Name: preparation of janus particles and alternating current electrokinetic measurements with a rapidly fabricated indium tin oxide electrode array
Uploaded: 2017-06-23T14:00:00.000+00:00
Duration: 9 min 55 s
Description: Watch this Scientific Journal Video about Preparation of Janus Particles and Alternating Current Electrokinetic Measurements with a Rapidly Fabricated Indium Tin Oxide Electrode Array at JoVE.com

Questo lavoro è stato sostenuto dal Ministero della Scienza e della Tecnologia, Taiwan, ROC, sotto la Grant NSC 103-2112-M-002-008-MY3.

1. Fabbricazione del Microchip <ol><li> Preparazione dell&#39;elettrodo ITO <ol><li> Utilizzare un software illustrativo commerciale per disegnare un disegno a croce. Impostare la distanza tra gli elettrodi diagonali fino a 160 μm e fare i bracci della traversa a 30 mm di larghezza e 55 mm, come mostrato in figura 1 . Salvare il file di illustrazione come file DXF. </li><li> Utilizzare una taglierina di vetro per tagliare il vetro ITO ad una dimensione di 25 mm x 50 mm (larghezza x lunghezza). Utilizzare 75% di etanolo e acqua di DI per risciacquare il vetro ITO più volte. </li><li> Mettere il vetro ITO sulla macchina di marcatura laser a fibre a impulsi. Mettere a fuoco il laser sulla superficie del vetro ITO regolando la distanza tra il vetro ITO e il laser a 279,5 mm. NOTA: Il laser utilizzato qui presenta le seguenti specifiche: 1,064 nm, 20 W, da 90 a 120 ns di larghezza di impulso e frequenza di ripetizione da 20 a 80 kHz, con un&#39;intensità luminosa a circa 5 x 10 5 W / cm 2). </li><li> Immettete direttamente il file di illustrazione (file DXF) sul computer della macchina di marcatura laser. Fare clic sul pulsante &quot;Mark Parameter&quot; e immettere i seguenti parametri: velocità, &quot;800 mm / s;&quot; Potenza, &quot;60%;&quot; E frequenza, &quot;40 kHz&quot;. Seleziona i termini &quot;Frame&quot;, &quot;Fill&quot; e &quot;Fill First&quot;. <ol><li> Fare clic sul pulsante &quot;Anteprima&quot; posizionare il modello nel centro vetro ITO. Fare clic sul pulsante &quot;Seleziona campione&quot; per disegnare il vetro ITO ( Figura 1 A ). </li></ol></li></ol></li><li> Impostazione di un generatore a quattro fasi e collegamento del microchip sperimentale <ol><li> Costruire i circuiti degli inverter, come mostrato nella Figura 2 A. </li><li> Collegare i 4 fili sull&#39;elettrodo a quattro fasi per contatto diretto con il nastro, come mostrato in Figura 2 C. Divide il &quot;Canale&quot;El 1 &quot;del generatore di funzione in due rami usando un doppio connettore BNC. <ol><li> Collegare un ramo al filo (# 1) collegato all&#39;elettrodo ITO e l&#39;altro all&#39;input dell&#39;inverter. Collegare l&#39;uscita dell&#39;inverter al filo (# 3), come mostrato in Figura 2 B. </li></ol></li><li> Collegare &quot;Canale 2&quot; con la stessa procedura descritta in Figura 2 B , ma connettere ai cavi (# 2 e # 4). </li><li> Per gli esperimenti di EROT, impostare il passaggio di fase tra i due canali a 90 °, direttamente sul generatore di funzioni. Applicare un&#39;onda di seno all&#39;ampiezza di tensione 0,5-4 V pp e una frequenza che va da 100 Hz a 5 MHz durante gli esperimenti, come mostrato in Figura 2 D. </li><li> Per gli esperimenti DEP, collegare un ramo del canale 1 al filo (# 1) collegato all&#39;elettrodo ITO e l&#39;altro alIngresso dell&#39;inverter. Collegare l&#39;uscita dell&#39;inverter al filo (# 2). Collegare il canale 2 utilizzando la stessa procedura, ma collegare i cavi (# 3 e # 4). </li><li> Impostare il passaggio di fase tra i 2 canali a 0 °, direttamente sul generatore di funzioni. Applicare un&#39;onda di seno all&#39;ampiezza di tensione 0,5-4 V pp e una frequenza che va da 100 Hz a 5 MHz durante gli esperimenti, come mostrato in Figura 2 D. </li></ol></li></ol> 2. Preparazione dei campioni <ol><li> Preparazione delle particelle di Janus <ol><li> Centrifugare la sospensione