Janus Parçacıklarının Hazırlanması ve Alternatif Akım Elektrokinetik Ölçümlerin Hızla Yapılmış İndiyum Kalay Oksit Elektrot Dizisi ile Hazırlanması
Summary
Bu makalede, kısmen veya tamamen kaplanmış metal parçacıkların hazırlanması ve hızla imal edilen indiyum kalay oksit (ITO) elektrot dizisi ile AC elektrokinetik özellik ölçümleri yapmak için basit bir yöntem gösterilmiştir.
Abstract
Bu makale, kısmen veya tamamen kaplanmış metal parçacıkların hazırlanması ve mikroakışkan aygıtlardaki elektrik deneylerini kolaylaştırabilen elektrot dizilerinin hızlı üretimini gerçekleştirmek için basit bir yöntem sunmaktadır. Janus parçacıkları, iki tarafında iki farklı yüzey özelliği içeren asimetrik parçacıklardır. Janus parçacıklarını hazırlamak için, bir silika parçacıkları tek katmanlı bir kurutma işlemi ile hazırlanır. Altın (Au), bir püskürtme aygıtı kullanılarak her partikülün bir tarafına çökelir. Tamamen kaplanmış metalik parçacıklar, ikinci kaplama işleminden sonra tamamlanır. Janus parçacıklarının elektriksel yüzey özelliklerini analiz etmek için dielektroforez (DEP) ve elektromotorlaştırma (EROT) gibi deneysel aygıtta özel olarak tasarlanmış elektrod dizilerini gerektiren alternatif akım (AC) elektrokinetik ölçümler gerçekleştirilir. Bununla birlikte, fotolitografi tekniği gibi elektrod dizilerini imal etmek için geleneksel yöntemler,Karmaşık işlemler. Burada, tasarlanmış bir elektrot dizisi imal etmek için esnek bir yöntem sunmaktayız. Bir indiyum kalay oksit (ITO) camı dört fazlı bir elektrot dizisi oluşturmak için bir fiber lazer markalama makinesi (1,064 nm, 20 W, 90 ila 120 ns darbe genişliği ve 20 ila 80 kHz darbe tekrarlama frekansı) ile desenlenmiştir. Dört fazlı elektrik alanı oluşturmak için elektrotlar 2 kanallı bir fonksiyon üreticisine ve iki invertöre bağlanır. Bitişik elektrotlar arasındaki faz kayması 90 ° (EROT için) veya 180 ° (DEP için) olarak ayarlanır. Dört fazlı ITO elektrot dizisi ile AC elektrokinetik ölçümlerin temsili sonuçları sunulmuştur.
Introduction
Çift taneli Roma tanrısından sonra isimlendirilen Janus parçacıkları, iki tarafı fiziksel veya kimyasal olarak farklı yüzey özelliklerine sahip asimetrik parçacıklardır 1 , 2 . Bu asimetrik özellik nedeniyle, Janus parçacıkları, DEP 3 , 4 , 5 , 6 , EROT 2 ve indüklenmiş yük elektroforezi (ICEP) 7 , 8 , 9 gibi elektrik alanları altında özel yanıtlar sergiler. Son zamanlarda, Pickering emülsiyon yöntemi 10 , elektrohidrodinamik ortak jetleme yöntemi 11 ve mikroakışkan fotopolimerizasyon yöntemi 12 dahil olmak üzere, Janus parçacıklarının hazırlanması için çeşitli yöntemler bildirilmiştir. Bununla birlikte, bu yöntemler bir dizi compKarmaşık aygıtlar ve prosedürler. Bu makalede, Janus parçacıklarının ve tamamen kaplanmış metal parçacıkların hazırlanması için basit bir yöntem tanıtılmaktadır. Mikro ölçekli silika parçacıklarından oluşan bir tek tabaka bir kurutma prosesinde hazırlanır ve Au ile kaplanacak bir püskürtme cihazına konur. Parçacığın bir yarımküresi gölgeli ve yalnızca diğer yarımkürede Au 2 , 13 ile kaplanmıştır. Janus parçacıklarının tek katmanı bir polidimetilsiloksan (PDMS) damgası ile damgalanmış ve daha sonra tamamen kaplanmış metalik parçacıkların 14 hazırlanması için ikinci bir kaplama işlemi ile muamele edilmiştir.
