הכנת חלקיקים Janus ומדידות זרם Electrokinetic הנוכחי עם המהדהד אינדיום פח תחמוצת אלקטרודה מערך
Summary
במאמר זה, שיטה פשוטה להכין חלקיקים מתכתי מצופה חלקית או מלאה כדי לבצע מדידות רכוש electrokinetic AC עם מערך פחמיום אינדיום במהירות פח (ITO) אלקטרודה הוא הפגינו.
Abstract
מאמר זה מספק שיטה פשוטה להכין חלקיקי מתכת מצופה חלקית או מלאה כדי לבצע את ייצור מהירה של מערכים אלקטרודה, אשר יכול להקל על ניסויים חשמליים במכשירים microfluidic. חלקיקי יאנוס הם חלקיקים אסימטריים המכילים שני מאפייני שטח שונים על שני הצדדים שלהם. כדי להכין חלקיקי יאנוס, monolayer של חלקיקי סיליקה מוכן על ידי תהליך ייבוש. זהב (Au) מופקד על צד אחד של כל חלקיק באמצעות התקן המקרטעת. החלקיקים המתכתיים המצופים במלואם הושלמו לאחר תהליך הציפוי השני. כדי לנתח את המאפיינים משטח חשמלי של חלקיקים יאנוס, החלפה הנוכחית (AC) מדידות electrokinetic, כגון dilectrophoresis (DEP) ו electrorotation (EROT) – אשר דורשים מערכי אלקטרודה תוכנן במיוחד במכשיר הניסוי – מבוצעות. עם זאת, שיטות מסורתיות כדי לפברק מערכים אלקטרודה, כגון הטכניקה photolithographic, דורשים סדרהשל נהלים מסובכים. כאן, אנו מציגים שיטה גמישה כדי לפברק מערך אלקטרודה מתוכנן. תחמוצת פח אינדיום (ITO) זכוכית הוא בדוגמת על ידי לייזר סיבים מכונת סימון (1,064 ננומטר, 20 וואט, 90-120 ns רוחב הדופק, 20 ו – 80 קילוהרץ הדופק חוזרת הדופק) כדי ליצור מערך אלקטרודה ארבעה שלבים. כדי ליצור את השדה החשמלי בן ארבע השלב, האלקטרודות מחוברות לגנרטור של 2 ערוצים ולשתי ממירים. מעבר פאזה בין האלקטרודות הסמוכות נקבע על 90 ° (עבור EROT) או 180 ° (עבור DEP). תוצאות נציג של מדידות electroinetic AC עם ארבעה שלב מערך אלקטרודות ה- ITO מוצגים.
Introduction
חלקיקי יאנוס, הקרויים על שם האל הרומי עם פנים כפולות, הם חלקיקים אסימטריים ששני הצדדים שלהם בעלי תכונות פיזיות שונות או כימיות שונות 1 , 2 . בשל תכונה אסימטרית זו, חלקיקי יאנוס מפגינים תשובות מיוחדות בשדות חשמליים, כגון DEP 3 , 4 , 5 , 6 , EROT 2 , ו electrophoresis המושרה (ICEP) 7 , 8 , 9 . לאחרונה, מספר שיטות להכנת חלקיקי יאנוס דווחו, כולל שיטת תחליב Pickering 10 , שיטת electrohydrodynamic co-jetting 11 , ואת שיטת photopolymerization microfluidic 12 . עם זאת, שיטות אלה דורשים סדרה של compהתקנים ונהלים מורשים. מאמר זה מציג שיטה פשוטה להכין חלקיקים יאנוס מצופה לחלוטין חלקיקים מתכתיים. Monolayer של חלקיקי סיליקה מיקרו בקנה מידה מוכן בתהליך ייבוש והוא הכניסו לתוך המכשיר המקרטעת להיות מצופה Au. חצי כדור אחד של החלקיק הוא מוצל, ורק את חצי הכדור השני מצופה Au 2 , 13 . Monolayer של החלקיק יאנוס הוא חותמת עם polydimethylsiloxane (PDMS) חותמת ולאחר מכן טיפל עם תהליך ציפוי השני להכין חלקיקים מתכתיים מצופים 14 .
