Preparação de partículas de Janus e medições eletroquimáticas de corrente alternada com uma matriz de eletrodo de estanho de estanho rapidamente fabricada

Yu-Liang Chen; Hong-Ren Jiang

doi:10.3791/55950

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Neste Artigo

Resumo
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Reimpressões e Permissões

Resumo

Neste artigo, é demonstrado um método simples para preparar partículas metálicas parcialmente ou totalmente revestidas e para realizar medidas de propriedades eletroquimáticas de CA com um conjunto de eletrodos de óxido de índio e íon (ITO) rapidamente fabricado.

Resumo

Este artigo fornece um método simples para preparar partículas metálicas parcialmente ou totalmente revestidas e para realizar a fabricação rápida de arrays de eletrodos, o que pode facilitar experiências elétricas em dispositivos microfluídicos. As partículas Janus são partículas assimétricas que contêm duas propriedades de superfície diferentes em seus dois lados. Para preparar partículas de Janus, uma monocamada de partículas de sílica é preparada por um processo de secagem. Ouro (Au) é depositado em um lado de cada partícula usando um dispositivo de pulverização catódica. As partículas metálicas totalmente revestidas são completadas após o segundo processo de revestimento. Para analisar as propriedades da superfície elétrica das partículas de Janus, medições eletrocinéticas de corrente alternada (AC), como a dielectroforese (DEP) e a eletrorretação (EROT) - que requerem arrays de eletrodo especificamente projetados no dispositivo experimental - são realizadas. No entanto, os métodos tradicionais para fabricar arrays de eléctrodos, como a técnica fotolitográfica, requerem uma sérieDe procedimentos complicados. Aqui, apresentamos um método flexível para fabricar uma matriz de eletrodo projetada. Um vidro de óxido de estanho de índio (ITO) é modelado por uma máquina de marcação a laser de fibra (1,064 nm, 20 W, largura de pulso de 90 a 120 ns e freqüência de repetição de pulso de 20 a 80 kHz) para criar uma matriz de eletrodos de quatro fases. Para gerar o campo elétrico trifásico, os eletrodos são conectados a um gerador de função de 2 canais e a dois inversores. O deslocamento de fase entre eletrodos adjacentes é fixado em 90 ° (para EROT) ou 180 ° (para DEP). São apresentados resultados representativos das medições eletroquimáticas AC com um conjunto de eletrodos ITO trifásicos.

Introdução

As partículas de Janus, com o nome do deus romano com uma face dupla, são partículas assimétricas cujos dois lados têm propriedades de superfície fisicamente ou quimicamente diferentes ¹ ^, ² . Devido a essa característica assimétrica, as partículas de Janus exibem respostas especiais sob campos elétricos, como DEP ³ ^, ⁴ ^, ⁵ ^, ⁶ , EROT ² e eletroforese de carga induzida (ICEP) ⁷ ^, ⁸ ^, ⁹ . Recentemente, vários métodos para preparar partículas Janus foram relatados, incluindo o método de emulsão Pickering ¹⁰ , o método ^de co-jato eletroidrodinâmico ¹¹ e o método de fotopolimerização microfluídica ¹² . No entanto, esses métodos requerem uma série de compAparelhos e procedimentos licenciados. Este artigo apresenta um método simples para preparar partículas Janus e partículas metálicas totalmente revestidas. Uma monocamada de partículas de sílica com micro escala é preparada num processo de secagem e é colocada num dispositivo de pulverização a ser revestido com Au. Um hemisfério da partícula está sombreado, e apenas o outro hemisfério é revestido com Au ² ^, ¹³ . A monocamada da partícula Janus é estampada com um selo de polidimetilsiloxano (PDMS) e depois tratada com um segundo processo de revestimento para preparar partículas metálicas totalmente revestidas ¹⁴ .