Bir Janus parçacığının elektriksel özelliklerini karakterize etmek için DEP, EROT ve elektro-yönelim gibi farklı AC elektrokinetik yanıtlar yaygın olarak 9 , 15 , 16 , 17 , 18 kullanılır <sYukarı>, 19 . Örneğin, EROT, bir partikülün harici olarak dayatılan dönen bir elektrik alanı 2 , 9 , 15 , 16 altında kararlı duruma dönme tepkisidir. EROT'yi ölçerek, parçacıkların indüklediği dipol ile elektrik alanlar arasındaki etkileşim elde edilebilir. Uyarılmış dipoller ve düzensiz bir elektrik alanı arasındaki etkileşimden kaynaklanan DEP, parçacık hareketine 3 , 4 , 5 , 9 , 15 yol açabilir. Mikroakışkan cihazdaki partiküllerin manipüle edilmesi ve karakterize edilmesi için genel bir yöntem olarak görev yapan elektrot kenarlarına farklı türdeki parçacıklar çekilebilir (pozitif DEP) ya da (DEP negatif DEP) itilebilir. Translasyonel (DEP) ve rota Elektrik alanındaki partikülün EROT karakteristikleri sırasıyla Clausius-Mossotti (CM) faktörünün gerçek ve sanal kısmı tarafından baskındır. CM faktörü, DEP ve EROT'nin karakteristik frekansı olan ω c = 2σ / aC DL'den ortaya çıkan parçacıkların ve çevreleyen sıvının elektriksel özelliklerine bağlıdır; burada σ sıvı iletkenliği, a parçacık yarıçapı, Ve C DL , elektriksel çift tabakanın ( 15 , 16) kapasitansıdır. Parçacıkların EROT ve DEP'sini ölçmek için, özel olarak tasarlanmış elektrot dizisi modellerine ihtiyaç vardır. Geleneksel olarak, bir fotolitografi tekniği elektrot dizileri oluşturmak için kullanılır ve fotorezist spin-kaplama, maske hizalama, pozlama ve geliştirme dahil olmak üzere bir dizi karmaşık işlem gerektirir 15 , 18 ,S = "xref"> 19 , 20 .
Bu makalede, elektrot dizilerinin hızlı üretimi direkt optik modelleme ile gösterilmiştir. Cam substrat üzerine kaplanmış şeffaf bir ince film ITO tabakası, bir fiber lazer markalama makinesi (1.064 nm, 20 W, 90 ila 120 ns darbe genişliği ve 20 ila 80 kHz atım tekrarlama frekansı) ile kısmen çıkartılarak Dört fazlı bir elektrod dizisi. Diyagonal elektrotlar arasındaki uzaklık 150-800 μm, deneylere uyacak şekilde ayarlanabilir. Dört fazlı elektrod dizisi farklı mikroakışkan aygıtlar 15 , 16 , 18'deki parçacıkları karakterize etmek ve konsantre etmek için kullanılabilir. Dört fazlı elektrik alanını üretmek için, elektrot dizisi 2 kanallı bir işlev üretecine ve iki invertöre bağlanır. Bitişik elektrotlar arasındaki faz kayması ya 90 ° (EROT için) ya da 180 ° (DEP için) 15 . AC sinyali, 0.5 ila 4 V pp voltaj genlikte uygulanır ve frekans, işlem işlemi sırasında 100 Hz ila 5 MHz arasında değişir. Janus parçacıkları, metalik parçacıklar ve silika parçacıkları AC elektrokinetik özelliklerini ölçmek için numune olarak kullanılır. Parçacıkların süspansiyonları elektrot dizisinin orta bölümüne yerleştirilir ve 40X, NA 0.6 hedefli ters bir optik mikroskop altında gözlemlenir. Parçacık hareketi ve dönüşü bir dijital fotoğraf makinesi ile kaydedilir. DEP hareketi, dizi merkezinden 40 ila 65 μm arasında radyal olarak uzanan dairesel bölgede kaydedilir ve EROT, dairesel bölgede 65 μm radyal olarak dizi merkezinden uzakta kaydedilir. Parçacık hızı ve açısal hız parçacık izleme yöntemi ile ölçülür. Parçacık merkezleri yazılım kullanarak gri skala veya parçacık geometrisi ile ayırt edilir. Parçacık hızı ve açısal hız,Parçacık merkezlerinin hareketlerini ölçme.
Bu makale, keyfi olarak desenli elektrod dizilerini hızla üretmek için basit bir yöntem sunmaktadır. Biyolojiden endüstriye kadar çeşitli alanlarda kullanılabilen tamamen veya kısmen kaplanmış metal parçacıkların hazırlanmasını sunar.
Protocol
Representative Results
Discussion
Fiber lazer işaretleme makinesi kullanarak ITO elektrod dizilerinin yapılması, keyfi modellerle elektrotlar hazırlamak için hızlı bir yöntem sağlar. Bununla birlikte, geleneksel yöntemlerle yaratılan metal elektrotlara kıyasla daha az yük taşıyıcı ve daha düşük üretim hassasiyeti gibi bu yöntemde hala bazı dezavantajlar bulunmaktadır. Bu dezavantajlar bazı deneyleri sınırlayabilir. Örneğin, elektrotlar arasında büyük bir mesafe olduğunda, daha az yük taşıyıcıları elektrik alanını…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Bu çalışma, Bilim ve Teknoloji Bakanlığı, Tayvan, ROC tarafından Hibe NSC 103-2112-M-002-008-MY3 kapsamında desteklenmiştir.
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).