כדי לאפיין את המאפיינים החשמליים של חלקיק יאנוס, תגובות שונות אלקטרוכינטי AC, כגון DEP, EROT, ו-אוריינטציה אלקטרונית, נמצאים בשימוש נרחב 9 , 15 , 16 , 17 , 18 <sלמעלה, 19 . לדוגמה, EROT היא תגובה סיבובית של מצב יציב של חלקיק תחת שדה חשמלי מסתובב חיצונית 2 , 9 , 15 , 16 . על ידי מדידת ה- EROT, ניתן להשיג את האינטראקציה בין הדיפול המושרה של החלקיקים לבין השדות החשמליים. DEP, הנובע מן האינטראקציה בין דיפולס המושרה לבין שדה חשמלי לא אחיד, מסוגל להוביל לתנועה החלקיקים 3 , 4 , 5 , 9 , 15 . סוגים שונים של חלקיקים ניתן למשוך (DEP חיובי) או דחוי מ (DEP שלילי) את קצוות האלקטרודה, אשר משמש כדרך כללית מניפולציה ואפיון חלקיקים במכשיר microfluidic. טרנספורמציה (DEP) ו rota Tional (EROT) המאפיינים של החלקיקים מתחת לשדה החשמלי נשלטים על ידי החלק האמיתי והדמיוני של הגורם Clausius-Mossotti (CM), בהתאמה. גורם CM תלוי בתכונות החשמליות של החלקיקים והנוזל שמסביב, אשר מתגלות בתדירות האופיינית, ω c = 2σ / aC DL , של DEP ו- EROT, כאשר σ הוא מוליכות נוזלית, הוא רדיוס החלקיקים, ו – DL DL הוא הקיבולת של שכבה כפולה חשמל 15 , 16 . כדי למדוד את EROT ו DEP של חלקיקים, דפוסי מערך האלקטרודה תוכנן במיוחד. באופן מסורתי, טכניקה photolithographic משמש ליצירת מערכים אלקטרודה דורש סדרה של הליכים מסובכים, כולל ציפוי ספין photoresist, יישור מסכה, חשיפה, ופיתוח 15 , 18 ,S = "xref"> 19 , 20 .
במאמר זה, ייצור מהיר של מערכים אלקטרודה מודגם על ידי דפוס אופטי ישיר. שכבה דקה שקופה של שכבת ה- ITO, המצופה על מצע הזכוכית, מוסרת חלקית על ידי מכונת סיבים בלייזר סיבים (1,064 ננומטר, רוחב 20 וואט, 90-120 ns ודופק 20 עד 80 קילו-הרץ) מערך אלקטרודות בעל ארבעה פאזות. המרחק בין האלקטרודות באלכסון הוא 150-800 מיקרומטר, אשר יכול להיות מותאם כדי להתאים את הניסויים. מערך ארבע אלקטרודות שלב ניתן להשתמש כדי לאפיין ולרכז חלקיקים במכשירים microfluidic שונים 15 , 16 , 18 . כדי ליצור את השדה החשמלי בן ארבע השורות, מערך האלקטרודה מחובר למעבד מחולל פונקציה של 2 ערוצים ולשני ממירים. מעבר פאזה בין האלקטרודות הסמוכות נקבע על 90 ° (עבור EROT) או 180 ° (עבור DEP) 15 . אות ה- AC מוחל על משרעת מתח של 0.5 עד 4 וולט, והתדרים נע בין 100 הרץ ל -5 מגה-הרץ במהלך תהליך הפעולה. חלקיקי יאנוס, חלקיקים מתכתיים, וחלקיקי סיליקה משמשים דגימות למדידת תכונות electroinetic AC שלהם. השעיות של החלקיקים ממוקמים על אזור המרכז של המערך אלקטרודה נצפים תחת מיקרוסקופ אופטי הפוך עם 40X, NA 0.6 המטרה. החלקיקים תנועה סיבוב נרשמות עם מצלמה דיגיטלית. תנועת ה- DEP נרשמת באזור החילוני, בין 40 ל -65 מיקרומטר במרחק רדיקלי ממרכז המערך, ו- EROT נרשם באזור המעגלי, 65 מיקרומטר במרחק רדיקאלי ממרכז המערך. מהירות החלקיקים וזווית הזווית נמדדים בשיטת מעקב החלקיקים. החלקיקים centroids נבדלים בקנה מידה אפור או גיאומטריה של חלקיקים באמצעות תוכנה. מהירות החלקיקים וזווית זוויתית מתקבלים על ידימדידת את התנועות של centroids החלקיקים.
מאמר זה מספק שיטה פשוטה לפברק במהירות מערכים אלקטרודה בדפוס שרירותי. הוא מציג את ההכנה של חלקיקים מתכתיים מצופים חלקית או חלקית, אשר ניתן להשתמש בתחומים שונים, עם שימושים החל ביולוגיה ליישומים בתעשייה.
