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。

1.マイクロチップの製作<ol><li> ITO電極の作製 <ol><li>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。 </li><li>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。 </li><li>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。）。 </li><li>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。 &quot;Mark Parameter&quot;ボタンをクリックし、以下のパラメータを入力します：speed、 &quot;800 mm / s;&quot;パワー &quot;、&quot; 60％; &quot;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。 <ol><li> &quot;プレビュー&quot;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。 &quot;Sample Sample&quot;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 ）。 </li></ol></li></ol></li><li> 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 <ol><li> 図2Aに示すように、インバータの回路を構築します 。 </li><li> 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。 <ol><li> 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。 </li></ol></li><li>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。 </li><li> 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。 </li><li> 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。 </li><li> 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。 </li></ol></li></ol> 2.試料の調製<ol><li> ヤヌス粒子の調製 <ol><li> 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。 </li><li>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。 </li><li>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。 </li><li>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。 </li><li>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。 </li><li>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。 </li><li>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 </stロング&gt; A ）。 </li><li>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。 <ol><li> 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。 </li><li>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。 </li></ol></li><li>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。 </li><li>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。 </li><li>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。 </li></ol></li><li> 完全に被覆された金属粒子 14の 調製 <ol><li> PDMSポリマーベースと硬化剤を10：1の重量比で混合する。 </li><li>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 。 </li><li> 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。 </li><li> 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。 </li><li> 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。 </li><li> 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。 </li><li> 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。 </li><li> 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。 <ol><li> 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。 </li><li>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。 </li></ol></li><li> 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。 </li> &lt;/ ol&gt; </li></ol> 3. AC動静力学測定の実験<ol><li> 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。 <ol><li>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。 </li></ol></li><li> 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。 <ol><li>ファンクションジェネレータの &quot;波形&quot;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。 </li></ol></li><li> 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。 </li><li> 「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。 </li><li>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 &quot;Image J&quot;ソフトウェアと &quot;MultiTracker&quot;プラグインを使用しました。 </li></ol>

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著者は何も開示することはない。

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。

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 <sup&gt;、 19 。例えば、EROTは、外部から与えられた回転電界2,9,15,16のもとでの粒子の定常状態回転応答である。 EROTを測定することにより、誘導された粒子の双極子と電場との間の相互作用が得られる。誘導双極子と不均一電場との間の相互作用から生じるDEPは、粒子移動3,4,5,9,15に導くことができる。異なる種類の粒子は、電極端部に引き付けられ（正のDEP）、または反発され（負のDEP）、マイクロ流体装置内の粒子を操作および特徴付けるための一般的な方法として働くことができる。翻訳（DEP）およびロタ<html>電場下での粒子の勾配（EROT）特性は、Clausius-Mossotti（CM）因子の実数部および虚数部によってそれぞれ支配される。 CM因子は、DEPおよびEROTの固有振動数ωc =2σ/ aC DLから明らかになる、粒子および周囲の液体の電気的特性に依存し、ここで、σは液体の導電率、aは粒子の半径、 C DLは電気二重層15,16のキャパシタンスである。パーティクルのEROTとDEPを測定するには、特別に設計された電極配列パターンが必要です。従来、フォトリソグラフィ技術を用いて電極アレイを作製し、フォトレジストスピンコーティング、マスクアライメント、露光、現像などの一連の複雑な手順を必要としていたが、s = &quot;xref&quot;&gt; 19,20。 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。

