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Herstellung von Janus-Partikeln und Wechselstrom-Elektrokinetischen Messungen mit einem schnell gefertigten Indium-Zinn-Oxid-Elektroden-Array

Published: June 23, 2017 doi: 10.3791/55950
Automatic Translation
1, 1
1Institute of Applied Mechanics, National Taiwan University

Summary

In diesem Artikel wird ein einfaches Verfahren zur Herstellung von teilweise oder vollständig beschichteten metallischen Teilchen und zur Durchführung von elektrokinetischen Eigenschaftsmessungen mit einer schnell hergestellten Indiumzinnoxid (ITO) Elektrodenanordnung gezeigt.

Abstract

Dieser Artikel stellt ein einfaches Verfahren bereit, um teilweise oder vollständig beschichtete metallische Teilchen herzustellen und die schnelle Herstellung von Elektrodenanordnungen durchzuführen, die elektrische Experimente in mikrofluidischen Vorrichtungen erleichtern können. Janus-Partikel sind asymmetrische Partikel, die zwei unterschiedliche Oberflächeneigenschaften auf beiden Seiten enthalten. Zur Herstellung von Janus-Partikeln wird eine Monoschicht aus Siliciumdioxid-Partikeln durch ein Trocknungsverfahren hergestellt. Gold (Au) wird auf einer Seite jedes Teilchens unter Verwendung einer Zerstäubungsvorrichtung abgeschieden. Die vollständig beschichteten metallischen Partikel werden nach dem zweiten Beschichtungsprozess vervollständigt. Zur Analyse der elektrischen Oberflächeneigenschaften von Janus-Partikeln werden Wechselstrom- (AC) elektrokinetische Messungen wie Dielektrophorese (DEP) und Elektrorotation (EROT) durchgeführt, die spezifisch konstruierte Elektrodenarrays in der experimentellen Vorrichtung erfordern. Jedoch erfordern herkömmliche Verfahren zur Herstellung von Elektrodenanordnungen, wie die photolithographische Technik, eine ReiheKomplizierte Verfahren. Hier stellen wir eine flexible Methode zur Herstellung eines entworfenen Elektrodenarrays vor. Ein Indium-Zinnoxid (ITO) -Glas wird durch eine Faserlaser-Markierungsmaschine (1,064 nm, 20 W, 90 bis 120 ns Pulsbreite und 20 bis 80 kHz Pulswiederholfrequenz) gemustert, um ein Vierphasen-Elektroden-Array zu erzeugen. Um das Vierphasen-Feld zu erzeugen, sind die Elektroden mit einem 2-Kanal-Funktionsgenerator und mit zwei Invertern verbunden. Die Phasenverschiebung zwischen den benachbarten Elektroden wird entweder auf 90 ° (für EROT) oder 180 ° (für DEP) eingestellt. Repräsentative Ergebnisse von AC-Elektrokinetischen Messungen mit einem Vier-Phasen-ITO-Elektroden-Array werden vorgestellt.

Introduction

Janus-Partikel, benannt nach dem römischen Gott mit einer doppelten Fläche, sind asymmetrische Teilchen, deren zwei Seiten physikalisch oder chemisch unterschiedliche Oberflächeneigenschaften 1 , 2 haben . Aufgrund dieses asymmetrischen Merkmals zeigen Janus-Partikel spezielle Reaktionen unter elektrischen Feldern wie DEP 3 , 4 , 5 , 6 , EROT 2 und induzierte Ladungselektrophorese (ICEP) 7 , 8 , 9 . In letzter Zeit wurden mehrere Verfahren zur Herstellung von Janus-Partikeln beschrieben, einschließlich des Pickering-Emulsionsverfahrens 10 , des elektrohydrodynamischen Co-Jetting-Verfahrens 11 und des mikrofluidischen Photopolymerisationsverfahrens 12 . Diese Methoden erfordern jedoch eine Reihe von compGerichtete Geräte und Verfahren. Dieser Artikel stellt eine einfache Methode zur Herstellung von Janus-Partikeln und vollständig beschichteten metallischen Partikeln vor. Eine Monoschicht aus mikroskaligen Siliciumdioxidpartikeln wird in einem Trocknungsprozess hergestellt und in eine mit Au beschichtete Sputtervorrichtung gegeben. Eine Halbkugel des Teilchens ist schattiert, und nur die andere Hemisphäre ist mit Au 2 , 13 beschichtet. Die Monoschicht des Janus-Teilchens wird mit einem Polydimethylsiloxan (PDMS) -Stampfen versehen und dann mit einem zweiten Beschichtungsverfahren behandelt, um vollständig beschichtete metallische Teilchen 14 herzustellen.

