Diese Arbeit wurde vom Ministerium für Wissenschaft und Technologie, Taiwan, ROC, unter Grant NSC 103-2112-M-002-008-MY3 unterstützt.

1. Herstellung des Mikrochips <ol><li> Vorbereitung der ITO-Elektrode <ol><li> Verwenden Sie kommerzielle Illustration Software, um ein Kreuzmuster zu zeichnen. Stellen Sie den Abstand zwischen den Diagonalelektroden auf 160 &amp; mgr; m ein und machen Sie die Arme des Kreuzmusters 30 mm breit und 55 mm lang, wie in 1 gezeigt . Speichern Sie die Illustrationsdatei als DXF-Datei. </li><li> Verwenden Sie einen Glasschneider, um das ITO-Glas auf eine Größe von 25 mm x 50 mm (Breite x Länge) zu schneiden. Verwenden Sie 75% Ethanol und DI Wasser, um das ITO-Glas mehrmals zu spülen. </li><li> Setzen Sie das ITO-Glas auf die Pulsfaser-Lasermarkierungsmaschine. Fokussieren Sie den Laser auf die Oberfläche des ITO-Glases, indem Sie den Abstand zwischen dem ITO-Glas und dem Laser auf 279,5 mm einstellen. HINWEIS: Der hier verwendete Laser hat folgende Spezifikationen: 1.064 nm, 20 W, 90 bis 120 ns Pulsbreite und 20 bis 80 kHz Impulswiederholfrequenz mit einer Impulslichtintensität bei ca. 5 x 10 5 W / cm 2). </li><li> Laden Sie die Bilddatei (DXF-Datei) direkt auf den Computer der Lasermarkierungsmaschine. Klicken Sie auf die Schaltfläche &quot;Parameter markieren&quot; und geben Sie folgende Parameter ein: Geschwindigkeit, &quot;800 mm / s&quot;; Macht, &quot;60%;&quot; Und Frequenz, &quot;40 kHz&quot;. Markiere den &quot;Frame&quot;, &quot;Fill&quot; und &quot;Fill First&quot;. <ol><li> Klicken Sie auf die Schaltfläche &quot;Vorschau&quot;, um das Muster an der ITO-Glaszentrale zu positionieren. Klicken Sie auf die Schaltfläche &quot;Stichprobe markieren&quot;, um das ITO-Glas zu kopieren ( Abbildung 1 A ). </li></ol></li></ol></li><li> Einrichten eines Vierphasengenerators und Verbinden des experimentellen Mikrochips <ol><li> Bauen Sie die Schaltkreise der Inverter, wie in Abbildung 2 gezeigt. </li><li> Verbinden Sie die 4 Drähte auf der Vierphasenelektrode durch direkten Kontakt mit dem Band, wie in Abbildung 2 C gezeigt . Teilen Sie die &quot;ChannEl 1 &quot;des Funktionsgenerators in zwei Zweige mit einem Doppel-BNC-Stecker. <ol><li> Verbinden Sie einen Zweig mit dem Draht (# 1), der an der ITO-Elektrode und der andere an den Eingang des Inverters angeschlossen ist. Verbinden Sie den Ausgang des Inverters mit dem Draht (# 3), wie in Abbildung 2 B gezeigt . </li></ol></li><li> Verbinden Sie &quot;Kanal 2&quot; mit dem gleichen Verfahren wie in Schritt 1.2.2, aber verbinden Sie sich mit den Drähten (# 2 und # 4), wie in Abbildung 2 B gezeigt . </li><li> Für die EROT-Experimente die Phasenverschiebung zwischen den beiden Kanälen auf 90 °, direkt am Funktionsgenerator einstellen. Eine Sinuswelle mit einer Amplitude von 0,5-4 Vpp und einer Frequenz von 100 Hz bis 5 MHz während der Experimente anwenden, wie in Abbildung 2 gezeigt. </li><li> Für die DEP-Experimente, verbinden Sie einen Zweig von Kanal 1 mit dem Draht (# 1), der an der ITO-Elektrode und der anderen an derEingang des Inverters. Verbinden Sie den Ausgang des Inverters mit dem Draht (# 2). Verbinden Sie Kanal 2 mit dem gleichen Verfahren, aber verbinden Sie sich mit den Drähten (# 3 und # 4). </li><li> Stellen Sie die Phasenverschiebung zwischen den 2 Kanälen bei 0 °, direkt am Funktionsgenerator ein. Eine Sinuswelle mit einer Amplitude von 0,5-4 Vpp und einer Frequenz von 100 Hz bis 5 MHz während der Experimente anwenden, wie in Abbildung 2 gezeigt. </li></ol></li></ol> 2. Vorbereitung der Proben <ol><li> Vorbereitung der Janus-Partikel <ol><li> Die 2 μm Siliciumdioxidteilchen-wässrige Suspension (10% Gew./Gew.) Bei 2.200 xg für 1 min zentrifugieren </li><li> 2 &amp; mgr; l sedimentäre Siliciumdioxidteilchen in ein 1,5 ml Mikrozentrifugenröhrchen pipettieren und 500 &amp; mgr; l Ethanol (99,5% V / V) zugeben. HINWEIS: Der Überstand muss nicht weggeworfen werden; Nur bei 4 ° C im Kühlschrank lagern. Es muss nicht vor Pipettin resuspendiert werdenG. </li><li> Die Ethanol-Siliciumdioxid-Partikel-Suspension wird mit einem Ultraschallgerät (43 kHz, 50 W) für 1 min inkubiert und dann bei 2.200 xg für 3 min zentrifugiert. </li><li> Ersetzen Sie den Überstand mit 500 μl Ethanol und wiederholen Sie Schritt 2.1.3 dreimal. </li><li> Ersetzen Sie den Überstand mit 8 μl Ethanol und schlagen Sie die Ethanol-Siliciumdioxid-Partikelsuspension mit einem Ultraschallgerät (43 kHz, 50 W) für 3 min auf. HINWEIS: Etwa 10 μl Ethanol-Siliciumdioxid-Partikel-Suspension sollten in diesem Schritt in der Röhre verbleiben. </li><li> 2 μl Ethanol-Siliciumdioxid-Partikelsuspension pipettieren und auf einen normalen Glasschieber (Breite: 25 mm, Länge: 75 mm und Dicke: 1,2 mm) tropfen lassen, um ein Tröpfchen zu bilden. Hinweis: Diese Menge an Partikelsuspension reicht aus, um die Monoschichten für 5-6 Folien (2 μl für jede Folie) herzustellen. </li><li> Ziehen Sie das Ethanol-Siliciumdioxid-Partikel-Tröpfchen langsam mit einem Deckglas ab, um eine Monoschicht aus Siliciumdioxid-Partikeln zu bilden ( Abbildung 3 </stRong&gt; A ). </li><li> Setzen Sie den Objektträger mit der Monoschicht aus Siliciumdioxidteilchen in eine mit Au beschichtete