使用快速制造的氧化铟锡电极阵列制备Janus粒子和交流电动势测量

Summary

在本文中，证明了使用快速制造的氧化铟锡（ITO）电极阵列制备部分或完全涂覆的金属颗粒和进行交流电动特性测量的简单方法。

Abstract

本文提供了一种制备部分或完全涂覆的金属颗粒并执行电极阵列的快速制造的简单方法，其可以促进微流体装置中的电学实验。 Janus颗粒是在其两侧含有两种不同表面性质的不对称颗粒。为了制备Janus颗粒，通过干燥过程制备单层二氧化硅颗粒。使用溅射装置将金（Au）沉积在每个颗粒的一侧上。完全涂覆的金属颗粒在第二次涂覆工艺之后完成。为了分析Janus粒子的电气表面性质，进行了在实验装置中需要专门设计的电极阵列的交流电（AC）电动力学测量，例如介电电泳（DEP）和电旋转（EROT）。然而，制造电极阵列的传统方法，例如光刻技术，需要一系列的复杂程序。在这里，我们介绍一种灵活的方法来制造设计的电极阵列。通过光纤激光打标机（1,064nm，20W，脉冲宽度为90〜120ns，脉冲重复频率为20〜80kHz）对铟锡氧化物（ITO）玻璃进行图案化，形成四相电极阵列。为了产生四相电场，电极连接到2通道功能发生器和两个反相器。相邻电极之间的相移设置为90°（对于EROT）或180°（对于DEP）。提出了具有四相ITO电极阵列的交流电动测量的代表性结果。

Introduction

以罗马神命名为双面的Janus粒子是不对称的粒子，其双面在物理或化学上具有不同的表面性质^1,2 。由于这种不对称特征，Janus颗粒在电场下表现出特殊的反应，例如DEP3,4,5,6，EROT2和诱导电荷电泳（ICEP） ^7,8,9 。最近报道了几种制备Janus颗粒的方法，包括Pickering乳液法¹⁰ ，电动液体共喷射法¹¹和微流体光聚合法¹² 。然而，这些方法需要一系列的组合提示设备和程序。本文介绍了一种简单的方法来制备Janus颗粒和完全涂覆的金属颗粒。在干燥过程中制备单层微尺度二氧化硅颗粒，并将其放入用Au涂覆的溅射装置中。颗粒的一个半球是阴影的，只有另一个半球涂有Au 2，13。 Janus颗粒的单层用聚二甲基硅氧烷（PDMS）印模冲压，然后用第二次涂覆工艺处理以制备完全涂覆的金属颗粒¹⁴ 。

为了表征Janus颗粒的电学性质，不同的AC电动反应（如DEP，EROT和电取向）被广泛使用9,15,16,17,18 19 。例如，EROT是在外部施加的旋转电场2,9,15,16处的颗粒的稳态旋转响应。通过测量EROT，可以获得颗粒的感应偶极子与电场之间的相互作用。由诱发偶极子和不均匀电场之间的相互作用产生的DEP能够导致粒子运动^3,4,5,9,15 。可以将不同种类的颗粒吸引到（正DEP）或排斥（负DEP）电极边缘，其用作操纵和表征微流体装置中的颗粒的一般方法。翻译（DEP）和旋转电场下的粒子特征（EROT）分别由克劳修斯 - 莫索蒂（CM）因子的实部和虚部支配。 CM因子取决于粒子和周围液体的电学性质，从特征频率ωC =2σ/ aC _DL ，DEP和EROT可知，其中σ是液体电导率，a是粒子半径， C _DL是电双层^15,16的电容。为了测量颗粒的EROT和DEP，需要特别设计的电极阵列图案。传统上，使用光刻技术来产生电极阵列并且需要一系列复杂的过程，包括光刻胶旋涂，掩模对准，曝光和显影^{15,18 ，}s =“xref”> 19，20。

在本文中，电极阵列的快速制造通过直接光学图案化来证明。通过光纤激光打标机（1,064nm，20W，90〜120ns脉冲宽度，20〜80kHz脉冲重复频率）部分地除去涂布在玻璃基板上的透明薄膜ITO层，形成四相电极阵列。对角电极之间的距离为150-800μm，可以进行调整以适应实验。四相电极阵列可用于表征和浓缩不同微流体装置15,16,18中的颗粒。为了产生四相电场，电极阵列连接到2通道功能发生器和两个反相器。相邻电极之间的相移设置为90°（对于EROT）或180°（DEP） ¹⁵ 。 AC信号以0.5至4 V _pp电压幅度施加，运行过程中频率范围为100 Hz至5 MHz。将Janus颗粒，金属颗粒和二氧化硅颗粒用作样品以测量其AC电动性质。将颗粒的悬浮液放置在电极阵列的中心区域，并在具有40X，NA 0.6目标的倒置光学显微镜下观察。使用数码相机记录颗粒运动和旋转。 DEP运动被记录在径向远离阵列中心的40至65μm之间的环形区域处，并且EROT被记录在径向远离阵列中心的圆形区域65μm处。颗粒速度和角速度通过粒子跟踪方法测量。粒子质心通过灰度或使用软件的粒子几何来区分。粒子速度和角速度由测量粒子质心的运动。