Um die elektrischen Eigenschaften eines Janus-Teilchens zu charakterisieren, werden verschiedene AC-Elektrokinetische Reaktionen wie DEP, EROT und Elektro-Orientierung weit verbreitet 9 , 15 , 16 , 17 , 18 verwendet 19 Beispielsweise ist EROT die stationäre Rotationsreaktion eines Teilchens unter einem extern auferlegten rotierenden elektrischen Feld 2 , 9 , 15 , 16 . Durch Messung der EROT kann die Wechselwirkung zwischen dem induzierten Dipol der Teilchen und den elektrischen Feldern erreicht werden. DEP, das aus der Wechselwirkung zwischen den induzierten Dipolen und einem ungleichförmigen elektrischen Feld entsteht, kann zur Teilchenbewegung 3 , 4 , 5 , 9 , 15 führen . Verschiedene Arten von Partikeln können von (positiven DEP) angezogen oder von (negativen DEP) der Elektrodenkanten abgestoßen werden, was als allgemeines Verfahren zur Manipulation und Charakterisierung von Partikeln in der mikrofluidischen Vorrichtung dient. Die Translations (DEP) und Rota (EROT) -Eigenschaften des Teilchens unter dem elektrischen Feld werden durch den Real- und Imaginärteil des Clausius-Mossotti (CM) -Faktors dominiert. Der CM-Faktor hängt von den elektrischen Eigenschaften der Partikel und der umgebenden Flüssigkeit ab, die sich aus der charakteristischen Frequenz ω c = 2σ / aC DL von DEP und EROT ergeben, wobei σ die Flüssigkeitsleitfähigkeit ist, a der Partikelradius, Und C DL ist die Kapazität der elektrischen Doppelschicht 15 , 16 . Zur Messung der EROT und DEP von Partikeln werden speziell entwickelte Elektroden-Array-Muster benötigt. Herkömmlicherweise wird eine photolithographische Technik verwendet, um Elektrodenanordnungen zu erzeugen, und erfordert eine Reihe von komplizierten Prozeduren, einschließlich Photoresist-Schleuderbeschichtung, Maskenausrichtung, Belichtung und Entwicklung 15 , 18 ,S = "xref"> 19 , 20 .

In diesem Artikel wird die schnelle Herstellung von Elektrodenanordnungen durch direkte optische Strukturierung demonstriert. Eine transparente Dünnfilm-ITO-Schicht, die auf das Glassubstrat aufgetragen wird, wird teilweise durch eine Faserlaser-Markierungsmaschine (1.064 nm, 20 W, 90 bis 120 ns Pulsbreite und 20 bis 80 kHz Pulswiederholfrequenz) entfernt Ein Vierphasen-Elektroden-Array. Der Abstand zwischen den Diagonalelektroden beträgt 150-800 μm, der an die Experimente angepasst werden kann. Die Vierphasen-Elektrodenanordnung kann verwendet werden, um Partikel in verschiedenen mikrofluidischen Vorrichtungen 15 , 16 , 18 zu charakterisieren und zu konzentrieren. Um das Vierphasen-Feld zu erzeugen, ist das Elektroden-Array mit einem 2-Kanal-Funktionsgenerator und mit zwei Invertern verbunden. Die Phasenverschiebung zwischen den benachbarten Elektroden wird entweder auf 90 ° (für EROT) oder 1 eingestellt80 ° (für DEP) 15 . Das Wechselstromsignal wird bei einer Amplitude von 0,5 bis 4 V pp angelegt, und die Frequenz reicht von 100 Hz bis 5 MHz während des Betriebsprozesses. Janus-Partikel, metallische Partikel und Siliciumdioxid-Partikel werden als Proben verwendet, um ihre elektrokinetischen Eigenschaften zu messen. Suspensionen der Partikel werden auf den mittleren Bereich des Elektrodenarrays gelegt und unter einem invertierten optischen Mikroskop mit einem 40X, NA 0.6-Objektiv beobachtet. Partikelbewegung und Rotation werden mit einer Digitalkamera aufgenommen. Die DEP-Bewegung wird am ringförmigen Bereich zwischen 40 und 65 μm radial entfernt von der Array-Mitte aufgezeichnet und EROT wird im kreisförmigen Bereich, 65 μm radial entfernt von der Array-Mitte aufgezeichnet. Die Partikelgeschwindigkeit und die Winkelgeschwindigkeit werden nach dem Partikel-Tracking-Verfahren gemessen. Die Partikel-Zentroide zeichnen sich durch Graustufen oder Geometrie von Partikeln mit Software aus. Die Teilchengeschwindigkeit und die Winkelgeschwindigkeit werden durch erhaltenMessung der Bewegungen der Partikel-Zentroide.