Sputtervorrichtung. <ol><li> Entfernen Sie die Luft aus der Sputterkammer bei 100 mTorr und injizieren Sie Argon für 10 min (ersetzen Sie die Luft mit Argon). Stoppen Sie die Injektion von Argon und entfernen Sie dann das Argon aus der Kammer bei 70 mTorr. </li><li> Setzen Sie den Strom auf 15 mA für 200 s. ( Fig. 3B ); Janus-Partikel werden bereits in diesem Schritt vorbereitet. </li></ol></li><li> 20 μl DI-Wasser auf die gesputterte Folie geben und die Janus-Partikel aus der Monoschicht mit einer normalen 200 μl Pipettenspitze kratzen. HINWEIS: Die Janus-Partikel, die von der Monoschicht abgeschabt wurden, hielten sich im DI-Wassertropfen bei diesem Schritt ab. </li><li> Das Janus-Partikel-Suspensions-Tröpfchen pipettieren und in ein weiteres 1,5-ml-Zentrifugenröhrchen geben. </li><li> Verwenden Sie die Janus-Partikel-Suspension, um die Probe durch Verdünnen mit DI-Wasser auf eine geeignete Konzentration zuzubereitenFür Experimente. HINWEIS: Die Konzentration der Partikelsuspension in den hier beschriebenen Versuchen beträgt etwa 2.000 Zählungen / μL. </li></ol></li><li> Herstellung von vollständig beschichteten metallischen Partikeln 14 <ol><li> Mischen Sie die PDMS-Polymerbasis und das Härtungsmittel in einem Gewichtsverhältnis von 10: 1. </li><li> Tape um den Glasschieber um die Seitenwände des Behälters zu bilden. Gießen Sie die Mischung von PDMS auf einen geklebten Objektträger, um eine PDMS-Schicht von 2-3 mm zu erreichen, wie in Abbildung 4 A gezeigt . </li><li> Setzen Sie den Taped Slide (Container) mit dem PDMS-Gemisch in eine luftdichte Kammer und führen Sie die Vakuumpumpe für 30 min, um die Blasen in der PDMS-Mischung zu entfernen. </li><li> Setzen Sie den Taped Slide (Container) mit der PDMS Mischung (Schritt 2.2.3) in den Ofen. Die PDMS-Mischung bei 70 ° C für 2 h aushärten, um einen PDMS-Stempel zu bilden. </li><li> Nachdem der PDMS-Stempel gehärtet ist, entfernen Sie die Folie und das Band, um den PDMS-Stempel, die Oberfläche zu erhaltenVon denen ursprünglich an den Glasschieber gebunden ist, wodurch eine flache Oberfläche gebildet wird, wie in Fig . 4B gezeigt. </li><li> Folgen Sie den Schritten von 2.1.1-2.1.8, um eine Monoschicht von Janus-Partikeln auf einer Folie vorzubereiten. </li><li> Benutze die flache Oberfläche des PDMS-Stempels, um die Monoschicht mit gleichmäßigem Druck zu stempeln. </li><li> Setzen Sie den PDMS-Stempel mit der Monoschicht von Janus-Partikeln, die von dem in Schritt 2.1.8 hergestellten Glasschieber umgekehrt wird, in die mit Au beschichtete Sputtervorrichtung. <ol><li> Luft aus der Sputterkammer bei 100 mTorr entfernen und Argon für 10 min einspritzen (die Luft mit Argon ersetzen). Stoppen Sie die Injektion von Argon und entfernen Sie dann das Argon aus der Kammer bei 70 mTorr. </li><li> Setzen Sie den Strom auf 15 mA für 200 s ( Abbildung 4 C ); Die vollständig beschichteten metallischen Partikel werden bereits bei diesem Schritt hergestellt. </li></ol></li><li> Folgen Sie den Schritten vom 2.1.9-2.1.11, um die Probe für Experimente vorzubereiten. </li> &lt;/ Ol&gt; </li></ol> 3. Experimente zur AC-Elektrokinetischen Messung <ol><li> Wickeln Sie 5 Stück Paraffinfolie ein, um einen Spacer vorzubereiten. Kombinieren Sie das ITO-Elektroden-Array mit dem Film-Spacer von 500 μm Dicke mit einer Heißluftpistole und legen Sie die Elektrode auf die Mikroskopstufe. <ol><li> Drop 8 μl Partikelsuspension, die in den Schritten 2.1 und 2.2 hergestellt wurde, auf die Mitte der Querelektrodenanordnung. Legen Sie ein Deckglas auf den Abstandshalter. </li></ol></li><li> Für die EROT-Experimente setzen Sie auf dem Funktionsgenerator die Phasenverschiebung zwischen den 2 Kanälen auf 90 °. Für die Experimente (basierend auf der Verbindung in den Schritten 1.2.2-1.2.3) eine Sinuswelle mit einer Amplitude von 0,5-4 Vpp und einer Frequenz von 100 Hz bis 5 MHz anwenden. <ol><li> Wählen Sie die Wellenform, indem Sie auf die Schaltfläche &quot;Wellenform&quot; auf dem Funktionsgenerator klicken. Geben Sie den Spannungs- und Frequenzwert mit den nummerierten Tasten der Funktion einNerator und schalten Sie dann das AC-Signal ein, indem Sie auf die Schaltfläche &quot;Ausgang&quot; klicken. </li></ol></li><li> Für die DEP-Experimente die Phasenverschiebung zwischen den 2 Kanälen auf 0 ° einstellen. Für die Experimente (basierend auf den Anschlüssen in Schritt 1.2.5) eine Sinuswelle bei 0,5-4 Vpp Spannungsamplitude und eine Frequenz von 100 Hz bis 5 MHz einsetzen, indem der Funktionsgenerator wie in Schritt 3.2.1 aufgebaut wird. </li><li> Schalten Sie das Wechselstromsignal ein, indem Sie auf die Schaltfläche &quot;Ausgang&quot; klicken und die Bilder der Partikelbewegung und Rotation unter einem invertierten optischen Mikroskop mit einem 40X, NA 0.6 Objektiv mit einer Kamera aufnehmen. </li><li> Geben Sie die Bilder der Partikelbewegung und der Rotation an die Software ein und analysieren Sie die Trajektorie der Partikel durch Partikelverfolgung, um die Partikel- und Winkelgeschwindigkeiten zu erhalten. Hinweis: Die &quot;Image J&quot; -Software und ihr &quot;MultiTracker&quot; Plugin wurden hier für die Bildbinärisierung und Partikelverfolgung verwendet. </li></ol>

