Preparazione delle particelle di Janus e delle misurazioni elettrokinetiche di corrente alternata con una matrice di elettrodi di ossido di stagno di indio rapidamente fabbricata

Yu-Liang Chen; Hong-Ren Jiang

doi:10.3791/55950

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In questo articolo

Riepilogo
Abstract
Introduzione
Protocollo
Risultati
Discussione
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Riconoscimenti
Materiali
Riferimenti
Ristampe e Autorizzazioni

Riepilogo

In questo articolo è stato dimostrato un metodo semplice per la preparazione di particelle metalliche parzialmente o completamente rivestite e per eseguire misure di proprietà elettrokinetiche AC con un complesso di elettrodi di ossido di indio (INDO) in rapida fabbricazione.

Abstract

Questo articolo fornisce un metodo semplice per preparare particelle metalliche parzialmente o completamente rivestite e per eseguire la rapida fabbricazione di array di elettrodi, che possono facilitare esperimenti elettrici in dispositivi microfluidici. Le particelle di Janus sono particelle asimmetriche che contengono due proprietà di superficie diverse dalle loro due parti. Per preparare le particelle di Janus, un monostrato di particelle di silice viene preparato mediante un processo di essiccazione. L'oro (Au) viene depositato su un lato di ciascuna particella usando un dispositivo di sputtering. Le particelle metalliche completamente rivestite vengono completate dopo il secondo processo di rivestimento. Per analizzare le proprietà delle superfici elettriche delle particelle di Janus vengono eseguite misure di elettrokinetica a corrente alternata (AC), quali dielettroforesi (DEP) e elettrorotazione (EROT), che richiedono matrici di elettrodi specificamente progettate nel dispositivo sperimentale. Tuttavia, i metodi tradizionali per la fabbricazione di array di elettrodi, come la tecnica fotolitografica, richiedono una serieDelle procedure complicate. Qui introduciamo un metodo flessibile per realizzare un array elettrodo progettato. Un vetro di ossido di indio (ITO) è modellato da una macchina di marcatura laser a fibre (1,064 nm, 20 W, da 90 a 120 ns di larghezza di impulso e da frequenza di ripetizione impulsiva da 20 a 80 kHz) per creare un array elettrodo a quattro fasi. Per generare il campo elettrico a quattro fasi, gli elettrodi sono collegati ad un generatore di funzioni a due canali ea due inverter. Lo spostamento di fase tra gli elettrodi adiacenti è impostato a 90 ° (per EROT) o 180 ° (per DEP). Sono presentati i risultati rappresentativi delle misurazioni elettriciniche AC con un array di elettrodi ITO a quattro fasi.

Introduzione

Le particelle di Janus, chiamate dal dio romano con un doppio volto, sono particelle asimmetriche le cui due parti hanno proprietà superficiali fisicamente o chimicamente diverse ¹ ^, ² . A causa di questa caratteristica asimmetrica, le particelle di Janus presentano risposte particolari in campi elettrici, come DEP ³ ^, ⁴ ^, ⁵ ^, ⁶ , EROT ² e elettroforesi a carica indotta (ICEP) ⁷ ^, ⁸ ^, ⁹ . Recentemente, sono stati riportati diversi metodi per la preparazione di particelle di Janus, tra cui il metodo di emulsione Pickering ¹⁰ , il metodo di co-gettatura elettroidrodinamica ¹¹ e il metodo di fotopolimerizzazione microfluidica ¹² . Tuttavia, questi metodi richiedono una serie di compApparecchi e procedure. Questo articolo introduce un metodo semplice per preparare particelle Janus e particelle metalliche completamente rivestite. Viene preparato in un processo di essiccazione un monostrato di particelle di silice microscaled e viene messo in un dispositivo di sputtering da rivestire con Au. Un emisfero della particella è ombreggiato e solo l'altro emisfero è rivestito con Au ² ^, ¹³ . Il monostrato della particella di Janus è stampato con un timbro di polidimetilsilossano (PDMS) e poi trattato con un secondo processo di rivestimento per la preparazione di particelle metalliche completamente rivestite ¹⁴ .