<table><tbody><tr><td>Silica Microsphere-2.34 &amp;micro;m</td><td>Bangs Laboratories</td><td>SS04N</td><td></td></tr><tr><td>Ethyl Alcohol (99.5%)</td><td>KATAYAMA CHEMICAL</td><td>E-0105</td><td></td></tr><tr><td>SYLGARD 184 A&amp;amp;B Silicone Elastomer(PDMS)</td><td>DOW CORNING</td><td></td><td>PDMS&amp;nbsp;</td></tr><tr><td>&amp;nbsp;ITO glass</td><td>Luminescence Technology</td><td>LT-G001</td><td></td></tr><tr><td>Fiber laser marking machine</td><td>Taiwan 3Axle Technology</td><td>TAFB-R-20W</td><td></td></tr><tr><td>&amp;nbsp;2-channel function generator</td><td>Gwinsek</td><td>AFG-2225</td><td></td></tr><tr><td>CMOS camera</td><td>Point Grey</td><td>GS3-U3-32S4M-C</td><td></td></tr><tr><td>Sputter</td><td>JEOL</td><td>JFC-1100E</td><td></td></tr><tr><td>Operational Amplifiers</td><td>Texas Instruments</td><td>LM6361N</td><td>OP invertor&amp;nbsp;</td></tr><tr><td>Ultrasonic Cleaner</td><td>Gui Lin Yiyuan Ultrasonic Machinery Co.</td><td>DG-1</td><td></td></tr><tr><td>Microcentrifuge</td><td>Scientific Specialties, Inc.</td><td></td><td>1.5ml</td></tr><tr><td>Mini Centrifuge</td><td>LMS</td><td>MC-MCF-2360</td><td></td></tr><tr><td>Microscope cover glass</td><td>Marienfeld-Superior</td><td></td><td>18*18mm</td></tr><tr><td>Inverted optical microscope</td><td>Olympus</td><td>OX-71&amp;nbsp;</td><td></td></tr><tr><td>Parafilm</td><td>bemis</td><td></td><td>spacer</td></tr></tbody></table>

preparation of janus particles and alternating current electrokinetic measurements with a rapidly fabricated indium tin oxide electrode array

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。

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。 <img alt="図1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/55950/55950fig1.jpg" /> 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。 <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/55950/55950fig1large.jpg" target="_blank">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</a>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。 <img alt="図2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/55950/55950fig2.jpg" /> 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）。 <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/55950/55950fig2large.jpg" target="_blank">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。</a> 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。 <img alt="図3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/55950/55950fig3.jpg" /> 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。 <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/55950/55950fig3large.jpg" target="_blank">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。</a> 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。 <img alt="図4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/55950/55950fig4.jpg" /> 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。 <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/55950/55950fig4large.jpg" target="_blank">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。</a> 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<html> 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。 re 5 &quot;class =&quot; xfigimg &quot;src =&quot; / files / ftp_upload / 55950 / 55950fig5.jpg &quot;/&gt; 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。 <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/55950/55950fig5large.jpg" target="_blank">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。</a>

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Preparation of Janus Particles and Alternating Current Electrokinetic Measurements with a Rapidly Fabricated Indium Tin Oxide Electrode Array

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。

急速に製造された酸化インジウムスズ電極アレイによるヤヌス粒子の調製と交流電気力学的測定

This article provides a simple method to prepare partially or fully coated metallic particles and to perform the rapid fabrication of electrode arrays, ...

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Nanyang Technological University

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8.1K ビュー.  National Taiwan University. 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。 

ビデオ: Preparation of Janus Particles and Alternating Current Electrokinetic Measurements with a Rapidly Fabricated Indium Tin Oxide Electrode Array

Patterning Cells on Optically Transparent Indium Tin Oxide Electrodes

The ability to exercise precise spatial and temporal control over cell-surface interactions is an important prerequisite to the assembly of multi-cellular constructs serving as in vitro mimics of native tissues.  In this study, photolithography and wet etching techniques were used to fabricate individually addressable indium tin oxide (ITO) electrodes on glass substrates.  The glass substrates containing ITO microelectrodes were modified with poly(ethylene glycol) (PEG) silane to make them protein and cell resistive.  Presence of insulating PEG molecules on the electrode surface was verified by cyclic voltammetry employing potassium ferricyanide as a redox reporter molecule.  Importantly, the application of reductive potential caused desorption of the PEG layer, resulting in regeneration of the conductive electrode surface and appearance of typical ferricyanide redox peaks.    Application of reductive potential also corresponded to switching of ITO electrode properties from cell non-adhesive to cell-adhesive. Electrochemical stripping of PEG-silane layer from ITO microelectrodes allowed for cell adhesion to take place in a spatially defined fashion, with cellular patterns corresponding closely to electrode patterns.  Micropatterning of several cell types was demonstrated on these substrates.   In the future, the control of the biointerfacial properties afforded by this method will allow to engineer cellular microenvironments through the assembly of three or more cell types into a precise geometric configuration on an optically transparent substrate.

