Bereiding van Janus-deeltjes en wisselende stroom elektrokinetische metingen met een snel vervaardigde Indium-tinoxide-elektrode-array
Summary
In dit artikel wordt een eenvoudige methode om gedeeltelijk of volledig gecoate metallische deeltjes te bereiden en AC-elektrokinetische eigenschappen te meten met een snel vervaardigde indiumtinoxide (ITO) -elektrode-array aangetoond.
Abstract
Dit artikel biedt een eenvoudige methode om gedeeltelijk of volledig gecoate metallische deeltjes te bereiden en om de snelle fabricage van elektrode arrays te verrichten, die elektrische experimenten in microfluïdische apparaten kunnen vergemakkelijken. Janus deeltjes zijn asymmetrische deeltjes die op hun twee zijden twee verschillende oppervlakte eigenschappen bevatten. Voor het bereiden van Janus deeltjes wordt een monolaag van silica deeltjes bereid door een droogproces. Goud (Au) wordt aan één kant van elk deeltje gedeponeerd met behulp van een sputterapparaat. De volledig gecoate metallische deeltjes worden na het tweede bekledingsproces voltooid. Om de elektrische oppervlakte eigenschappen van Janus deeltjes te analyseren, worden wisselstroom (AC) elektrokinetische metingen, zoals dielektroforese (DEP) en electrorotatie (EROT) – die speciaal ontworpen elektrode arrays in het experimentele apparaat nodig hebben – uitgevoerd. Echter, traditionele methoden voor het vervaardigen van elektrode arrays, zoals de fotolithografische techniek, vereisen een serieVan ingewikkelde procedures. Hier introduceren we een flexibele methode om een ontworpen elektrode array te fabriceren. Een glas van indiumtinoxide (ITO) wordt gevormd door een glasvezelmarkeringsmachine (1,064 nm, 20 W, 90 tot 120 ns pulsbreedte en 20 tot 80 kHz pulsherhalingsfrequentie) om een vierfasige elektrode-array te creëren. Om het vierfase elektrisch veld te genereren, worden de elektroden verbonden met een 2-kanaals-functie generator en op twee inverters. De faseverschuiving tussen de aangrenzende elektroden is ingesteld op 90 ° (voor EROT) of 180 ° (voor DEP). Representatieve resultaten van AC-elektrokinetische metingen met een vierfasige ITO-elektrode-array worden gepresenteerd.
Introduction
Janus deeltjes, genoemd naar de Romeinse god met een dubbel gezicht, zijn asymmetrische deeltjes waarvan de twee zijden fysisch of chemisch verschillend oppervlakken eigenschappen 1 , 2 hebben . Door deze asymmetrische eigenschap hebben Janus deeltjes speciale reacties onder elektrische velden, zoals DEP 3 , 4 , 5 , 6 , EROT 2 en geïnduceerde lading elektroforese (ICEP) 7 , 8 , 9 . Onlangs zijn diverse methoden voor het bereiden van Janus deeltjes gerapporteerd, waaronder de Pickering emulsie methode 10 , de elektrohydrodynamische co-methode 11 , en de microfluïdische fotopolymerisatie methode 12 . Deze methoden vereisen echter een reeks compGelicentieerde apparaten en procedures. Dit artikel introduceert een eenvoudige methode om Janus deeltjes en volledig gecoate metallische deeltjes te bereiden. Een monolaag van micro-schaalde siliciumdioxide deeltjes wordt bereid in een droogproces en wordt in een sputterapparaat aangebracht die met Au wordt bedekt. Een halfrond van het deeltje is schaduwrijk, en alleen het andere halfrond is bedekt met Au 2 , 13 . De monolaag van het Janus-deeltje wordt gestempeld met een polydimethylsiloxaan (PDMS) -stempel en vervolgens behandeld met een tweede coatingproces om volledig gecoate metallische deeltjes 14 te bereiden.
Om de elektrische eigenschappen van een Janus-deeltje te karakteriseren, worden verschillende AC-elektrokinetische reacties, zoals DEP, EROT en elektro-oriëntatie, veel gebruikt 9 , 15 , 16 , 17 , 18 <sUp>, 19 . Bijvoorbeeld, EROT is de steady state roterende reactie van een deeltje onder een extern opgeladen roterend elektrisch veld 2 , 9 , 15 , 16 . Door de EROT te meten kan de interactie tussen de geïnduceerde dipool van de deeltjes en de elektrische velden worden verkregen. DEP, die voortvloeit uit de interactie tussen de geïnduceerde dipolen en een niet-uniform elektrisch veld, kan leiden tot deeltjesbeweging 3 , 4 , 5 , 9 , 15 . Verschillende soorten deeltjes kunnen aangetrokken worden tot (positieve DEP) of afstoten van (negatieve DEP) de elektrode randen, die dient als een algemene methode voor het manipuleren en karakteriseren van deeltjes in het microfluïdische apparaat. De translatie (DEP) en Rota (EROT) kenmerken van het deeltje onder het elektrische veld worden gedomineerd door het echte en denkbeeldige deel van de Clausius-Mossotti (CM) -factor, respectievelijk. De CM-factor hangt af van de elektrische eigenschappen van de deeltjes en de omringende vloeistof, die worden onthuld uit de kenmerkende frequentie, ω c = 2σ / aC DL , van DEP en EROT, waar σ de vloeibare geleidbaarheid is, a de deeltjesradius is, En C DL is de capaciteit van de elektrische dubbele laag 15 , 16 . Om de EROT en DEP van deeltjes te meten, zijn speciaal ontworpen elektrode array patronen nodig. Traditioneel wordt een fotolithografische techniek gebruikt om elektrode arrays te maken en vereist een reeks ingewikkelde procedures, waaronder fotoresist spin coating, masker uitlijning, blootstelling en ontwikkeling 15 , 18 ,S = "xref"> 19 , 20 .