Per caratterizzare le proprietà elettriche di una particella di Janus, sono state ampiamente utilizzate diverse risposte elettriciniche AC, quali DEP, EROT e elettro orientamento ⁹ ^, ¹⁵ ^, ¹⁶ ^, ¹⁷ ^, ¹⁸ 19 . Ad esempio, EROT è la risposta rotazionale dello stato stazionario di una particella sotto un campo elettrico rotazione esterno ² ^, ⁹ ^, ¹⁵ ^, ¹⁶ . Misurando l'EROT, è possibile ottenere l'interazione tra il dipolo indotto delle particelle e i campi elettrici. DEP, che nasce dall'interazione tra i dipoli indotti e un campo elettrico non uniforme, è in grado di portare a movimenti di particelle ³ ^, ⁴ ^, ⁵ ^, ⁹ ^, ¹⁵ . Possono essere attratti diversi tipi di particelle (DEP positivi) o respingere (DEP negativo) i bordi dell'elettrodo, che funge da metodo generale per manipolare e caratterizzare le particelle nel dispositivo microfluidico. La traslazione (DEP) e la rota (EROT) della particella sotto il campo elettrico sono dominate dalla parte reale e immaginaria del fattore Clausius-Mossotti (CM) rispettivamente. Il fattore CM dipende dalle proprietà elettriche delle particelle e del liquido circostante, rilevate dalla frequenza caratteristica, ω _c = 2σ / aC _DL , DEP e EROT, dove σ è la conducibilità del liquido, a è il raggio delle particelle, E C _DL è la capacità del doppio strato elettrico ¹⁵ ^, ¹⁶ . Per misurare l'EROT e il DEP delle particelle, sono necessari schemi di matrice di elettrodi appositamente progettati. Tradizionalmente, una tecnica fotolitografica viene utilizzata per creare matrici di elettrodi e richiede una serie di procedure complicate, tra cui il rivestimento a spessore fotoresistivo, l'allineamento maschera, l'esposizione e lo sviluppo ¹⁵ ^, ¹⁸ ^,S = "xref"> 19 ^, ²⁰ .

In questo articolo, la rapida fabbricazione di array di elettrodi è dimostrata dal patterning ottico diretto. Uno strato ITO a film sottile trasparente, rivestito sul substrato di vetro, viene parzialmente rimosso da una macchina di marcatura laser a fibre (1,064 nm, 20 W, da 90 a 120 ns di larghezza di impulso e frequenza di ripetizione da 20 a 80 kHz) per formare Un array elettrodo a quattro fasi. La distanza tra gli elettrodi diagonali è di 150-800 μm, che può essere regolata in base agli esperimenti. L'array elettrodo a quattro fasi può essere utilizzato per caratterizzare e concentrare le particelle in diversi dispositivi microfluidici ¹⁵ ^, ¹⁶ ^, ¹⁸ . Per generare il campo elettrico a quattro fasi, l'array elettrodo è collegato a un generatore di funzioni a due canali ea due inverter. Lo spostamento di fase tra gli elettrodi adiacenti è impostato a 90 ° (per EROT) o 180 ° (per DEP) ¹⁵ . Il segnale AC viene applicato ad un'ampiezza di tensione da 0,5 a 4 V _pp e la frequenza varia da 100 Hz a 5 MHz durante il processo di funzionamento. Le particelle di Janus, particelle metalliche e particelle di silice vengono utilizzate come campioni per misurare le loro proprietà elettrokinetiche AC. Le sospensioni delle particelle sono poste sulla regione centrale dell'elettrodo e sono osservate sotto un microscopio ottico invertito con un obiettivo 40X e NA 0,6. Il movimento e la rotazione delle particelle vengono registrati con una fotocamera digitale. Il movimento DEP viene registrato nella regione anulare, tra 40 e 65 μm radialmente lontano dal centro di matrice e EROT viene registrato nella regione circolare, 65 μm radialmente lontano dal centro di matrice. La velocità delle particelle e la velocità angolare vengono misurate con il metodo di monitoraggio delle particelle. I centroidi delle particelle sono distinti dalla scala di grigi o dalla geometria delle particelle usando il software. La velocità delle particelle e la velocità angolare sono ottenute daMisurando i movimenti dei centroidi delle particelle.

Questo articolo fornisce un metodo semplice per fabbricare rapidamente array di elettrodi arbitrariamente modellati. Introduce la preparazione di particelle metalliche completamente o parzialmente rivestite, che possono essere utilizzate in diversi campi, con impieghi che vanno dalla biologia alle applicazioni industriali.