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

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} <sUp>, 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.