Non-fouling PEG silane monolayer was desorbed from individually addressable ITO electrodes on glass by application of a reductive potential. Electrochemical stripping of PEG-silane layer from ITO microelectrodes allowed for cell adhesion to take place in a spatially defined fashion, with cellular patterns corresponding closely to electrode patterns.

光学的に透明な酸化インジウムスズ電極上にパターニングセル

The ability to exercise precise spatial and temporal control over cell-surface interactions is an important prerequisite to the assembly of multi-cellular ...

生物学

AC Electrokinetic Phenomena Generated by Microelectrode Structures

The field of AC electrokinetics is rapidly growing due to its ability to perform dynamic fluid and particle manipulation on the micro- and nano-scale, which is essential for Lab-on-a-Chip applications. AC electrokinetic phenomena use electric fields to generate forces that act on fluids or suspended particles (including those made of dielectric or biological material) and cause them to move in astonishing ways1, 2. Within a single channel, AC electrokinetics can accomplish many essential on-chip operations such as active micro-mixing, particle separation, particle positioning and micro-pattering. A single device may accomplish several of those operations by simply adjusting operating parameters such as frequency or amplitude of the applied voltage. Suitable electric fields can be readily created by micro-electrodes integrated into microchannels. It is clear from the tremendous growth in this field that AC electrokinetics will likely have a profound effect on healthcare diagnostics3-5, environmental monitoring6 and homeland security7.

In general, there are three AC Electrokinetic phenomena (AC electroosmosis, dielectrophoresis and AC electrothermal effect) each with unique dependencies on the operating parameters. A change in these operating parameters can cause one phenomena to become dominant over another, thus changing the particle or fluid behavior. 

It is difficult to predict the behavior of particles and fluids due to the complicated physics that underlie AC electrokinetics. It is the goal of this publication to explain the physics and elucidate particle and fluid behavior. Our analysis also covers how to fabricate the electrode structures that generate them, and how to interpret a wide number of experimental observations using several popular device designs. This video article will help scientists and engineers understand these phenomena and may encourage them to start using AC Electrokinetics in their research.

Manipulating fluids and suspended particles in the micro- and nano-scale is becoming more of a reality as enabling technologies, like AC electrokinetics, continue to develop. Here, we discuss the physics behind AC electrokinetics, how to fabricate these devices and how to interpret the experimental observations.

マイクロ電極の構造によって生成されたAC動電現象

The field of AC electrokinetics is rapidly growing due to its ability to perform dynamic fluid and particle manipulation on the micro- and nano-scale, ...

Characterizing Electron Transport through Living Biofilms

Here we demonstrate the method of electrochemical gating used to characterize electrical conductivity of electrode-grown microbial biofilms under physiologically relevant conditions.1 These measurements are performed on living biofilms in aqueous medium using source and drain electrodes patterned on a glass surface in a specialized configuration referred to as an interdigitated electrode (IDA) array. A biofilm is grown that extends across the gap connecting the source and drain. Potentials are applied to the electrodes (ES and ED) generating a source-drain current (ISD) through the biofilm between the electrodes. The dependency of electrical conductivity on gate potential (the average of the source and drain potentials, EG = [ED + ES]/2) is determined by systematically changing the gate potential and measuring the resulting source-drain current. The dependency of conductivity on gate potential provides mechanistic information about the extracellular electron transport process underlying the electrical conductivity of the specific biofilm under investigation. The electrochemical gating measurement method described here is based directly on that used by M. S. Wrighton2,3 and colleagues and R. W. Murray4,5,6 and colleagues in the 1980&#39;s to investigate thin film conductive polymers.

A protocol for measuring electrical conductivity of living microbial biofilms under physiologically relevant conditions is presented.

生きているバイオ フィルムにおける電子輸送特性評価

Here we demonstrate the method of electrochemical gating used to characterize electrical conductivity of electrode-grown microbial biofilms under ...