本文提供了一种快速制造任意图案化电极阵列的简单方法。它介绍了完全或部分涂覆的金属颗粒的制备，可用于不同领域，从生物学到工业应用。

Protocol

1.制造Microchip

1. 制备ITO电极
   1. 使用商业插图软件绘制交叉图案。将对角电极之间的距离设置为160μm，并使十字图案的臂宽30 mm，长55 mm， 如图1所示。将插图文件保存为DXF文件。
   2. 使用玻璃切割机将ITO玻璃修剪成尺寸为25 mm x 50 mm（宽x长）。使用75％乙醇和去离子水冲洗ITO玻璃几次。
   3. 将ITO玻璃放在脉冲光纤激光打标机上。通过将ITO玻璃和激光之间的距离调整到279.5mm，将激光对焦在ITO玻璃的表面上。
      注意：此处使用的激光器具有以下规格：1,064 nm，20 W，90至120 ns脉冲宽度和20至80 kHz脉冲重复频率，脉冲光强度约为5 x 10 ⁵ W / cm ²）。
   4. 直接将图示文件（DXF文件）输入激光打标机的计算机上。单击“标记参数”按钮，输入以下参数：速度“800 mm / s”权力“60％”和频率“40 kHz”。勾选“框架”，“填充”和“填充第一”条款。
      1. 点击“预览”按钮将图案放置在ITO玻璃中心。点击“标记样品”按钮对ITO玻璃进行图案化（ 图 1A ）。
2. 设置四相发电机并连接实验微芯片
   1. 构建逆变器的电路，如图2A所示。
   2. 通过与胶带直接接触将4根电线连接在四相电极上，如图2C所示。划分“通”el 1“的功能发生器分为两个分支，使用双BNC连接器。
      1. 将一个分支连接到连接到ITO电极的电线（＃1），另一个连接到逆变器的输入端。将反相器的输出连接到导线（＃3）， 如图2 B所示。
   3. 以与步骤1.2.2相同的步骤连接“通道2”，但如图2B所示连接到电线（＃2和＃4）。
   4. 对于EROT实验，将两个通道之间的相移设置为90°，直接在函数发生器上。在实验过程中，以0.5-4 V _pp电压振幅和频率范围为100 Hz至5 MHz施加正弦波， 如图2 D所示。
   5. 对于DEP实验，将通道1的一个分支连接到连接到ITO电极的另一个线（＃1）输入反相器。将变频器的输出连接到电线（＃2）。使用相同的步骤连接通道2，但连接到电线（＃3和＃4）。
   6. 在0°之间直接在函数发生器上设置2个通道之间的相移。在实验过程中，以0.5-4 V _pp电压振幅和频率范围为100 Hz至5 MHz施加正弦波， 如图2 D所示。