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R., Yoshinaga, N., Sano, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Active+motion+of+a+Janus+particle+by+self-thermophoresis+in+a+defocused+laser+beam.">Active motion of a Janus particle by self-thermophoresis in a defocused laser beam.</a> Phys Rev Lett. 105 (26), 268302 (2010).</li><li>Pawar, A. B., Kretzschmar, I. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Multifunctional+patchy+particles+by+glancing+angle+deposition.">Multifunctional patchy particles by glancing angle deposition.</a> Langmuir. 25 (16), 9057-9063 (2009).</li><li>Garc&#237;a-S&#225;nchez, P., Ren, Y., Arcenegui, J. 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Die Autoren haben nichts zu offenbaren.

Das Herstellen von ITO-Elektrodenanordnungen unter Verwendung der Faserlaser-Markierungsmaschine stellt eine schnelle Methode zur Herstellung von Elektroden mit beliebigen Mustern bereit. Allerdings gibt es noch einige Nachteile für dieses Verfahren, wie z. B. weniger Ladungsträger und die geringere Herstellungsgenauigkeit von ITO-Elektroden im Vergleich zu Metallelektroden, die durch herkömmliche Verfahren hergestellt wurden. Diese Nachteile könnten einige Experimente einschränken. Zum Beispiel könnten weniger La...

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&gt;, 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<html> (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 = &quot;xref&quot;&gt; 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.