化学

A High Performance Impedance-based Platform for Evaporation Rate Detection

This paper describes the method of a novel impedance-based platform for the detection of the evaporation rate. The model compound hyaluronic acid was employed here for demonstration purposes. Multiple evaporation tests on the model compound as a humectant with various concentrations in solutions were conducted for comparison purposes. A conventional weight loss approach is known as the most straightforward, but time-consuming, measurement technique for evaporation rate detection. Yet, a clear disadvantage is that a large volume of sample is required and multiple sample tests cannot be conducted at the same time. For the first time in literature, an electrical impedance sensing chip is successfully applied to a real-time evaporation investigation in a time sharing, continuous and automatic manner. Moreover, as little as 0.5 ml of test samples is required in this impedance-based apparatus, and a large impedance variation is demonstrated among various dilute solutions. The proposed high-sensitivity and fast-response impedance sensing system is found to outperform a conventional weight loss approach in terms of evaporation rate detection.

This paper presents an impedance-based apparatus for evaporation rate detection of solutions. It offers clear advantages over a conventional weight loss approach: a fast response, high-sensitivity detection, a small sample requirement, multiple sample measurements, and easy disassembly for cleaning and reuse purposes.

蒸発速度検出のための高性能インピーダンスベースのプラットフォーム

This paper describes the method of a novel impedance-based platform for the detection of the evaporation rate. The model compound hyaluronic acid was ...

工学

Focused Ion Beam Fabrication of LiPON-based Solid-state Lithium-ion Nanobatteries for In Situ Testing

Solid-state electrolytes are a promising replacement for current organic liquid electrolytes, enabling higher energy densities and improved safety of lithium-ion (Li-ion) batteries. However, a number of setbacks prevent their integration into commercial devices. The main limiting factor is due to nanoscale phenomena occurring at the electrode/electrolyte interfaces, ultimately leading to degradation of battery operation. These key problems are highly challenging to observe and characterize as these batteries contain multiple buried interfaces. One approach for direct observation of interfacial phenomena in thin film batteries is through the fabrication of electrochemically active nanobatteries by a focused ion beam (FIB). As such, a reliable technique to fabricate nanobatteries was developed and demonstrated in recent work. Herein, a detailed protocol with a step-by-step process is presented to enable the reproduction of this nanobattery fabrication process. In particular, this technique was applied to a thin film battery consisting of LiCoO2/LiPON/a-Si, and has further been previously demonstrated by in situ cycling within a transmission electron microscope.

Focused Ion Beam Fabrication of LiPON-based Solid-state Lithium-ion Nanobatteries for In Situ Testing

A protocol for the fabrication of electrochemically active LiPON-based solid-state lithium-ion nanobatteries using a focused ion beam is presented.

その場でテスト用 LiPON ベース固体リチウム イオン Nanobatteries の集束イオンビーム ビーム加工

Solid-state electrolytes are a promising replacement for current organic liquid electrolytes, enabling higher energy densities and improved safety of ...

In Situ Lithiated Reference Electrode: Four Electrode Design for In-operando Impedance Spectroscopy

Extending operating voltage of Li-ion batteries results in higher energy output from these devices. High voltages, however, may trigger or accelerate multiple processes responsible for long-term performance decay. Given the complexity of physical processes occurring inside the cell, it is often challenging to achieve a full understanding of the root causes of this performance degradation. This difficulty arises in part from the fact that any electrochemical measurement of a battery will return the combined contributions of all components in the cell. Incorporation of a reference electrode can solve part of the problem, as it allows the electrochemical reactions of the cathode and the anode to be individually probed. A variation in the voltage range experienced by the cathode, for example, can indicate alterations in the pool of cyclable lithium ions in the full-cell. The structural evolution of the many interphases existing in the battery can also be monitored, by measuring the contributions of each electrode to the overall cell impedance. Such wealth of information amplifies the reach of diagnostic analysis in Li-ion batteries and provides valuable input to the optimization of individual cell components. In this work, we introduce the design of a test cell able to accommodate multiple reference electrodes, and present reference electrodes that are appropriate for each specific type of measurement, detailing the assembly process in order to maximize the accuracy of the experimental results.