Dieser Artikel stellt eine einfache Methode zur schnellen Herstellung von willkürlich gemusterten Elektrodenanordnungen bereit. Es stellt die Vorbereitung von vollständig oder teilweise beschichteten metallischen Partikeln vor, die in verschiedenen Bereichen eingesetzt werden können, mit Anwendungen, die von Biologie bis hin zu Industrieanwendungen reichen.

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Protocol

1. Herstellung des Mikrochips

  1. Vorbereitung der ITO-Elektrode
    1. Verwenden Sie kommerzielle Illustration Software, um ein Kreuzmuster zu zeichnen. Stellen Sie den Abstand zwischen den Diagonalelektroden auf 160 & mgr; m ein und machen Sie die Arme des Kreuzmusters 30 mm breit und 55 mm lang, wie in 1 gezeigt . Speichern Sie die Illustrationsdatei als DXF-Datei.
    2. Verwenden Sie einen Glasschneider, um das ITO-Glas auf eine Größe von 25 mm x 50 mm (Breite x Länge) zu schneiden. Verwenden Sie 75% Ethanol und DI Wasser, um das ITO-Glas mehrmals zu spülen.
    3. Setzen Sie das ITO-Glas auf die Pulsfaser-Lasermarkierungsmaschine. Fokussieren Sie den Laser auf die Oberfläche des ITO-Glases, indem Sie den Abstand zwischen dem ITO-Glas und dem Laser auf 279,5 mm einstellen.
      HINWEIS: Der hier verwendete Laser hat folgende Spezifikationen: 1.064 nm, 20 W, 90 bis 120 ns Pulsbreite und 20 bis 80 kHz Impulswiederholfrequenz mit einer Impulslichtintensität bei ca. 5 x 10 5 W / cm 2).
    4. Laden Sie die Bilddatei (DXF-Datei) direkt auf den Computer der Lasermarkierungsmaschine. Klicken Sie auf die Schaltfläche "Parameter markieren" und geben Sie folgende Parameter ein: Geschwindigkeit, "800 mm / s"; Macht, "60%;" Und Frequenz, "40 kHz". Markiere den "Frame", "Fill" und "Fill First".
      1. Klicken Sie auf die Schaltfläche "Vorschau", um das Muster an der ITO-Glaszentrale zu positionieren. Klicken Sie auf die Schaltfläche "Stichprobe markieren", um das ITO-Glas zu kopieren ( Abbildung 1 A ).
  2. Einrichten eines Vierphasengenerators und Verbinden des experimentellen Mikrochips
    1. Bauen Sie die Schaltkreise der Inverter, wie in Abbildung 2 gezeigt.
    2. Verbinden Sie die 4 Drähte auf der Vierphasenelektrode durch direkten Kontakt mit dem Band, wie in Abbildung 2 C gezeigt . Teilen Sie die "ChannEl 1 "des Funktionsgenerators in zwei Zweige mit einem Doppel-BNC-Stecker.
      1. Verbinden Sie einen Zweig mit dem Draht (# 1), der an der ITO-Elektrode und der andere an den Eingang des Inverters angeschlossen ist. Verbinden Sie den Ausgang des Inverters mit dem Draht (# 3), wie in Abbildung 2 B gezeigt .
    3. Verbinden Sie "Kanal 2" mit dem gleichen Verfahren wie in Schritt 1.2.2, aber verbinden Sie sich mit den Drähten (# 2 und # 4), wie in Abbildung 2 B gezeigt .
    4. Für die EROT-Experimente die Phasenverschiebung zwischen den beiden Kanälen auf 90 °, direkt am Funktionsgenerator einstellen. Eine Sinuswelle mit einer Amplitude von 0,5-4 Vpp und einer Frequenz von 100 Hz bis 5 MHz während der Experimente anwenden, wie in Abbildung 2 gezeigt.
    5. Für die DEP-Experimente, verbinden Sie einen Zweig von Kanal 1 mit dem Draht (# 1), der an der ITO-Elektrode und der anderen an derEingang des Inverters. Verbinden Sie den Ausgang des Inverters mit dem Draht (# 2). Verbinden Sie Kanal 2 mit dem gleichen Verfahren, aber verbinden Sie sich mit den Drähten (# 3 und # 4).
    6. Stellen Sie die Phasenverschiebung zwischen den 2 Kanälen bei 0 °, direkt am Funktionsgenerator ein. Eine Sinuswelle mit einer Amplitude von 0,5-4 Vpp und einer Frequenz von 100 Hz bis 5 MHz während der Experimente anwenden, wie in Abbildung 2 gezeigt.