<table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0" width="768">
	<colgroup>
		<col />
		<col />
		<col />
		<col />
	</colgroup>
	<tbody>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:287px;">Silica Microsphere-2.34 &#181;m</td>
			<td style="width:187px;">Bangs Laboratories</td>
			<td style="width:129px;">SS04N</td>
			<td style="width:167px;"></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:287px;">Ethyl Alcohol (99.5%)</td>
			<td style="width:187px;">KATAYAMA CHEMICAL</td>
			<td style="width:129px;">E-0105</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:287px;">SYLGARD 184 A&#38;B Silicone Elastomer(PDMS)</td>
			<td>DOW CORNING</td>
			<td style="width:129px;"></td>
			<td>PDMS&#160;</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:287px;">&#160;ITO glass</td>
			<td style="width:187px;">Luminescence Technology</td>
			<td style="width:129px;">LT-G001</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:287px;">Fiber laser marking machine</td>
			<td style="width:187px;">Taiwan 3Axle Technology</td>
			<td style="width:129px;">TAFB-R-20W</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:287px;">&#160;2-channel function generator</td>
			<td style="width:187px;">Gwinsek</td>
			<td style="width:129px;">AFG-2225</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:287px;">CMOS camera</td>
			<td style="width:187px;">Point Grey</td>
			<td style="width:129px;">GS3-U3-32S4M-C</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:287px;">Sputter</td>
			<td style="width:187px;">JEOL</td>
			<td style="width:129px;">JFC-1100E</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:287px;">Operational Amplifiers</td>
			<td style="width:187px;">Texas Instruments</td>
			<td style="width:129px;">LM6361N</td>
			<td>OP invertor&#160;</td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:287px;">Ultrasonic Cleaner</td>
			<td style="width:187px;">Gui Lin Yiyuan Ultrasonic Machinery Co.</td>
			<td style="width:129px;">DG-1</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:287px;">Microcentrifuge</td>
			<td style="width:187px;">Scientific Specialties, Inc.</td>
			<td style="width:129px;"></td>
			<td>1.5ml</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:287px;">Mini Centrifuge</td>
			<td style="width:187px;">LMS</td>
			<td style="width:129px;">MC-MCF-2360</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:287px;">Microscope cover glass</td>
			<td style="width:187px;">Marienfeld-Superior</td>
			<td style="width:129px;"></td>
			<td>18*18mm</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:287px;">Inverted optical microscope</td>
			<td style="width:187px;">Olympus</td>
			<td style="width:129px;">OX-71&#160;</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:287px;">Parafilm</td>
			<td style="width:187px;">bemis</td>
			<td style="width:129px;"></td>
			<td>spacer</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

preparation of janus particles and alternating current electrokinetic measurements with a rapidly fabricated indium tin oxide electrode array

Dieser Artikel stellt ein einfaches Verfahren bereit, um teilweise oder vollständig beschichtete metallische Teilchen herzustellen und die schnelle Herstellung von Elektrodenanordnungen durchzuführen, die elektrische Experimente in mikrofluidischen Vorrichtungen erleichtern können. Janus-Partikel sind asymmetrische Partikel, die zwei unterschiedliche Oberflächeneigenschaften auf beiden Seiten enthalten. Zur Herstellung von Janus-Partikeln wird eine Monoschicht aus Siliciumdioxid-Partikeln durch ein Trocknungsverfahren hergestellt. Gold (Au) wird auf einer Seite jedes Teilchens unter Verwendung einer Zerstäubungsvorrichtung abgeschieden. Die vollständig beschichteten metallischen Partikel werden nach dem zweiten Beschichtungsprozess vervollständigt. Zur Analyse der elektrischen Oberflächeneigenschaften von Janus-Partikeln werden Wechselstrom- (AC) elektrokinetische Messungen wie Dielektrophorese (DEP) und Elektrorotation (EROT) durchgeführt, die spezifisch konstruierte Elektrodenarrays in der experimentellen Vorrichtung erfordern. Jedoch erfordern herkömmliche Verfahren zur Herstellung von Elektrodenanordnungen, wie die photolithographische Technik, eine ReiheKomplizierte Verfahren. Hier stellen wir eine flexible Methode zur Herstellung eines entworfenen Elektrodenarrays vor. Ein Indium-Zinnoxid (ITO) -Glas wird durch eine Faserlaser-Markierungsmaschine (1,064 nm, 20 W, 90 bis 120 ns Pulsbreite und 20 bis 80 kHz Pulswiederholfrequenz) gemustert, um ein Vierphasen-Elektroden-Array zu erzeugen. Um das Vierphasen-Feld zu erzeugen, sind die Elektroden mit einem 2-Kanal-Funktionsgenerator und mit zwei Invertern verbunden. Die Phasenverschiebung zwischen den benachbarten Elektroden wird entweder auf 90 ° (für EROT) oder 180 ° (für DEP) eingestellt. Repräsentative Ergebnisse von AC-Elektrokinetischen Messungen mit einem Vier-Phasen-ITO-Elektroden-Array werden vorgestellt.

Die Vierphasen-Elektrodenanordnung wird durch eine Faserlaser-Markierungsmaschine erzeugt. Die auf dem Glas beschichtete ITO-leitfähige Schicht wird durch einen Fokuslaser entfernt, um ein Kreuzmuster mit einem Spalt von 160 um zu bilden, wie in Fig . 1B gezeigt. <img alt="Abbildung 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/55950/55950fig1.jpg" /> <strong class=...