acquosa di particelle di silice da 2 μm (10% w / w) a 2.200 xg per 1 min. </li><li> Pipettare 2 μL di particelle di silice sedimentaria in un tubo di microcentrifuga da 1,5 ml e aggiungere 500 μl di etanolo (99,5% v / v). NOTA: il supernatante non ha bisogno di essere scartato; Basta salvarlo in frigorifero a 4 ° C. Non è necessario essere risospesi prima della pipettinag. </li><li> Sonicare la sospensione di particelle di etanolo-silice utilizzando un ultrasonator (43 kHz, 50 W) per 1 min e poi centrifugare a 2.200 xg per 3 min. </li><li> Sostituire il surnatante con 500 μl di etanolo e ripetere la fase 2.1.3 tre volte. </li><li> Sostituire il supernatante con 8 μl di etanolo e sonicare la sospensione di particelle di etanolo-silice usando un ultrasonator (43 kHz, 50 W) per 3 min. NOTA: Circa 10 μL di sospensione di particelle di etanolo-silice dovrebbe rimanere nel tubo a questo punto. </li><li> Pipettare 2 μL di sospensione di particelle di etanolo-silice e farla cadere su una normale vetrata di vetro (larghezza: 25 mm, lunghezza: 75 mm e spessore: 1,2 mm) per formare una goccia. Nota: questa quantità di sospensione di particelle è sufficiente per preparare i monostrati per 5-6 diapositive (2 μL per ogni diapositiva). </li><li> Portare lentamente la gocciolina di particelle di etanolo-silice con un vetro di copertura per formare un monostrato di particelle di silice ( Figura 3 </stRong&gt; A ). </li><li> Mettere il vetrino con il monostrato di particelle di silice in un dispositivo di sputtering da rivestire con Au. <ol><li> Rimuovere l&#39;aria dalla camera di sputter a 100 mTorr e iniettare l&#39;argon per 10 minuti (sostituire l&#39;aria con argon). Interrompere l&#39;iniezione di argon e quindi rimuovere l&#39;argon dalla camera a 70 mTorr. </li><li> Impostare la corrente a 15 mA per 200 s. ( Figura 3 B ); Le particelle di Janus sono già preparate a questo punto. </li></ol></li><li> Far cadere 20 μL di acqua di DI sullo scivolamento sputtered e raschiare le particelle Janus dal monostrato utilizzando una normale pipetta 200 μL. NOTA: Le particelle di Janus raschiate dal monostrato sospendono nella gocce d&#39;acqua di DI a questo punto. </li><li> Pipettare la gocciolina di sospensione della particella di Janus e farla cadere in un altro tubo centrifuga da 1,5 ml. </li><li> Utilizzare la sospensione di particelle di Janus per preparare il campione dilutandolo con acqua di DI in un opportuno concentratoPer esperimenti. NOTA: La concentrazione della sospensione di particelle negli esperimenti qui descritti è di circa 2.000 conteggi / μL. </li></ol></li><li> Preparazione di particelle metalliche completamente rivestite 14 <ol><li> Mescolare la base polimerica PDMS e l&#39;agente di tamponamento ad un rapporto peso 10: 1. </li><li> Nastri intorno alla vetrata in vetro per formare le pareti laterali del contenitore. Versare la miscela di PDMS su una diapositiva incollata per ottenere uno strato PDMS di 2-3 mm, come mostrato nella Figura 4 A. </li><li> Mettere la diapositiva (contenitore) con la miscela PDMS in una camera ermetica e eseguire la pompa a vuoto per 30 minuti per rimuovere le bolle nella miscela PDMS. </li><li> Mettere nel forno la lastra (contenitore) con la miscela PDMS (punto 2.2.3). Cura la miscela PDMS a 70 ° C per 2 ore per formare un timbro PDMS. </li><li> Dopo che il timbro PDMS è curato, rimuovere la diapositiva e il nastro per ottenere il timbro PDMS, la superficieDi cui originariamente fissato allo scivolo in vetro, formando una superficie piana, come mostrato in Figura 4 B. </li><li> Seguire i passaggi da 2.1.1-2.1.8 per preparare un monostrato di particelle Janus su una diapositiva. </li><li> Utilizzare la superficie piana del timbro PDMS per timbrare il monostrato con pressione uniforme. </li><li> Inserire il timbro PDMS con il singolo strato di particelle di Janus, invertito dalla vetrata in fase 2.1.8, nel