2. Vorbereitung der Proben

  1. Vorbereitung der Janus-Partikel
    1. Die 2 μm Siliciumdioxidteilchen-wässrige Suspension (10% Gew./Gew.) Bei 2.200 xg für 1 min zentrifugieren
    2. 2 & mgr; l sedimentäre Siliciumdioxidteilchen in ein 1,5 ml Mikrozentrifugenröhrchen pipettieren und 500 & mgr; l Ethanol (99,5% V / V) zugeben.
      HINWEIS: Der Überstand muss nicht weggeworfen werden; Nur bei 4 ° C im Kühlschrank lagern. Es muss nicht vor Pipettin resuspendiert werdenG.
    3. Die Ethanol-Siliciumdioxid-Partikel-Suspension wird mit einem Ultraschallgerät (43 kHz, 50 W) für 1 min inkubiert und dann bei 2.200 xg für 3 min zentrifugiert.
    4. Ersetzen Sie den Überstand mit 500 μl Ethanol und wiederholen Sie Schritt 2.1.3 dreimal.
    5. Ersetzen Sie den Überstand mit 8 μl Ethanol und schlagen Sie die Ethanol-Siliciumdioxid-Partikelsuspension mit einem Ultraschallgerät (43 kHz, 50 W) für 3 min auf.
      HINWEIS: Etwa 10 μl Ethanol-Siliciumdioxid-Partikel-Suspension sollten in diesem Schritt in der Röhre verbleiben.
    6. 2 μl Ethanol-Siliciumdioxid-Partikelsuspension pipettieren und auf einen normalen Glasschieber (Breite: 25 mm, Länge: 75 mm und Dicke: 1,2 mm) tropfen lassen, um ein Tröpfchen zu bilden.
      Hinweis: Diese Menge an Partikelsuspension reicht aus, um die Monoschichten für 5-6 Folien (2 μl für jede Folie) herzustellen.
    7. Ziehen Sie das Ethanol-Siliciumdioxid-Partikel-Tröpfchen langsam mit einem Deckglas ab, um eine Monoschicht aus Siliciumdioxid-Partikeln zu bilden ( Abbildung 3 A ).
    8. Setzen Sie den Objektträger mit der Monoschicht aus Siliciumdioxidteilchen in eine mit Au beschichtete Sputtervorrichtung.
      1. Entfernen Sie die Luft aus der Sputterkammer bei 100 mTorr und injizieren Sie Argon für 10 min (ersetzen Sie die Luft mit Argon). Stoppen Sie die Injektion von Argon und entfernen Sie dann das Argon aus der Kammer bei 70 mTorr.
      2. Setzen Sie den Strom auf 15 mA für 200 s. ( Fig. 3B ); Janus-Partikel werden bereits in diesem Schritt vorbereitet.
    9. 20 μl DI-Wasser auf die gesputterte Folie geben und die Janus-Partikel aus der Monoschicht mit einer normalen 200 μl Pipettenspitze kratzen.
      HINWEIS: Die Janus-Partikel, die von der Monoschicht abgeschabt wurden, hielten sich im DI-Wassertropfen bei diesem Schritt ab.