2.准备样品

1. Janus颗粒的制备
   1. 以2,200×g离心2μm二氧化硅颗粒水悬浮液（10％w / w）1分钟。
   2. 将2μL沉淀二氧化硅颗粒吸入1.5 mL微量离心管中，加入500μL乙醇（99.5％v / v）。
      注意：上清液不需要丢弃;只需将其保存在4°C的冰箱中即可。在pipettin之前不需要重新悬浮G。
   3. 使用超声波仪（43kHz，50W）超声处理乙醇 - 二氧化硅颗粒悬浮液1分钟，然后以2200×g离心3分钟。
   4. 用500μL乙醇代替上清液，重复步骤2.1.3三次。
   5. 用8μL乙醇代替上清液，并使用超声波仪（43 kHz，50 W）超声处理乙醇 - 二氧化硅颗粒悬浮液3 min。
      注意：在此步骤中约10μL乙醇 - 二氧化硅颗粒悬浮液应保留在管中。
   6. 移取2μL乙醇 - 二氧化硅颗粒悬浮液，并将其放在普通玻璃载玻片（宽度：25mm，长度：75mm，厚度：1.2mm）上以形成液滴。
      注意：这一数量的颗粒悬浮液足以制备5-6片幻灯片的单层（每张幻灯片2μL）。
   7. 用玻璃杯缓慢地将乙醇 - 二氧化硅颗粒微滴略微地拉成二氧化硅颗粒单层（ 图3） A ）。
   8. 将具有二氧化硅颗粒的单层的载玻片放入用Au涂覆的溅射装置中。
      1. 从100 mTorr的溅射室中取出空气，并注入氩气10分钟（用氩气代替空气）。停止注入氩气，然后从70 mTorr的室中取出氩气。
      2. 将电流设置为15 mA，持续200 s。 （ 图 3B ）;在此步骤中已经准备了Janus颗粒。
   9. 在溅射的载玻片上滴入20μL去离子水，并使用正常的200μL移液管尖从单层刮掉Janus颗粒。
      注意：在此步骤中，从单层刮掉的Janus颗粒悬浮在DI水滴中。
   10. 移取Janus颗粒悬液液滴并滴入另一个1.5 mL离心管中。
   11. 使用Janus颗粒悬浮液通过用DI水稀释至合适的浓度来制备样品为实验。
       注意：本文所述实验中颗粒悬浮液的浓度约为2,000次/μL。
2. 完全涂覆金属颗粒的制备 ¹⁴
   1. 以10：1的重量比混合PDMS聚合物基质和固化剂。
   2. 围绕玻璃片粘贴以形成容器的侧壁。将PDMS的混合物倒入带胶片上以获得2-3mm的PDMS层， 如图4A所示。
   3. 将胶带滑块（容器）与PDMS混合物放入气密室中，运行真空泵30分钟以除去PDMS混合物中的气泡。
   4. 将带有PDMS混合物的胶带（容器）（步骤2.2.3）放入烤箱。在70℃下固化PDMS混合物2小时以形成PDMS印章。
   5. PDMS邮票固化后，取出幻灯片和胶带，以获取PDMS邮票，表面其最初附着在玻璃板上，形成平坦的表面，如图4B所示。
   6. 按照2.1.1-2.1.8中的步骤在幻灯片上制备单层Janus粒子。
   7. 使用PDMS邮票的平整表面均匀压印单层。
   8. 将PDMS邮票与从步骤2.1.8中制作的载玻片倒置的Janus粒子单层进入待镀Au的溅射装置中。
      1. 从100 mTorr的溅射室中取出空气，并注入氩气10分钟（用氩气代替空气）。停止注入氩气，然后从70 mTorr的室中取出氩气。
      2. 将电流设置为15 mA，持续200 s（ 图4 C ）;在该步骤中已经制备了完全涂覆的金属颗粒。
   9. 按照2.1.9-2.1.11中的步骤准备实验样品。
   </醇>

   交流电动测量实验

   1. 包裹5片石蜡膜以制备间隔物。使用热枪将ITO电极阵列与厚度为500μm的膜间隔物结合，并将电极放置在显微镜载物台上。
      1. 将8μL在步骤2.1和2.2中制备的颗粒悬浮液滴到交叉电极阵列的中心。在隔片上放置一个盖玻片。
   2. 对于EROT实验，在功能发生器上，将2个通道之间的相移设置为90°。在实验期间以0.5-4 V _pp电压幅度和范围从100 Hz到5 MHz的频率施加正弦波（基于步骤1.2.2-1.2.3中的连接）。
      1. 通过单击函数发生器上的“波形”按钮选择波形。使用功能ge上的编号按钮输入电压和频率值然后点击“输出”按钮打开交流信号。
   3. 对于DEP实验，将2个通道之间的相移设置为0°。在实验期间（基于步骤1.2.5中的连接），以0.5-4 V _pp电压幅度和频率100 Hz至5 MHz施加正弦波，方法如第3.2.1节中那样设置函数发生器。
   4. 通过点击“输出”按钮打开交流信号，并使用相机用40X，NA 0.6物镜在倒置光学显微镜下捕获颗粒运动和旋转的图像。
   5. 将粒子运动和旋转的图像输入到软件中，并通过粒子跟踪分析粒子的轨迹，以获得粒子和角速度。
      注意：“Image J”软件及其“MultiTracker”插件用于图像二值化和粒子跟踪。

Representative Results

四相电极阵列由光纤激光打标机产生。通过聚焦激光去除涂覆在玻璃上的ITO导电层，形成间隙为160μm的交叉图案， 如图1B所示。

图1 ：ITO电极的制备。 （ A ）使用光纤激光打标机（1,064nm，20W，90〜120ns脉冲宽度，20〜80kHz脉冲重复频率）生成四相ITO电极的示意图。 （ B ）显微镜下交叉电极阵列的亮场图像。 请点击这里查看此图的较大版本URE。

