使用快速制造的氧化铟锡电极阵列制备Janus粒子和交流电动势测量
Summary
在本文中，证明了使用快速制造的氧化铟锡（ITO）电极阵列制备部分或完全涂覆的金属颗粒和进行交流电动特性测量的简单方法。
Abstract
本文提供了一种制备部分或完全涂覆的金属颗粒并执行电极阵列的快速制造的简单方法，其可以促进微流体装置中的电学实验。 Janus颗粒是在其两侧含有两种不同表面性质的不对称颗粒。为了制备Janus颗粒，通过干燥过程制备单层二氧化硅颗粒。使用溅射装置将金（Au）沉积在每个颗粒的一侧上。完全涂覆的金属颗粒在第二次涂覆工艺之后完成。为了分析Janus粒子的电气表面性质，进行了在实验装置中需要专门设计的电极阵列的交流电（AC）电动力学测量，例如介电电泳（DEP）和电旋转（EROT）。然而，制造电极阵列的传统方法，例如光刻技术，需要一系列的复杂程序。在这里，我们介绍一种灵活的方法来制造设计的电极阵列。通过光纤激光打标机（1,064nm，20W，脉冲宽度为90〜120ns，脉冲重复频率为20〜80kHz）对铟锡氧化物（ITO）玻璃进行图案化，形成四相电极阵列。为了产生四相电场，电极连接到2通道功能发生器和两个反相器。相邻电极之间的相移设置为90°（对于EROT）或180°（对于DEP）。提出了具有四相ITO电极阵列的交流电动测量的代表性结果。
Introduction
以罗马神命名为双面的Janus粒子是不对称的粒子，其双面在物理或化学上具有不同的表面性质1,2 。由于这种不对称特征，Janus颗粒在电场下表现出特殊的反应，例如DEP3,4,5,6，EROT2和诱导电荷电泳（ICEP） 7,8,9 。最近报道了几种制备Janus颗粒的方法，包括Pickering乳液法10 ，电动液体共喷射法11和微流体光聚合法12 。然而，这些方法需要一系列的组合提示设备和程序。本文介绍了一种简单的方法来制备Janus颗粒和完全涂覆的金属颗粒。在干燥过程中制备单层微尺度二氧化硅颗粒，并将其放入用Au涂覆的溅射装置中。颗粒的一个半球是阴影的，只有另一个半球涂有Au 2，13。 Janus颗粒的单层用聚二甲基硅氧烷（PDMS）印模冲压，然后用第二次涂覆工艺处理以制备完全涂覆的金属颗粒14 。
为了表征Janus颗粒的电学性质，不同的AC电动反应（如DEP，EROT和电取向）被广泛使用9,15,16,17,18 <s， 19 。例如，EROT是在外部施加的旋转电场2,9,15,16处的颗粒的稳态旋转响应。通过测量EROT，可以获得颗粒的感应偶极子与电场之间的相互作用。由诱发偶极子和不均匀电场之间的相互作用产生的DEP能够导致粒子运动3,4,5,9,15 。可以将不同种类的颗粒吸引到（正DEP）或排斥（负DEP）电极边缘，其用作操纵和表征微流体装置中的颗粒的一般方法。翻译（DEP）和旋转电场下的粒子特征（EROT）分别由克劳修斯 – 莫索蒂（CM）因子的实部和虚部支配。 CM因子取决于粒子和周围液体的电学性质，从特征频率ωC =2σ/ aC DL ，DEP和EROT可知，其中σ是液体电导率，a是粒子半径， C DL是电双层15,16的电容。为了测量颗粒的EROT和DEP，需要特别设计的电极阵列图案。传统上，使用光刻技术来产生电极阵列并且需要一系列复杂的过程，包括光刻胶旋涂，掩模对准，曝光和显影15,18 ，s =“xref”> 19，20。
在本文中，电极阵列的快速制造通过直接光学图案化来证明。通过光纤激光打标机（1,064nm，20W，90〜120ns脉冲宽度，20〜80kHz脉冲重复频率）部分地除去涂布在玻璃基板上的透明薄膜ITO层，形成四相电极阵列。对角电极之间的距离为150-800μm，可以进行调整以适应实验。四相电极阵列可用于表征和浓缩不同微流体装置15,16,18中的颗粒。为了产生四相电场，电极阵列连接到2通道功能发生器和两个反相器。相邻电极之间的相移设置为90°（对于EROT）或180°（DEP） 15 。 AC信号以0.5至4 V pp电压幅度施加，运行过程中频率范围为100 Hz至5 MHz。将Janus颗粒，金属颗粒和二氧化硅颗粒用作样品以测量其AC电动性质。将颗粒的悬浮液放置在电极阵列的中心区域，并在具有40X，NA 0.6目标的倒置光学显微镜下观察。使用数码相机记录颗粒运动和旋转。 DEP运动被记录在径向远离阵列中心的40至65μm之间的环形区域处，并且EROT被记录在径向远离阵列中心的圆形区域65μm处。颗粒速度和角速度通过粒子跟踪方法测量。粒子质心通过灰度或使用软件的粒子几何来区分。粒子速度和角速度由测量粒子质心的运动。
本文提供了一种快速制造任意图案化电极阵列的简单方法。它介绍了完全或部分涂覆的金属颗粒的制备，可用于不同领域，从生物学到工业应用。
Protocol
Representative Results
Discussion
使用光纤激光打标机制造ITO电极阵列提供了制备具有任意图案的电极的快速方法。然而，与通过传统方法制造的金属电极相比，该方法仍然存在诸如较少的电荷载体和较低的ITO电极的制造精度的缺点。这些缺点可能会限制一些实验。例如，当电极之间存在大的距离时，较少的载流子可能影响电场的分布。此外，图案化参数的调整是该方法中的关键步骤，其直接影响ITO电极阵列的质量。例如，激光?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
这项工作得到了科技部台湾中华民国国家科技计划赞助NSC 103-2112-M-002-008-MY3的支持。
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 |
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