    10. Das Janus-Partikel-Suspensions-Tröpfchen pipettieren und in ein weiteres 1,5-ml-Zentrifugenröhrchen geben.
    11. Verwenden Sie die Janus-Partikel-Suspension, um die Probe durch Verdünnen mit DI-Wasser auf eine geeignete Konzentration zuzubereitenFür Experimente.
      HINWEIS: Die Konzentration der Partikelsuspension in den hier beschriebenen Versuchen beträgt etwa 2.000 Zählungen / μL.
  2. Herstellung von vollständig beschichteten metallischen Partikeln 14
    1. Mischen Sie die PDMS-Polymerbasis und das Härtungsmittel in einem Gewichtsverhältnis von 10: 1.
    2. Tape um den Glasschieber um die Seitenwände des Behälters zu bilden. Gießen Sie die Mischung von PDMS auf einen geklebten Objektträger, um eine PDMS-Schicht von 2-3 mm zu erreichen, wie in Abbildung 4 A gezeigt .
    3. Setzen Sie den Taped Slide (Container) mit dem PDMS-Gemisch in eine luftdichte Kammer und führen Sie die Vakuumpumpe für 30 min, um die Blasen in der PDMS-Mischung zu entfernen.
    4. Setzen Sie den Taped Slide (Container) mit der PDMS Mischung (Schritt 2.2.3) in den Ofen. Die PDMS-Mischung bei 70 ° C für 2 h aushärten, um einen PDMS-Stempel zu bilden.
    5. Nachdem der PDMS-Stempel gehärtet ist, entfernen Sie die Folie und das Band, um den PDMS-Stempel, die Oberfläche zu erhaltenVon denen ursprünglich an den Glasschieber gebunden ist, wodurch eine flache Oberfläche gebildet wird, wie in Fig . 4B gezeigt.
    6. Folgen Sie den Schritten von 2.1.1-2.1.8, um eine Monoschicht von Janus-Partikeln auf einer Folie vorzubereiten.
    7. Benutze die flache Oberfläche des PDMS-Stempels, um die Monoschicht mit gleichmäßigem Druck zu stempeln.
    8. Setzen Sie den PDMS-Stempel mit der Monoschicht von Janus-Partikeln, die von dem in Schritt 2.1.8 hergestellten Glasschieber umgekehrt wird, in die mit Au beschichtete Sputtervorrichtung.
      1. Luft aus der Sputterkammer bei 100 mTorr entfernen und Argon für 10 min einspritzen (die Luft mit Argon ersetzen). Stoppen Sie die Injektion von Argon und entfernen Sie dann das Argon aus der Kammer bei 70 mTorr.
      2. Setzen Sie den Strom auf 15 mA für 200 s ( Abbildung 4 C ); Die vollständig beschichteten metallischen Partikel werden bereits bei diesem Schritt hergestellt.
    9. Folgen Sie den Schritten vom 2.1.9-2.1.11, um die Probe für Experimente vorzubereiten.
      10. </ Ol>

