルス繰り返し周波数20〜80kHz）を用いて4相ITO電極を作成する概略図。 （ B ）顕微鏡下での交差電極アレイの明視野像。 この図の拡大版を見るにはここをクリックしてくださいure。
インバータの回路図を図2Aに示す。 4相の電界を生成するために、電極アレイは、2チャネルのファンクションジェネレータと2つのインバータに接続されています。 図2 B。
図2 ：4相ジェネレータのセットアップと実験用マイクロチップの接続 （ A ）インバータの回路図。 （ B ）実験用マイクロチップの回路図。 （ C ）4相電極の4本の線をテープに直接接触させて接続します。 （ D ）隣接する電極間の位相シフトは90°（EROTの場合）または180°（DEPの場合）。 この図の拡大版を見るには、ここをクリックしてください。
図3Aに示すように、カバーガラスを使用してエタノール - シリカ粒子の液滴をわずかに引きずることによって、シリカ粒子の単層を調製する 。シリカ粒子の単層をスパッタリング装置に入れ、Auをコーティングする。最後に、 図 3Cに示すようにヤヌス粒子を調製する。
図3 ：ヤヌス粒子の調製手順。 （ A ）顕微鏡下でのシリカ粒子の単層。 （ B ）シリカ粒子の単層上にAuの薄い層をコーティングする模式図。 （ C ）顕微鏡下のヤヌス粒子の明視野像。粒子の暗い面はAuコーティングである。 この図の拡大版を見るには、ここをクリックしてください。
完全に被覆された金属粒子の調製を図4に示す。スライドおよびテープからなる容器には、 図4Aに示すように、2〜3mmの高さのPDMS混合物が充填される。 PDMS混合物を70℃のオーブンに2時間入れてPDMSスタンプを形成する。平坦な表面を有するPDMSスタンプを図 4Bに示す。完全に被覆された金属粒子の調製手順は、 Figure 4 C。完全に被覆された金属粒子を図 4Dに示す。
図4 ：完全に被覆された金属粒子の調製。 （ A ）スライドテープ容器中のPDMS混合物。 （ B ）表面が平坦なPDMSスタンプ。 （ C ）完全に被覆された金属粒子の調製手順。 （ D ）顕微鏡下で完全に被覆された金属粒子の明視野像。 この図の拡大版を見るには、ここをクリックしてください。
粒子EROTおよびDEPの代表的な結果はFigure 5。 Janus粒子のEROTは、一般に、 図5Aに示すように、固有周波数で最大角速度を有する電場（逆磁場）の反対方向にある。低周波数のJanus粒子のEROTは、共面方向に反転します。これは、より複雑な偏光メカニズムと、金属表面半球15,16の周りの誘導電荷電気浸透流のためであり得る。シリカ粒子のEROTは、すべての試験周波数範囲で共磁界であり、その特性周波数は、 図 5Bに示すように、最も低い試験周波数（約500Hz）である。図5Cに示すように、金属粒子のEROTはすべての試験周波数範囲で逆磁場であり、その固有周波数はJanus粒子のEROTよりも低い。から 図5 のA〜5Cでは、異なる種類の粒子間の電場周波数を用いて、CM因子の虚部の変化を見ることができます。さらに、ヤヌス粒子のEROT特性周波数は、完全に被覆された金属粒子よりも高いことが分かる。この結果は、ヤヌス粒子の分極が、2つの半球構造の単純な重ね合わせモデルによって直接説明できないことを示唆している。ヤヌス粒子2の分極のためのより複雑な機構が存在する。金属粒子のDEP測定は、 図 5Dに示されている。金属粒子のDEP応答は、より低い周波数ではn-DEPであるが、より高い周波数ではp-DEPであり、クロスオーバ周波数はEROT測定。
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図5 ：粒子EROTおよびDEPの代表的な結果。 （ A ）ヤヌス粒子のEROTスペクトル。 （ B ）シリカ粒子のEROTスペクトル。 （ C ）完全に被覆された金属粒子のEROTスペクトル。 （ D ）完全に被覆された金属粒子のDEPスペクトル。 この図の拡大版を見るには、ここをクリックしてください。
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Discussion
ファイバレーザマーキング装置を用いてITO電極アレイを製造することにより、任意のパターンの電極を迅速に製造する方法が提供される。しかしながら、この方法には、従来の方法で作製された金属電極と比較して、電荷キャリアが少なく、ITO電極の製造精度が低いなどの欠点がある。これらの欠点は、いくつかの実験を制限する可能性がある。例えば、電極間に大きな距離がある場合、電場の分布に影響を与える可能性のある電荷キャリアがより少ない。加えて、パターニングパラメータの調整は、この方法の重要なステップであり、これはITO電極アレイの品質に直接影響する。例えば、レーザ出力は、ガラス基板からのITO導電層の除去に影響を及ぼす。レーザーの周波数と速度は、ITO電極エッジの平滑さを決定します。通常、試行錯誤によって適切なパターニングパラメータが見つけられる。つまり、このmethodは、ITOガラス上に任意のパターンで電極を迅速かつ効率的に製造することができ、多くの種類の電気実験に応用することができ、研究などの用途に使用できます。
Janus粒子および金属粒子を乾燥プロセスで調製することは、簡単で便利な方法である。ピカリングエマルション法10 、電気流体力学的共噴射法11 、マイクロ流体光重合法12 、化学合成法15などの他の方法とは対照的に、この方法は短時間に多数の粒子を調製することができる。しかし、この方法の限界は、粒子の表面上の金属の堆積が不均一であり、粒子の形状をわずかに変える可能性があることである。乾燥工程の方法にはこのような限界があるが、Janus粒子を調製するには依然として有用な方法であり、金属粒子。
要約すると、この記事では、電極アレイを任意のパターンで迅速に準備する機能的方法と、多数の完全または部分的に被覆された金属粒子を提供しています。これは、マイクロ流体デバイスにおける粒子の操作および特徴付けを含む、電気力学の開発および適用を容易にすることができる。
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Disclosures
著者は何も開示することはない。
Acknowledgments
この研究は、助成金NSC 103-2112-M-002-008-MY3に基づき、台湾の科学技術省、ROCによって支援された。
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Silica Microsphere-2.34 µm | Bangs Laboratories | SS04N | |
| Ethyl Alcohol (99.5%) | KATAYAMA CHEMICAL | E-0105 | |
| SYLGARD 184 A&B Silicone Elastomer(PDMS) | DOW CORNING | PDMS | |
| ITO glass | Luminescence Technology | LT-G001 | |
| Fiber laser marking machine | Taiwan 3Axle Technology | TAFB-R-20W | |
| 2-channel function generator | Gwinsek | AFG-2225 | |
| CMOS camera | Point Grey | GS3-U3-32S4M-C | |
| Sputter | JEOL | JFC-1100E | |
| Operational Amplifiers | Texas Instruments | LM6361N | OP invertor |
| Ultrasonic Cleaner | Gui Lin Yiyuan Ultrasonic Machinery Co. | DG-1 | |
| Microcentrifuge | Scientific Specialties, Inc. | 1.5ml | |
| Mini Centrifuge | LMS | MC-MCF-2360 | |
| Microscope cover glass | Marienfeld-Superior | 18*18mm | |
| Inverted optical microscope | Olympus | OX-71 | |
| Parafilm | bemis | spacer |
References
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