In dit artikel wordt de snelle fabricage van elektrode arrays aangetoond door directe optische patronen. Een transparante dunne-film-ITO-laag, die op het glazen substraat is bekleed, wordt gedeeltelijk verwijderd door een glasvezelmarkeringsmachine (1,064 nm, 20 W, 90 tot 120 ns pulsbreedte en 20 tot 80 kHz pulsherhalingsfrequentie) om te vormen Een vierfase elektrode array. De afstand tussen de diagonale elektroden is 150-800 μm, die kan worden aangepast aan de experimenten. De vierfase-elektrode-array kan gebruikt worden om deeltjes in verschillende microfluidische inrichtingen 15 , 16 , 18 te karakteriseren en te concentreren. Om het vierfase elektrisch veld te genereren, is de elektrode array aangesloten op een 2-kanaals-functie generator en op twee invertors. De faseverschuiving tussen de aangrenzende elektroden is ingesteld op 90 ° (voor EROT) of 180 ° (voor DEP) 15 . Het AC signaal wordt toegepast op een spanning amplitude van 0,5 tot 4 V, en de frequentie varieert van 100 Hz tot 5 MHz tijdens het bedrijfsproces. Janus deeltjes, metallische deeltjes en silica deeltjes worden gebruikt als monsters om hun AC elektrokinetische eigenschappen te meten. Suspensies van de deeltjes worden geplaatst op het middengebied van de elektrode-array en worden waargenomen onder een omgekeerde optische microscoop met een doelstelling van 40X, NA 0,6. Partikelbeweging en rotatie worden opgenomen met een digitale camera. De DEP-beweging is opgenomen in het ringvormige gebied, tussen 40 en 65 μm radiaal weg van het matrixcentrum, en EROT is in het cirkelgebied geregistreerd, 65 μm radiaal weg van het matrixcentrum. De deeltjesnelheid en de hoeksnelheid worden gemeten door middel van de deeltjesopsporingswerkwijze. De deeltjescentroïden worden gekenmerkt door grijsschaal of geometrie van deeltjes met behulp van software. De deeltjesnelheid en de hoeksnelheid worden verkregen doorHet meten van de bewegingen van de deeltjescentroïden.
Dit artikel biedt een eenvoudige methode om willekeurig geproduceerde elektrode arrays snel te vervaardigen. Het introduceert de voorbereiding van volledig of gedeeltelijk gecoate metallische deeltjes, die in verschillende velden kunnen worden gebruikt, met toepassingen variërend van biologie tot industriële toepassingen.
Protocol
Representative Results
Discussion
Het vervaardigen van ITO-elektrode arrays met behulp van de vezel laser markeringsmachine biedt een snelle methode om elektroden op te stellen met willekeurige patronen. Er zijn echter nog enkele nadelen voor deze methode, zoals minder laders en de lagere fabricage-nauwkeurigheid van ITO-elektroden in vergelijking met metalen elektroden die zijn gecreëerd door traditionele methodes. Deze nadelen kunnen sommige experimenten beperken. Bijvoorbeeld, minder laders kunnen de distributie van het elektrische veld beïnvloeden…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dit werk werd ondersteund door het ministerie van Wetenschap en Technologie, Taiwan, ROC, onder subsidie NSC 103-2112-M-002-008-MY3.
Materials
| 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
- Walther, A., Müller, A. H. Janus particles. Soft Matter. 4 (4), 663-668 (2008).
- Chen, Y. -. L., Jiang, H. -. R. Electrorotation of a metallic coated Janus particle under AC electric fields. Appl Phys Lett. 109 (19), 191605 (2016).
- 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).
- Gangwal, S., Cayre, O. J., Velev, O. D. Dielectrophoretic assembly of metallodielectric Janus particles in AC electric fields. Langmuir. 24 (23), 13312-13320 (2008).
- Zhang, L., Zhu, Y. Dielectrophoresis of Janus particles under high frequency ac-electric fields. Appl Phys Lett. 96 (14), 141902 (2010).
- 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).
- Gangwal, S., Cayre, O. J., Bazant, M. Z., Velev, O. D. Induced-charge electrophoresis of metallodielectric particles. Phys Rev Lett. 100 (5), 058302 (2008).
- 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).
- Ramos, A., García-Sánchez, P., Morgan, H. AC electrokinetics of conducting microparticles: A review. Curr Opin Colloid Interface Sci. 24, 79-90 (2016).
- Hong, L., Jiang, S., Granick, S. Simple method to produce Janus colloidal particles in large quantity. Langmuir. 22 (23), 9495-9499 (2006).
- Bhaskar, S., Hitt, J., Chang, S. W. L., Lahann, J. Multicompartmental microcylinders. Angewandte Chemie International Edition. 48 (25), 4589-4593 (2009).
- 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).
- 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).
- Pawar, A. B., Kretzschmar, I. Multifunctional patchy particles by glancing angle deposition. Langmuir. 25 (16), 9057-9063 (2009).
- 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).
- Ren, Y. K., Morganti, D., Jiang, H. Y., Ramos, A., Morgan, H. Electrorotation of metallic microspheres. Langmuir. 27 (6), 2128-2131 (2011).
- Jones, T. B., Jones, T. B. . Electromechanics of particles. , (2005).
- Morganti, D. . AC electrokinetic analysis of chemically modified microparticles. , (2012).
- Morgan, H., Hughes, M. P., Green, N. G. Separation of submicron bioparticles by dielectrophoresis. Biophys J. 77 (1), 516-525 (1999).
- Ren, Y., et al. Induced-charge electroosmotic trapping of particles. Lab Chip. 15 (10), 2181-2191 (2015).