dispositivo di spruzzatura da rivestire con Au. <ol><li> Rimuovere l&#39;aria dalla camera di dispersione a 100 mTorr e iniettare l&#39;argon per 10 minuti (sostituire l&#39;aria con argon). Interrompere l&#39;iniezione di argon e quindi rimuovere l&#39;argon dalla camera a 70 mTorr. </li><li> Impostare la corrente a 15 mA per 200 s ( Figura 4 C ); Le particelle metalliche completamente rivestite sono già preparate a questo punto. </li></ol></li><li> Seguire i passaggi da 2.1.9-2.1.11 per preparare il campione per gli esperimenti. </li> &lt;/ Ol&gt; </li></ol> 3. Esperimenti per la misurazione elettrokinetica CA <ol><li> Avvolgere 5 pezzi di paraffina per preparare un distanziatore. Unire l&#39;array elettrodo ITO con il distanziatore di pellicola dello spessore di 500 μm utilizzando una pistola a caldo e posizionare l&#39;elettrodo sullo stadio del microscopio. <ol><li> Far cadere 8 μL di sospensione di particelle, che è stata preparata nei punti 2.1 e 2.2, al centro dell&#39;array di elettrodi a croce. Posizionare un vetro di copertura sul distanziale. </li></ol></li><li> Per gli esperimenti EROT, sul generatore di funzioni, impostare lo spostamento di fase tra i 2 canali a 90 °. Applicare un&#39;onda sinusoidale all&#39;ampiezza di tensione 0,5-4 V pp e una frequenza che va da 100 Hz a 5 MHz durante gli esperimenti (sulla base della connessione nei passaggi 1.2.2-1.2.3). <ol><li> Scegli la forma d&#39;onda facendo clic sul pulsante &quot;waveform&quot; sul generatore di funzioni. Immettere il valore della tensione e della frequenza utilizzando i tasti numerati sulla funzione geNerator e quindi accendere il segnale AC cliccando sul pulsante &quot;output&quot;. </li></ol></li><li> Per gli esperimenti DEP, impostare lo spostamento di fase tra i 2 canali a 0 °. Applicare un&#39;onda sinusoidale all&#39;ampiezza di tensione di 0,5-4 V pp e una frequenza da 100 Hz a 5 MHz durante gli esperimenti (in base alle connessioni nel punto 1.2.5) impostando il generatore di funzioni come nel punto 3.2.1. </li><li> Accendere il segnale AC facendo clic sul pulsante &quot;Output&quot; e catturare le immagini del movimento e della rotazione delle particelle in un microscopio ottico invertito con un obiettivo 40X e NA 0,6 utilizzando una telecamera. </li><li> Inserisci le immagini del movimento e della rotazione delle particelle nel software e analizza la traiettoria delle particelle mediante il monitoraggio delle particelle per ottenere le particelle e le velocità angolari. Nota: il software &quot;Image J&quot; e il suo plug-in &quot;MultiTracker&quot; sono stati usati qui per la binarizzazione delle immagini e il monitoraggio delle particelle. </li></ol>

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	<li>Walther, A., M&#252;ller, A. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Janus+particles.">Janus particles.</a> Soft Matter. 4 (4), 663-668 (2008).</li><li>Chen, Y. -. L., Jiang, H. -. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Electrorotation+of+a+metallic+coated+Janus+particle+under+AC+electric+fields.">Electrorotation of a metallic coated Janus particle under AC electric fields.</a> Appl Phys Lett. 109 (19), 191605 (2016).</li><li>Zhang, L., Zhu, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Directed+assembly+of+janus+particles+under+high+frequency+ac-electric+fields:+Effects+of+medium+conductivity+and+colloidal+surface+chemistry.">Directed assembly of janus particles under high frequency ac-electric fields: Effects of medium conductivity and colloidal surface chemistry.</a> Langmuir. 28 (37), 13201-13207 (2012).</li><li>Gangwal, S., Cayre, O. J., Velev, O. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Dielectrophoretic+assembly+of+metallodielectric+Janus+particles+in+AC+electric+fields.">Dielectrophoretic assembly of metallodielectric Janus particles in AC electric fields.</a> Langmuir. 24 (23), 13312-13320 (2008).