The incorporation of reference electrodes in a Li-ion battery provides valuable information to elucidate degradation mechanisms at high voltages. In this article, we present a cell design that accommodates multiple reference electrodes, along with the assembly steps to assure maximum accuracy of the data obtained in electrochemical measurements.

Operando のインピー ダンス分光法の 4 電極設計場前記参照電極。

Extending operating voltage of Li-ion batteries results in higher energy output from these devices. High voltages, however, may trigger or accelerate ...

A Method for Systematic Electrochemical and Electrophysiological Evaluation of Neural Recording Electrodes

New materials and designs for neural implants are typically tested separately, with a demonstration of performance but without reference to other implant characteristics.&#160;This precludes a rational selection of a particular implant as optimal for a particular application and the development of new materials based on the most critical performance parameters.&#160;This article develops a protocol for in vitro and in vivo testing of neural recording electrodes.&#160;Recommended parameters for electrochemical and electrophysiological testing are documented with the key steps and potential issues discussed.&#160;This method eliminates or reduces the impact of many systematic errors present in simpler in vivo testing paradigms, especially variations in electrode/neuron distance and between animal models.&#160;The result is a strong correlation between the critical in vitro and in vivo responses, such as impedance and signal-to-noise ratio.&#160;This protocol can easily be adapted to test other electrode materials and designs.&#160;The in vitro techniques can be expanded to any other nondestructive method to determine further important performance indicators.&#160;The principles used for the surgical approach in the auditory pathway can also be modified to other neural regions or tissue.

Different electrode coatings affect neural recording performance through changes to electrochemical, chemical and mechanical properties. Comparison of electrodes in vitro is relatively simple, however comparison of in vivo response is typically complicated by variations in electrode/neuron distance and between animals. This article provides a robust method to compare neural recording electrodes.

神経電位電極の体系的電気化学的および電気生理学的評価方法

New materials and designs for neural implants are typically tested separately, with a demonstration of performance but without reference to other implant ...

神経科学

Performing In Situ Closed-Cell Gas Reactions in the Transmission Electron Microscope

Gas reactions studied by in situ electron microscopy can be used to capture the real-time morphological and microchemical transformations of materials at length scales down to the atomic level. In situ closed-cell gas reaction (CCGR) studies performed using (scanning) transmission electron microscopy (STEM) can separate and identify localized dynamic reactions, which are extremely challenging to capture using other characterization techniques. For these experiments, we used a CCGR holder that utilizes microelectromechanical systems (MEMS)-based heating microchips (hereafter referred to as &#34;E-chips&#34;). The experimental protocol described here details the method for performing in situ gas reactions in dry and wet gases in an aberration-corrected STEM. This method finds relevance in many different materials systems, such as catalysis and high-temperature oxidation of structural materials at atmospheric pressure and in the presence of various gases with or without water vapor. Here, several sample preparation methods are described for various material form factors. During the reaction, mass spectra obtained with a residual gas analyzer (RGA) system with and without water vapor further validates gas exposure conditions during reactions. Integrating an RGA with an in situ CCGR-STEM system can, therefore, provide critical insight to correlate gas composition with the dynamic surface evolution of materials during reactions. In situ/operando studies using this approach allow&#160;for detailed investigation of the fundamental reaction mechanisms and kinetics that occur at specific environmental conditions (time, temperature, gas, pressure), in real-time, and at high spatial resolution.

Performing In Situ Closed-Cell Gas Reactions in the Transmission Electron Microscope

Here, we present a protocol for performing in situ TEM closed-cell gas reaction experiments while detailing several commonly used sample preparation methods.

透過型電子顕微鏡 で の密閉セルガス反応の実施

Gas reactions studied by in situ electron microscopy can be used to capture the real-time morphological and microchemical transformations of materials at ...