    3. Experimente zur AC-Elektrokinetischen Messung

    1. Wickeln Sie 5 Stück Paraffinfolie ein, um einen Spacer vorzubereiten. Kombinieren Sie das ITO-Elektroden-Array mit dem Film-Spacer von 500 μm Dicke mit einer Heißluftpistole und legen Sie die Elektrode auf die Mikroskopstufe.
      1. Drop 8 μl Partikelsuspension, die in den Schritten 2.1 und 2.2 hergestellt wurde, auf die Mitte der Querelektrodenanordnung. Legen Sie ein Deckglas auf den Abstandshalter.
    2. Für die EROT-Experimente setzen Sie auf dem Funktionsgenerator die Phasenverschiebung zwischen den 2 Kanälen auf 90 °. Für die Experimente (basierend auf der Verbindung in den Schritten 1.2.2-1.2.3) eine Sinuswelle mit einer Amplitude von 0,5-4 Vpp und einer Frequenz von 100 Hz bis 5 MHz anwenden.
      1. Wählen Sie die Wellenform, indem Sie auf die Schaltfläche "Wellenform" auf dem Funktionsgenerator klicken. Geben Sie den Spannungs- und Frequenzwert mit den nummerierten Tasten der Funktion einNerator und schalten Sie dann das AC-Signal ein, indem Sie auf die Schaltfläche "Ausgang" klicken.
    3. Für die DEP-Experimente die Phasenverschiebung zwischen den 2 Kanälen auf 0 ° einstellen. Für die Experimente (basierend auf den Anschlüssen in Schritt 1.2.5) eine Sinuswelle bei 0,5-4 Vpp Spannungsamplitude und eine Frequenz von 100 Hz bis 5 MHz einsetzen, indem der Funktionsgenerator wie in Schritt 3.2.1 aufgebaut wird.
    4. Schalten Sie das Wechselstromsignal ein, indem Sie auf die Schaltfläche "Ausgang" klicken und die Bilder der Partikelbewegung und Rotation unter einem invertierten optischen Mikroskop mit einem 40X, NA 0.6 Objektiv mit einer Kamera aufnehmen.
    5. Geben Sie die Bilder der Partikelbewegung und der Rotation an die Software ein und analysieren Sie die Trajektorie der Partikel durch Partikelverfolgung, um die Partikel- und Winkelgeschwindigkeiten zu erhalten.
      Hinweis: Die "Image J" -Software und ihr "MultiTracker" Plugin wurden hier für die Bildbinärisierung und Partikelverfolgung verwendet.

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Representative Results

Die Vierphasen-Elektrodenanordnung wird durch eine Faserlaser-Markierungsmaschine erzeugt. Die auf dem Glas beschichtete ITO-leitfähige Schicht wird durch einen Fokuslaser entfernt, um ein Kreuzmuster mit einem Spalt von 160 um zu bilden, wie in Fig . 1B gezeigt.

Abbildung 1
Abbildung 1 : Vorbereitung der ITO-Elektrode. ( A ) Schematik zur Herstellung einer vierphasigen ITO-Elektrode mit einer Faserlaser-Markiermaschine (1.064 nm, 20 W, 90- bis 120 ns Pulsbreite und 20 bis 80 kHz Pulswiederholfrequenz). ( B ) Hellfeldbild der Querelektrodenanordnung unter einem Mikroskop. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Feige zu sehenUre

Der Schaltplan des Inverters ist in Abbildung 2 A dargestellt . Um das Vierphasen-Feld zu erzeugen, ist das Elektroden-Array mit einem 2-Kanal-Funktionsgenerator und mit zwei Invertern verbunden, wie in Abbildung 2 B.

Figur 2
Abbildung 2 : Aufbau eines Vierphasengenerators und der Anschluss des experimentellen Mikrochips. ( A ) Der Schaltplan des Inverters. ( B ) Schematik des experimentellen Mikrochips. ( C ) Verbinden Sie die 4 Drähte auf der Vierphasenelektrode mit dem direkten Kontakt mit dem Band. ( D ) Die Phasenverschiebung zwischen den benachbarten Elektroden ist entweder auf 90 ° eingestellt(Für EROT) oder 180 ° (für DEP). Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

Eine Monoschicht aus Siliciumdioxidteilchen wird durch langsames Ziehen des Ethanol-Siliciumdioxid-Teilchen-Tröpfchens unter Verwendung eines Deckglases, wie in Fig . 3A gezeigt, hergestellt. Die Monoschicht von Siliciumdioxidteilchen wird in die mit Au beschichtete Sputtervorrichtung gegeben. Schließlich werden die Janus-Teilchen hergestellt, wie in Fig . 3C gezeigt.