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Preparation of Janus Particles and Alternating Current Electrokinetic Measurements with a Rapidly Fabricated Indium Tin Oxide Electrode Array

In diesem Artikel wird ein einfaches Verfahren zur Herstellung von teilweise oder vollständig beschichteten metallischen Teilchen und zur Durchführung von elektrokinetischen Eigenschaftsmessungen mit einer schnell hergestellten Indiumzinnoxid (ITO) Elektrodenanordnung gezeigt.

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

This article provides a simple method to prepare partially or fully coated metallic particles and to perform the rapid fabrication of electrode arrays, ...

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Serie: Preparation of Janus Particles and Alternating Current Electrokinetic Measurements with a Rapidly Fabricated Indium Tin Oxide Electrode Array

Probing and Mapping Electrode Surfaces in Solid Oxide Fuel Cells

Solid oxide fuel cells (SOFCs) are potentially the most efficient and cost-effective solution to utilization of a wide variety of fuels beyond hydrogen 1-7. The performance of SOFCs and the rates of many chemical and energy transformation processes in energy storage and conversion devices in general are limited primarily by charge and mass transfer along electrode surfaces and across interfaces. Unfortunately, the mechanistic understanding of these processes is still lacking, due largely to the difficulty of characterizing these processes under in situ conditions. This knowledge gap is a chief obstacle to SOFC commercialization. The development of tools for probing and mapping surface chemistries relevant to electrode reactions is vital to unraveling the mechanisms of surface processes and to achieving rational design of new electrode materials for more efficient energy storage and conversion2. Among the relatively few in situ surface analysis methods, Raman spectroscopy can be performed even with high temperatures and harsh atmospheres, making it ideal for characterizing chemical processes relevant to SOFC anode performance and degradation8-12. It can also be used alongside electrochemical measurements, potentially allowing direct correlation of electrochemistry to surface chemistry in an operating cell. Proper in situ Raman mapping measurements would be useful for pin-pointing important anode reaction mechanisms because of its sensitivity to the relevant species, including anode performance degradation through carbon deposition8, 10, 13, 14 ("coking") and sulfur poisoning11, 15 and the manner in which surface modifications stave off this degradation16. The current work demonstrates significant progress towards this capability. In addition, the family of scanning probe microscopy (SPM) techniques provides a special approach to interrogate the electrode surface with nanoscale resolution. Besides the surface topography that is routinely collected by AFM and STM, other properties such as local electronic states, ion diffusion coefficient and surface potential can also be investigated17-22. In this work, electrochemical measurements, Raman spectroscopy, and SPM were used in conjunction with a novel test electrode platform that consists of a Ni mesh electrode embedded in an yttria-stabilized zirconia (YSZ) electrolyte. Cell performance testing and impedance spectroscopy under fuel containing H2S was characterized, and Raman mapping was used to further elucidate the nature of sulfur poisoning. In situ Raman monitoring was used to investigate coking behavior. Finally, atomic force microscopy (AFM) and electrostatic force microscopy (EFM) were used to further visualize carbon deposition on the nanoscale. From this research, we desire to produce a more complete picture of the SOFC anode.

We present a unique platform for characterizing electrode surfaces in solid oxide fuel cells (SOFCs) that allows simultaneous performance of multiple characterization techniques (e.g. in situ Raman spectroscopy and scanning probe microscopy alongside electrochemical measurements). Complementary information from these analyses may help to advance toward a more profound understanding of electrode reaction and degradation mechanisms, providing insights into rational design of better materials for SOFCs.

Sondieren und Mapping-Elektrode Oberflächen in Solid Oxide Fuel Cells

Solid oxide fuel cells (SOFCs) are potentially the most efficient and cost-effective solution to utilization of a wide variety of fuels beyond hydrogen ...

Forschung

Ingenieurwesen

Characterization of Electrode Materials for Lithium Ion and Sodium Ion Batteries Using Synchrotron Radiation Techniques

Intercalation compounds such as transition metal oxides or phosphates are the most commonly used electrode materials in Li-ion and Na-ion batteries. During insertion or removal of alkali metal ions, the redox states of transition metals in the compounds change and structural transformations such as phase transitions and/or lattice parameter increases or decreases occur. These behaviors in turn determine important characteristics of the batteries such as the potential profiles, rate capabilities, and cycle lives. The extremely bright and tunable x-rays produced by synchrotron radiation allow rapid acquisition of high-resolution data that provide information about these processes. Transformations in the bulk materials, such as phase transitions, can be directly observed using X-ray diffraction (XRD), while X-ray absorption spectroscopy (XAS) gives information about the local electronic and geometric structures (e.g.&#160;changes in redox states and bond lengths). In situ experiments carried out on operating cells are particularly useful because they allow direct correlation between the electrochemical and structural properties of the materials. These experiments are time-consuming and can be challenging to design due to the reactivity and air-sensitivity of the alkali metal anodes used in the half-cell configurations, and/or the possibility of signal interference from other cell components and hardware. For these reasons, it is appropriate to carry out ex situ experiments (e.g.&#160;on electrodes harvested from partially charged or cycled cells) in some cases. Here, we present detailed protocols for the preparation of both ex situ and in situ samples for experiments involving synchrotron radiation and demonstrate how these experiments are done.