Precise Electrochemical Sizing of Individual Electro-Inactive Particles

Nanoimpact electrochemistry enables the time-resolved in situ characterization (e.g., size, catalytic activity) of single nanomaterial units, providing a means of elucidating heterogeneities that would be masked in ensemble studies. To implement this technique with redox inactive particles, a solution-phase redox reaction is used to produce a steady-state background current on a disk ultramicroelectrode. When a particle adsorbs onto the electrode, it produces a stepwise reduction in the exposed electrode area, which produces, in turn, a stepwise decrease in the current commensurate with the size of the adsorbing species. Historically, however, nanoimpact electrochemistry has suffered from &#34;edge effects,&#34; in which the radial diffusion layer formed at the circumference of the ultramicroelectrodes renders the step size dependent not only on the size of the particle but also on where it lands on the electrode. The introduction of electrocatalytic current generation, however, mitigates the heterogeneity caused by edge effects, thus improving the measurement precision. In this approach, termed &#34;electrocatalytic interruption,&#34; a substrate that regenerates the redox probe at the diffusion layer is introduced. This shifts the rate-limiting step of the current generation from diffusion to the homogeneous reaction rate constant, thus reducing flux heterogeneity and increasing the precision of particle sizing by an order of magnitude. The protocol described here explains the set-up and data collection employed in nanoimpact experiments implementing this effect for improved precision in the sizing of redox in-active materials.

As an analytical technique, nanoimpact electrochemistry, an increasingly important approach to counting and characterizing nanometer-scale, electro-inactive particles, suffers from poor precision due to the heterogeneous current distributions that arise from its use of ultramicroelectrodes. Outlined here is a generalized approach, termed "electrocatalytic interruption," that enhances precision in such measurements.

個々の電気不活性粒子の正確な電気化学的サイジング

Nanoimpact electrochemistry enables the time-resolved in situ characterization (e.g., size, catalytic activity) of single nanomaterial units, providing a ...

Tools for Surface Treatment of Silicon Planar Intracortical Microelectrodes

Intracortical microelectrodes hold great therapeutic potential. But they are challenged with significant performance reduction after modest implantation durations. A substantial contributor to the observed decline is the damage to the neural tissue proximal to the implant and subsequent neuroinflammatory response. Efforts to improve device longevity include chemical modifications or coating applications to the device surface to improve the tissue response. Development of such surface treatments is typically completed using non-functional "dummy" probes that lack the electrical components required for the intended application. Translation to functional devices requires additional consideration given the fragility of intracortical microelectrode arrays. Handling tools greatly facilitate surface treatments to assembled devices, particularly for modifications that require long procedural times. The handling tools described here are used for surface treatments applied via gas-phase deposition and aqueous solution exposure. Characterization of the coating is performed using ellipsometry and x-ray photoelectron spectroscopy. A comparison of electrical impedance spectroscopy recordings before and after the coating procedure on functional devices confirmed device integrity following modification. The described tools can be readily adapted for alternative electrode devices and treatment methods that maintain chemical compatibility.

The present protocol describes tools for handling silicon planar intracortical microelectrodes during treatments for surface modification via gas deposition and aqueous solution reactions. The assembly of the components used to handle the devices throughout the procedure is explained in detail.

シリコン平面皮質内微小電極の表面処理用ツール

Intracortical microelectrodes hold great therapeutic potential. But they are challenged with significant performance reduction after modest implantation ...

急速に製造された酸化インジウムスズ電極アレイによるヤヌス粒子の調製と交流電気力学的測定

要約

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光学的に透明な酸化インジウムスズ電極上にパターニングセル

マイクロ電極の構造によって生成されたAC動電現象

生きているバイオフィルムにおける電子輸送特性評価

蒸発速度検出のための高性能インピーダンスベースのプラットフォーム

その場でテスト用 LiPON ベース固体リチウムイオン Nanobatteries の集束イオンビームビーム加工

Operando のインピーダンス分光法の 4 電極設計場前記参照電極。

神経電位電極の体系的電気化学的および電気生理学的評価方法

透過型電子顕微鏡での密閉セルガス反応の実施

個々の電気不活性粒子の正確な電気化学的サイジング

シリコン平面皮質内微小電極の表面処理用ツール

急速に製造された酸化インジウムスズ電極アレイによるヤヌス粒子の調製と交流電気力学的測定

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Operando のインピー ダンス分光法の 4 電極設計場前記参照電極。

神経電位電極の体系的電気化学的および電気生理学的評価方法

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