Abbildung 3
Abbildung 3 : Vorbereitungsverfahren von Janus Partikeln. ( A ) Die Monoschicht von Siliciumdioxidteilchen unter einem Mikroskop. ( B )Schematische Zeichnung der Beschichtung einer dünnen Schicht von Au auf eine Monoschicht von Siliciumdioxidteilchen. ( C ) Hellfeldbild eines Janus-Teilchens unter einem Mikroskop. Die dunkle Seite des Teilchens ist die Au-Beschichtung. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

Die Herstellung von vollständig beschichteten metallischen Teilchen ist in Fig. 4 gezeigt . Der Behälter, der aus einem Schieber und Klebeband besteht, wird mit der PDMS-Mischung auf eine Höhe von 2 bis 3 mm beladen, wie in Abbildung 4 A gezeigt . Die PDMS-Mischung wird in den Ofen bei 70 ° C für 2 h gegeben, um einen PDMS-Stempel zu bilden. Der PDMS-Stempel mit einer flachen Oberfläche ist in Abbildung 4 B dargestellt . Das Herstellungsverfahren von vollständig beschichteten metallischen Partikeln ist in Figur 1 dargestelltE 4 C. Das vollständig beschichtete metallische Teilchen ist in Fig . 4D gezeigt.

Abbildung 4
Abbildung 4 : Herstellung von vollständig beschichteten metallischen Partikeln. ( A ) Die PDMS-Mischung im Gleitbandbehälter. ( B ) Der PDMS-Stempel mit einer flachen Oberfläche. ( C ) Vorbereitungsverfahren von vollständig beschichteten metallischen Partikeln ( D ) Hellfeldbild eines vollständig beschichteten metallischen Teilchens unter einem Mikroskop. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

Die repräsentativen Ergebnisse von Partikel EROT und DEP sind in Figur 1 dargestelltE 5 Die EROT der Janus-Teilchen liegt im allgemeinen in der entgegengesetzten Richtung des elektrischen Feldes (Gegenfeld) mit einer maximalen Winkelgeschwindigkeit bei einer charakteristischen Frequenz, wie in Fig . 5A gezeigt. Die EROT von Janus-Partikeln mit einer niedrigen Frequenz kehrt in die Co-abgelegte Richtung zurück, was auf den komplizierteren Polarisationsmechanismus und den elektroosmotischen Durchfluss der induzierten Ladung um die metallische Oberflächenhalbkugel 15 , 16 zurückzuführen sein könnte . Die EROT von Siliciumdioxid-Partikeln ist in allen Testfrequenzbereichen zusammengefasst, und ihre charakteristische Frequenz liegt bei der niedrigsten Testfrequenz (~ 500 Hz), wie in Abbildung 5 B gezeigt . Die EROT von metallischen Partikeln ist in allen Testfrequenzbereichen Gegenfeld, und ihre charakteristische Frequenz ist niedriger als die der Janus-Partikel, wie in Abbildung 5 C gezeigt . Von Abbildung 5 A-5C , können wir die Veränderung des Imaginärteils der CM-Faktoren mit den elektrischen Feldfrequenzen zwischen verschiedenen Arten von Partikeln sehen. Außerdem können wir sehen, dass die EROT-charakteristische Häufigkeit der Janus-Partikel höher ist als bei vollständig beschichteten metallischen Partikeln. Dieses Ergebnis deutet darauf hin, dass die Polarisation der Janus-Partikel nicht direkt durch ein einfaches Überlagerungsmodell von Zwei-Halbkugel-Strukturen erklärt werden kann. Es gibt einen komplizierteren Mechanismus für die Polarisation von Janus Partikeln 2 . Die DEP-Messungen von metallischen Partikeln sind in Abbildung 5 D dargestellt. Die Ergebnisse zeigen, dass die DEP-Antwort von metallischen Partikeln n-DEP bei niedrigeren Frequenzen ist, aber p-DEP bei höheren Frequenzen mit einer Crossover-Frequenz, die mit der charakteristischen Frequenz in übereinstimmt Die EROT-Messung.