We describe the use of synchrotron X-ray absorption spectroscopy (XAS) and X-ray diffraction (XRD) techniques to probe details of intercalation/deintercalation processes in electrode materials for Li-ion and Na-ion batteries. Both in situ and ex situ experiments are used to understand structural behavior relevant to the operation of devices

Charakterisierung von Elektrodenmaterialien für Lithium-Ionen und Natrium-Ionen-Batterien mit Synchrotronstrahlung Techniken

Intercalation compounds such as transition metal oxides or phosphates are the most commonly used electrode materials in Li-ion and Na-ion batteries. ...

Development of a 3D Graphene Electrode Dielectrophoretic Device

The design and fabrication of a novel 3D electrode microdevice using 50 &#181;m thick graphene paper and 100 &#181;m double sided tape is described. The protocol details the procedures to construct a versatile, reusable, multiple layer, laminated dielectrophoresis chamber. Specifically, six layers of 50 &#181;m x&#160;0.7 cm x&#160;2 cm graphene paper and five layers of double sided tape were alternately stacked together, then clamped to a glass slide. Then a 700 &#956;m diameter micro-well was drilled through the laminated structure using a computer-controlled micro drilling machine. Insulating properties of the tape layer between adjacent graphene layers were assured by resistance tests. Silver conductive epoxy connected alternate layers of graphene paper and formed stable connections between the graphene paper and external copper wire electrodes. The finished device was then clamped and sealed to a glass slide. The electric field gradient was modeled within the multi-layer device. Dielectrophoretic behaviors of 6 &#956;m polystyrene beads were demonstrated in the 1 mm deep micro-well, with medium conductivities ranging from 0.0001 S/m to 1.3 S/m, and applied signal frequencies from 100 Hz to 10 MHz. Negative dielectrophoretic responses were observed in three dimensions over most of the conductivity-frequency space and cross-over frequency values are consistent with previously reported literature values. The device did not prevent AC electroosmosis and electrothermal flows, which occurred in the low and high frequency regions, respectively. The graphene paper utilized in this device is versatile and could subsequently function as a biosensor after dielectrophoretic characterizations are complete.

A microdevice with high throughput potential is used to demonstrate three-dimensional (3D) dielectrophoresis (DEP) with novel materials. Graphene nanoplatelet paper and double sided tape were alternately stacked; a 700 &#956;m micro-well was drilled transverse to the layers. DEP behavior of polystyrene beads was demonstrated in the micro-well.

Entwicklung eines 3D-Graphen-Elektroden-Dielektrophoretische Geräte

The design and fabrication of a novel 3D electrode microdevice using 50 &#181;m thick graphene paper and 100 &#181;m double sided tape is described. The ...

Writing and Low-Temperature Characterization of Oxide Nanostructures

Oxide nanoelectronics is a rapidly growing field which seeks to develop novel materials with multifunctional behavior at nanoscale dimensions. Oxide interfaces exhibit a wide range of properties that can be controlled include conduction, piezoelectric behavior, ferromagnetism, superconductivity and nonlinear optical properties. Recently, methods for controlling these properties at extreme nanoscale dimensions have been discovered and developed. Here are described explicit step-by-step procedures for creating LaAlO3/SrTiO3 nanostructures using a reversible conductive atomic force microscopy technique. The processing steps for creating electrical contacts to the LaAlO3/SrTiO3 interface are first described. Conductive nanostructures are created by applying voltages to a conductive atomic force microscope tip and locally switching the LaAlO3/SrTiO3 interface to a conductive state. A versatile nanolithography toolkit has been developed expressly for the purpose of controlling the atomic force microscope (AFM) tip path and voltage. Then, these nanostructures are placed in a cryostat and transport measurements are performed. The procedures described here should be useful to others wishing to conduct research in oxide nanoelectronics.

Oxide nanostructures provide new opportunities for science and technology. The interfacial conductivity between LaAlO3 and SrTiO3 can be controlled with near-atomic precision using a conductive atomic force microscopy technique. The protocol for creating and measuring conductive nanostructures at LaAlO3/SrTiO3 interfaces is demonstrated.

Schreiben und Niedertemperatur-Charakterisierung von Nanostrukturen

Oxide nanoelectronics is a rapidly growing field which seeks to develop novel materials with multifunctional behavior at nanoscale dimensions.  Oxide ...