Protocol
Representative Results
Discussion
בודה מערכים אלקטרודה אלקטרודה באמצעות סיבים לייזר מכונת סימון מספק שיטה מהירה להכין אלקטרודות עם דפוסי שרירותי. עם זאת, ישנם עדיין כמה חסרונות בשיטה זו, כגון ספקים תשלום פחות דיוק ייצור נמוך של אלקטרודות איטו לעומת אלקטרודות מתכת שנוצרו על ידי שיטות מסורתיות. חסרונו…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
עבודה זו נתמכה על ידי משרד המדע והטכנולוגיה, טייוואן, ROC, תחת גרנט NSC 103-2112-M-002-008-MY3.
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 |
References
- Walther, A., Müller, A. H. Janus particles. Soft Matter. 4 (4), 663-668 (2008).
- Chen, Y. -. L., Jiang, H. -. R. Electrorotation of a metallic coated Janus particle under AC electric fields. Appl Phys Lett. 109 (19), 191605 (2016).
- Zhang, L., Zhu, Y. Directed assembly of janus particles under high frequency ac-electric fields: Effects of medium conductivity and colloidal surface chemistry. Langmuir. 28 (37), 13201-13207 (2012).
- Gangwal, S., Cayre, O. J., Velev, O. D. Dielectrophoretic assembly of metallodielectric Janus particles in AC electric fields. Langmuir. 24 (23), 13312-13320 (2008).
- Zhang, L., Zhu, Y. Dielectrophoresis of Janus particles under high frequency ac-electric fields. Appl Phys Lett. 96 (14), 141902 (2010).
- Chen, J., Zhang, H., Zheng, X., Cui, H. Janus particle microshuttle: 1D directional self-propulsion modulated by AC electrical field. AIP Adv. 4 (3), 031325 (2014).
- Gangwal, S., Cayre, O. J., Bazant, M. Z., Velev, O. D. Induced-charge electrophoresis of metallodielectric particles. Phys Rev Lett. 100 (5), 058302 (2008).
- Peng, C., Lazo, I., Shiyanovskii, S. V., Lavrentovich, O. D. Induced-charge electro-osmosis around metal and Janus spheres in water: Patterns of flow and breaking symmetries. Phys Rev E. 90 (5), 051002 (2014).
- Ramos, A., García-Sánchez, P., Morgan, H. AC electrokinetics of conducting microparticles: A review. Curr Opin Colloid Interface Sci. 24, 79-90 (2016).
- Hong, L., Jiang, S., Granick, S. Simple method to produce Janus colloidal particles in large quantity. Langmuir. 22 (23), 9495-9499 (2006).
- Bhaskar, S., Hitt, J., Chang, S. W. L., Lahann, J. Multicompartmental microcylinders. Angewandte Chemie International Edition. 48 (25), 4589-4593 (2009).
- Nie, Z., Li, W., Seo, M., Xu, S., Kumacheva, E. Janus and ternary particles generated by microfluidic synthesis: design, synthesis, and self-assembly. J Am Chem Soc. 128 (29), 9408-9412 (2006).
- Jiang, H. -. R., Yoshinaga, N., Sano, M. Active motion of a Janus particle by self-thermophoresis in a defocused laser beam. Phys Rev Lett. 105 (26), 268302 (2010).
- Pawar, A. B., Kretzschmar, I. Multifunctional patchy particles by glancing angle deposition. Langmuir. 25 (16), 9057-9063 (2009).
- García-Sánchez, P., Ren, Y., Arcenegui, J. J., Morgan, H., Ramos, A. Alternating current electrokinetic properties of gold-coated microspheres. Langmuir. 28 (39), 13861-13870 (2012).
- Ren, Y. K., Morganti, D., Jiang, H. Y., Ramos, A., Morgan, H. Electrorotation of metallic microspheres. Langmuir. 27 (6), 2128-2131 (2011).
- Jones, T. B., Jones, T. B. . Electromechanics of particles. , (2005).
- Morganti, D. . AC electrokinetic analysis of chemically modified microparticles. , (2012).
- Morgan, H., Hughes, M. P., Green, N. G. Separation of submicron bioparticles by dielectrophoresis. Biophys J. 77 (1), 516-525 (1999).
- Ren, Y., et al. Induced-charge electroosmotic trapping of particles. Lab Chip. 15 (10), 2181-2191 (2015).