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Abbildung 5 : Die repräsentativen Ergebnisse von Partikel EROT und DEP. ( A ) EROT-Spektrum der Janus-Teilchen ( B ) EROT-Spektrum von Siliciumdioxidteilchen ( C ) EROT-Spektrum von vollständig beschichteten metallischen Partikeln. ( D ) DEP-Spektrum von vollständig beschichteten metallischen Partikeln. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

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Discussion

Das Herstellen von ITO-Elektrodenanordnungen unter Verwendung der Faserlaser-Markierungsmaschine stellt eine schnelle Methode zur Herstellung von Elektroden mit beliebigen Mustern bereit. Allerdings gibt es noch einige Nachteile für dieses Verfahren, wie z. B. weniger Ladungsträger und die geringere Herstellungsgenauigkeit von ITO-Elektroden im Vergleich zu Metallelektroden, die durch herkömmliche Verfahren hergestellt wurden. Diese Nachteile könnten einige Experimente einschränken. Zum Beispiel könnten weniger Ladungsträger die Verteilung des elektrischen Feldes beeinflussen, wenn es einen großen Abstand zwischen den Elektroden gibt. Darüber hinaus ist die Einstellung der Musterparameter ein kritischer Schritt bei diesem Verfahren, das direkt die Qualität der ITO-Elektrodenanordnungen beeinflusst. Beispielsweise beeinflusst die Laserleistung die Entfernung der ITO-leitfähigen Schicht von dem Glassubstrat. Die Häufigkeit und Geschwindigkeit des Lasers bestimmen die Glätte der ITO-Elektrodenkanten. In der Regel werden entsprechende Musterparameter durch Versuch und Irrtum gefunden. Kurz gesagt, diese methOd ist in der Lage, schnell und effizient Elektroden auf ITO-Glas in beliebigen Mustern zu produzieren, die auf viele Arten von elektrischen Experimenten, für Forschung und andere Anwendungen angewendet werden können.

Die Vorbereitung der Janus-Partikel und der metallischen Partikel mit dem Trocknungsprozess ist eine einfache und bequeme Methode. Im Gegensatz zu anderen Verfahren, wie dem Pickering-Emulsionsverfahren 10 , dem elektrohydrodynamischen Co-Jet-Verfahren 11 , dem mikrofluidischen Photopolymerisationsverfahren 12 und dem chemischen Syntheseverfahren 15 ist dieses Verfahren in der Lage, eine große Anzahl von Partikeln in kurzer Zeit vorzubereiten . Die Beschränkung dieses Verfahrens besteht jedoch darin, daß die Metallabscheidung auf den Oberflächen der Teilchen ungleichförmig sein könnte, was die Teilchenform leicht verändern könnte. Obwohl das Trocknungsverfahren diese Beschränkung hat, ist es immer noch ein nützliches Verfahren zur Herstellung von Janus-Partikeln undMetallische Partikel

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass dieser Artikel funktionelle Methoden zur raschen Herstellung von Elektrodenanordnungen in beliebigen Mustern sowie eine große Anzahl von vollständig oder teilweise beschichteten metallischen Partikeln bereitstellt. Dies erleichtert die Entwicklung und Anwendung von Elektrokinetik, auch für die Manipulation und Charakterisierung von Partikeln in mikrofluidischen Geräten.

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Disclosures

Die Autoren haben nichts zu offenbaren.

Acknowledgments

Diese Arbeit wurde vom Ministerium für Wissenschaft und Technologie, Taiwan, ROC, unter Grant NSC 103-2112-M-002-008-MY3 unterstützt.

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

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References

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Engineering Ausgabe 124 Janus Partikel Metallpartikel ITO Elektrode AC Elektrokinetische Messung Elektrorotation Dielektrophorese
Herstellung von Janus-Partikeln und Wechselstrom-Elektrokinetischen Messungen mit einem schnell gefertigten Indium-Zinn-Oxid-Elektroden-Array
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Chen, Y. L., Jiang, H. R.… More

Chen, Y. L., Jiang, H. R. Preparation of Janus Particles and Alternating Current Electrokinetic Measurements with a Rapidly Fabricated Indium Tin Oxide Electrode Array. J. Vis. Exp. (124), e55950, doi:10.3791/55950 (2017).

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