逆变器的电路图如图2A所示。为了产生四相电场，电极阵列连接到2通道功能发生器和两个反相器，如 图2 B。

图2 ：四相发电机的设置和实验Microchip的连接。 （ A ）逆变器的电路图。 （ B ）实验微芯片原理图。 （ C ）通过与胶带直接接触将四相电极上的4根电线连接起来。 （ D ）相邻电极之间的相移设定为90°（对于EROT）或180°（对于DEP）。 请点击此处查看此图的较大版本。

如图3A所示，通过使用盖玻璃稍微拖曳乙醇 - 二氧化硅颗粒微滴来制备单层二氧化硅颗粒。将二氧化硅颗粒的单层放入溅射装置中以涂覆Au。最后，准备Janus颗粒， 如图3C所示。

图3 ：Janus粒子的制备程序。 （ A ）显微镜下的二氧化硅颗粒单层。 （ B ）将薄层的Au涂覆到二氧化硅颗粒的单层上的示意图。 （ C ）显微镜下Janus粒子的明场图像。颗粒的黑色面是Au涂层。 请点击此处查看此图的较大版本。

完全涂覆的金属颗粒的制备如图4所示。由滑块和胶带组成的容器装载PDMS混合物至2至3毫米的高度， 如图4A所示。将PDMS混合物在70℃下放入烘箱中2小时以形成PDMS印章。具有平坦表面的PDMS印模如图 4B所示。完全涂覆的金属颗粒的制备过程如图所示e 4 C。完全涂覆的金属颗粒如图4D所示。

图4 ：全涂层金属颗粒的制备。 （ A ）滑动带容器中的PDMS混合物。 （ B ）具有平坦表面的PDMS邮票。 （ C ）完全涂覆的金属颗粒的制备程序。 （ D ）在显微镜下完全涂覆的金属颗粒的明场图像。 请点击此处查看此图的较大版本。

粒子EROT和DEP的代表性结果如图所示e 5。 Janus粒子的EROT通常与电场的相反方向（反场）具有特征频率处的最大角速度， 如图5A所示。低频下的Janus粒子的EROT反转到共方向，这可能是因为金属表面半球^15,16周围的复杂的极化机制和诱导电荷电渗流。二氧化硅颗粒的EROT在所有测试频率范围内是同场的，其特征频率处于最低测试频率（〜500Hz），如图5B所示。金属颗粒的EROT在所有测试频率范围内均为反场，其特征频率低于Janus颗粒的特征频率， 如图5 C所示。从 图5 A-5C ，我们可以看到CM因子的虚部的变化，不同种类的粒子之间的电场频率。此外，我们可以看出，Janus颗粒的EROT特征频率高于完全涂覆的金属颗粒。这个结果表明，Janus粒子的极化不能通过两个半球结构的简单叠加模型直接解释。对于Janus粒子²的极化有一个更复杂的机制。金属颗粒的DEP测量结果如图5 D所示。结果表明，金属颗粒的DEP响应在较低频率下为n-DEP，而在较高频率下为p-DEP，交叉频率与特征频率一致EROT测量。

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图5 ：粒子EROT和DEP的代表性结果。 （ A ）Janus粒子的EROT谱。 （ B ）二氧化硅颗粒的EROT光谱。 （ C ）完全涂覆的金属颗粒的EROT光谱。 （ D ）完全涂覆金属颗粒的DEP光谱。 请点击此处查看此图的较大版本。

Discussion

使用光纤激光打标机制造ITO电极阵列提供了制备具有任意图案的电极的快速方法。然而，与通过传统方法制造的金属电极相比，该方法仍然存在诸如较少的电荷载体和较低的ITO电极的制造精度的缺点。这些缺点可能会限制一些实验。例如，当电极之间存在大的距离时，较少的载流子可能影响电场的分布。此外，图案化参数的调整是该方法中的关键步骤，其直接影响ITO电极阵列的质量。例如，激光功率影响从玻璃基板去除ITO导电层。激光的频率和速度决定了ITO电极边缘的平滑度。通常，通过试错法找到合适的图案参数。总之，od能够以任意图案快速有效地在ITO玻璃上生产电极，可应用于多种电学实验，用于研究和其他应用。

用干燥工艺制备Janus颗粒和金属颗粒是一种简单方便的方法。与其他方法相比，如Pickering乳液法¹⁰ ，电动液体共喷射法¹¹ ，微流体光聚合法¹²和化学合成法¹⁵ ，该方法能够在短时间内制备大量的颗粒。然而，该方法的局限性在于，颗粒表面上的金属沉积可能不均匀，这可能稍微改变颗粒形状。虽然干燥方法具有这种限制，但仍然是制备Janus颗粒的有用方法金属颗粒。

总之，本文提供了以任意图案快速制备电极阵列以及大量完全或部分涂覆的金属颗粒的功能方法。这可以促进电动力学的开发和应用，包括用于微流体装置中颗粒的操作和表征。

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