Preparation and Friction Force Microscopy Measurements of Immiscible, Opposing Polymer Brushes

Solvated polymer brushes are well known to lubricate high-pressure contacts, because they can sustain a positive normal load while maintaining low friction at the interface. Nevertheless, these systems can be sensitive to wear due to interdigitation of the opposing brushes. In a recent publication, we have shown via molecular dynamics simulations and atomic force microscopy experiments, that using an immiscible polymer brush system terminating the substrate and the slider surfaces, respectively, can eliminate such interdigitation. As a consequence, wear in the contacts is reduced. Moreover, the friction force is two orders of magnitude lower compared to traditional miscible polymer brush systems. This newly proposed system therefore holds great potential for application in industry. Here, the methodology to construct an immiscible polymer brush system of two different brushes each solvated by their own preferred solvent is presented. The procedure how to graft poly(N-isopropylacrylamide) (PNIPAM) from a flat surface and poly(methyl methacrylate) (PMMA) from an atomic force microscopy (AFM) colloidal probe is described. PNIPAM is solvated in water and PMMA in acetophenone. Via friction force AFM measurements, it is shown that the friction for this system is indeed reduced by two orders of magnitude compared to the miscible system of PMMA on PMMA solvated in acetophenone.

The methodology to perform friction force microscopy experiments for contacting brushes is presented: Two polymer brushes that are grafted from (a) substrates and (b) colloidal probes are slid to show that, by using two contacting immiscible brush systems, friction in sliding contacts is reduced compared to miscible brush systems.

Vorbereitung und Reibungskraftmikroskopie Messungen mischbar, Entgegenpolymerbürsten

Solvated polymer brushes are well known to lubricate high-pressure contacts, because they can sustain a positive normal load while maintaining low ...

Ultrasound Velocity Measurement in a Liquid Metal Electrode

A growing number of electrochemical technologies depend on fluid flow, and often that fluid is opaque. Measuring the flow of an opaque fluid is inherently more difficult than measuring the flow of a transparent fluid, since optical methods are not applicable. Ultrasound can be used to measure the velocity of an opaque fluid, not only at isolated points, but at hundreds or thousands of points arrayed along lines, with good temporal resolution. When applied to a liquid metal electrode, ultrasound velocimetry involves additional challenges: high temperature, chemical activity, and electrical conductivity. Here we describe the experimental apparatus and methods that overcome these challenges and allow the measurement of flow in a liquid metal electrode, as it conducts current, at operating temperature. Temperature is regulated within &#177;2 &#176;C using a Proportional-Integral-Derivative (PID) controller that powers a custom-built furnace. Chemical activity is managed by choosing vessel materials carefully and enclosing the experimental setup in an argon-filled glovebox. Finally, unintended electrical paths are carefully prevented. An automated system logs control settings and experimental measurements, using hardware trigger signals to synchronize devices. This apparatus and these methods can produce measurements that are impossible with other techniques, and allow optimization and control of electrochemical technologies like liquid metal batteries.

Ultrasound velocimetry is used to study mixing by fluid flow in liquid metal electrodes. The focus of this manuscript is to illustrate the methods used for making precise, spatially-resolved ultrasound measurements while limiting oxidation and controlling and monitoring temperature, applied current, and the heater power being supplied.

Ultraschall-Geschwindigkeitsmessung in einem Liquid Metal Electrode

A growing number of electrochemical technologies depend on fluid flow, and often that fluid is opaque. Measuring the flow of an opaque fluid is inherently ...

Surface Enhanced Raman Spectroscopy Detection of Biomolecules Using EBL Fabricated Nanostructured Substrates

Fabrication and characterization of conjugate nano-biological systems interfacing metallic nanostructures on solid supports with immobilized biomolecules is reported. The entire sequence of relevant experimental steps is described, involving the fabrication of nanostructured substrates using electron beam lithography, immobilization of biomolecules on the substrates, and their characterization utilizing surface-enhanced Raman spectroscopy (SERS). Three different designs of nano-biological systems are employed, including protein A, glucose binding protein, and a dopamine binding DNA aptamer. In the latter two cases, the binding of respective ligands, D-glucose and dopamine, is also included. The three kinds of biomolecules are immobilized on nanostructured substrates by different methods, and the results of SERS imaging are reported. The capabilities of SERS to detect vibrational modes from surface-immobilized proteins, as well as to capture the protein-ligand and aptamer-ligand binding are demonstrated. The results also illustrate the influence of the surface nanostructure geometry, biomolecules immobilization strategy, Raman activity of the molecules and presence or absence of the ligand binding on the SERS spectra acquired.

We describe the fabrication and characterization of nano-biological systems interfacing nanostructured substrates with immobilized proteins and aptamers. The relevant experimental steps involving lithographic fabrication of nanostructured substrates, bio-functionalization, and surface-enhanced Raman spectroscopy (SERS) characterization, are reported. SERS detection of surface-immobilized proteins, and probing of protein-ligand and aptamer-ligand binding is demonstrated.

Oberflächenverstärkte Raman-Spektroskopie Detektion von Biomolekülen Mit EBL Fabricated nanostrukturierte Substrate

Fabrication and characterization of conjugate nano-biological systems interfacing metallic nanostructures on solid supports with immobilized biomolecules ...