Para caracterizar as propriedades elétricas de uma partícula Janus, diferentes respostas eletrocinéticas AC, como DEP, EROT e eletro-orientação, são amplamente utilizadas ⁹ ^, ¹⁵ ^, ¹⁶ ^, ¹⁷ ^, ¹⁸ ^{, ¹⁹ . Por exemplo, EROT é a resposta rotacional em estado estacionário de uma partícula sob um campo elétrico rotativo imposta externamente ² ^, ⁹ ^, ¹⁵ ^, ¹⁶ . Ao medir o EROT, pode-se obter a interação entre o dipolo induzido das partículas e os campos elétricos. O DEP, que decorre da interação entre os dipolos induzidos e um campo elétrico não uniforme, é capaz de levar ao movimento das partículas ³ ^, ⁴ ^, ⁵ ^, ⁹ ^, ¹⁵ . Diferentes tipos de partículas podem ser atraídos para (DEP positivo) ou repelir de (DEP negativo) os bordos dos eletrodos, que serve como um método geral para manipular e caracterizar partículas no dispositivo microfluídico. O translacional (DEP) e rota As características das partículas (EROT) da partícula sob o campo elétrico são dominadas pela parte real e imaginária do fator Clausius-Mossotti (CM), respectivamente. O fator CM depende das propriedades elétricas das partículas e do líquido circundante, que são reveladas a partir da freqüência característica, ω _c = 2σ / aC _DL , de DEP e EROT, onde σ é a condutividade líquida, a é o raio da partícula, E C _DL é a capacitância da camada dupla elétrica ¹⁵ ^, ¹⁶ . Para medir o EROT e o DEP de partículas, são necessários padrões de matrizes de eléctrodos especialmente projetados. Tradicionalmente, uma técnica fotolitográfica é usada para criar matrizes de eletrodos e requer uma série de procedimentos complicados, incluindo revestimentos de fotorresistência, alinhamento de máscara, exposição e desenvolvimento ¹⁵ ^, ¹⁸ ^,S = "xref"> 19 ^, ²⁰ .}

Neste artigo, a fabricação rápida de arrays de eletrodos é demonstrada por padrões óticos diretos. Uma camada ITO de película fina transparente, que é revestida no substrato de vidro, é parcialmente removida por uma máquina de marcação a laser de fibra (1,064 nm, 20 W, largura de pulso de 90 a 120 ns e freqüência de repetição de pulso de 20 a 80 kHz) para formar Uma matriz de eletrodos de quatro fases. A distância entre os eletrodos diagonais é de 150-800 μm, que pode ser ajustada de acordo com os experimentos. O conjunto de eletrodos de quatro fases pode ser usado para caracterizar e concentrar partículas em diferentes dispositivos microfluídicos ¹⁵ ^, ¹⁶ ^, ¹⁸ . Para gerar o campo elétrico trifásico, a matriz de eletrodos é conectada a um gerador de função de 2 canais e a dois inversores. O deslocamento de fase entre os eletrodos adjacentes é definido em 90 ° (para EROT) ou 180 ° (para DEP) ¹⁵ . O sinal de CA é aplicado a uma amplitude de tensão de 0,5 a 4 V _pp e a frequência varia de 100 Hz a 5 MHz durante o processo de operação. Partículas Janus, partículas metálicas e partículas de sílica são usadas como amostras para medir suas propriedades eletrocinéticas AC. As suspensões das partículas são colocadas na região central do conjunto de eletrodos e são observadas sob um microscópio óptico invertido com um objetivo 40X, NA 0.6. O movimento de partículas e a rotação são gravados com uma câmera digital. O movimento DEP é gravado na região anular, entre 40 e 65 μm radialmente fora do centro da matriz, e o EROT é gravado na região circular, 65 μm radialmente fora do centro da matriz. A velocidade da partícula e a velocidade angular são medidas pelo método de rastreamento de partículas. Os centroóides de partículas são distinguidos por escala de cinza ou geometria de partículas usando o software. A velocidade da partícula e a velocidade angular são obtidas porMedindo os movimentos dos centroides de partículas.

Este artigo fornece um método simples para fabricar rapidamente arrays de eletrodos com padrões arbitrários. Ele introduz a preparação de partículas metálicas totalmente ou parcialmente revestidas, que podem ser usadas em diferentes campos, com usos que variam de biologia para aplicações industriais.