Iridium Oxide-reduced Graphene Oxide Nanohybrid Thin Film Modified Screen-printed Electrodes as Disposable Electrochemical Paper Microfluidic pH Sensors

A facile, controllable, inexpensive and green electrochemical synthesis of IrO2-graphene nanohybrid thin films is developed to fabricate an easy-to-use integrated paper microfluidic electrochemical pH sensor for resource-limited settings. Taking advantages from both pH meters and strips, the pH sensing platform is composed of hydrophobic barrier-patterned paper micropad (&#181;PAD) using polydimethylsiloxane (PDMS), screen-printed electrode (SPE) modified with IrO2-graphene films and molded acrylonitrile butadiene styrene (ABS) plastic holder. Repetitive cathodic potential cycling was employed for graphene oxide (GO) reduction which can completely remove electrochemically unstable oxygenated groups and generate a 2D defect-free homogeneous graphene thin film with excellent stability and electronic properties. A uniform and smooth IrO2 film in nanoscale grain size is anodically electrodeposited onto the graphene film, without any observable cracks. The resulting IrO2-RGO electrode showed slightly super-Nernstian responses from pH 2-12 in Britton-Robinson (B-R) buffers with good linearity, small hysteresis, low response time and reproducibility in different buffers, as well as low sensitivities to different interfering ionic species and dissolved oxygen. A simple portable digital pH meter is fabricated, whose signal is measured with a multimeter, using high input-impedance operational amplifier and consumer batteries. The pH values measured with the portable electrochemical paper-microfluidic pH sensors were consistent with those measured using a commercial laboratory pH meter with a glass electrode.

The study demonstrates the growth of iridium oxide-reduced graphene oxide (IrO2-RGO) nanohybrid thin films on irregular and rough screen-printed carbon substrate through a green electrochemical synthesis, and their implementation as a pH sensor with a patterned paper-fluidic platform.

Iridium-Oxid-reduziertem Graphenoxid Nanohybrid- Thin Film Modified Siebdruck Elektroden als Einweg-Elektro Papier Mikrofluidik pH-Sensoren

A facile, controllable, inexpensive and green electrochemical synthesis of IrO2-graphene nanohybrid thin films is developed to fabricate an easy-to-use ...

Non-aqueous Electrode Processing and Construction of Lithium-ion Coin Cells

Research into new and improved materials to be utilized in lithium-ion batteries (LIB) necessitates an experimental counterpart to any computational analysis. Testing of lithium-ion batteries in an academic setting has taken on several forms, but at the most basic level lies the coin cell construction. In traditional LIB electrode preparation, a multi-phase slurry composed of active material, binder, and conductive additive is cast out onto a substrate. An electrode disc can then be punched from the dried sheet and used in the construction of a coin cell for electrochemical evaluation. Utilization of the potential of the active material in a battery is critically dependent on the microstructure of the electrode, as an appropriate distribution of the primary components are crucial to ensuring optimal electrical conductivity, porosity, and tortuosity, such that electrochemical and transport interaction is optimized. Processing steps ranging from the combination of dry powder, wet mixing, and drying can all critically affect multi-phase interactions that influence the microstructure formation. Electrochemical probing necessitates the construction of electrodes and coin cells with the utmost care and precision. This paper aims at providing a step-by-step guide of non-aqueous electrode processing and coin cell construction for lithium-ion batteries within an academic setting and with emphasis on deciphering the influence of drying and calendaring.

Non-aqueous electrode processing is central to the construction of coin cells and the evaluation of new electrode chemistries for lithium-ion batteries. A step-by-step guide to the basic practices needed as an electrochemical engineer working with batteries in an academic experimental setting is furnished.

Nicht-wässrige Elektroden-Verarbeitung und Bau von Lithium-Ionen-Knopfzellen

Research into new and improved materials to be utilized in lithium-ion batteries (LIB) necessitates an experimental counterpart to any computational ...

Methods for Measuring the Orientation and Rotation Rate of 3D-printed Particles in Turbulence

Experimental methods are presented for measuring the rotational and translational motion of anisotropic particles in turbulent fluid flows. 3D printing technology is used to fabricate particles with slender arms connected at a common center. Shapes explored are crosses (two perpendicular rods), jacks (three perpendicular rods), triads (three rods in triangular planar symmetry), and tetrads (four arms in tetrahedral symmetry). Methods for producing on the order of 10,000 fluorescently dyed particles are described. Time-resolved measurements of their orientation and solid-body rotation rate are obtained from four synchronized videos of their motion in a turbulent flow between oscillating grids with R&#955; = 91. In this relatively low-Reynolds number flow, the advected particles are small enough that they approximate ellipsoidal tracer particles. We present results of time-resolved 3D trajectories of position and orientation of the particles as well as measurements of their rotation rates.

We use 3D printing to fabricate anisotropic particles in the shapes of jacks, crosses, tetrads, and triads, whose alignments and rotations in turbulent fluid flow can be measured from multiple simultaneous video images.

Verfahren zur Messung der Neigung und Drehrate von 3D-gedruckten Particles in Turbulence

Experimental methods are presented for measuring the rotational and translational motion of anisotropic particles in turbulent fluid flows. 3D printing ...