</li><li>Zhang, L., Zhu, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Dielectrophoresis+of+Janus+particles+under+high+frequency+ac-electric+fields.">Dielectrophoresis of Janus particles under high frequency ac-electric fields.</a> Appl Phys Lett. 96 (14), 141902 (2010).</li><li>Chen, J., Zhang, H., Zheng, X., Cui, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Janus+particle+microshuttle:+1D+directional+self-propulsion+modulated+by+AC+electrical+field.">Janus particle microshuttle: 1D directional self-propulsion modulated by AC electrical field.</a> AIP Adv. 4 (3), 031325 (2014).</li><li>Gangwal, S., Cayre, O. J., Bazant, M. Z., Velev, O. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Induced-charge+electrophoresis+of+metallodielectric+particles.">Induced-charge electrophoresis of metallodielectric particles.</a> Phys Rev Lett. 100 (5), 058302 (2008).</li><li>Peng, C., Lazo, I., Shiyanovskii, S. V., Lavrentovich, O. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Induced-charge+electro-osmosis+around+metal+and+Janus+spheres+in+water:+Patterns+of+flow+and+breaking+symmetries.">Induced-charge electro-osmosis around metal and Janus spheres in water: Patterns of flow and breaking symmetries.</a> Phys Rev E. 90 (5), 051002 (2014).</li><li>Ramos, A., Garc&#237;a-S&#225;nchez, P., Morgan, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=AC+electrokinetics+of+conducting+microparticles:+A+review.">AC electrokinetics of conducting microparticles: A review.</a> Curr Opin Colloid Interface Sci. 24, 79-90 (2016).</li><li>Hong, L., Jiang, S., Granick, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Simple+method+to+produce+Janus+colloidal+particles+in+large+quantity.">Simple method to produce Janus colloidal particles in large quantity.</a> Langmuir. 22 (23), 9495-9499 (2006).</li><li>Bhaskar, S., Hitt, J., Chang, S. W. L., Lahann, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Multicompartmental+microcylinders.">Multicompartmental microcylinders.</a> Angewandte Chemie International Edition. 48 (25), 4589-4593 (2009).</li><li>Nie, Z., Li, W., Seo, M., Xu, S., Kumacheva, E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Janus+and+ternary+particles+generated+by+microfluidic+synthesis:+design,+synthesis,+and+self-assembly.">Janus and ternary particles generated by microfluidic synthesis: design, synthesis, and self-assembly.</a> J Am Chem Soc. 128 (29), 9408-9412 (2006).</li><li>Jiang, H. -. 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. J., Morgan, H., Ramos, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Alternating+current+electrokinetic+properties+of+gold-coated+microspheres.">Alternating current electrokinetic properties of gold-coated microspheres.</a> Langmuir. 28 (39), 13861-13870 (2012).</li><li>Ren, Y. K., Morganti, D., Jiang, H. Y., Ramos, A., Morgan, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Electrorotation+of+metallic+microspheres.">Electrorotation of metallic microspheres.</a> Langmuir. 27 (6), 2128-2131 (2011).</li><li>Jones, T. B., Jones, T. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Electromechanics of particles. , (2005).</li><li>Morganti, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> AC electrokinetic analysis of chemically modified microparticles. , (2012).</li><li>Morgan, H., Hughes, M. P., Green, N. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Separation+of+submicron+bioparticles+by+dielectrophoresis.">Separation of submicron bioparticles by dielectrophoresis.</a> Biophys J. 77 (1), 516-525 (1999).</li><li>Ren, Y., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Induced-charge+electroosmotic+trapping+of+particles.">Induced-charge electroosmotic trapping of particles.</a> Lab Chip. 15 (10), 2181-2191 (2015).</li></ol>

Gli autori non hanno niente da rivelare.

La fabbricazione di matrici di elettrodi ITO che utilizza la macchina di marcatura laser a fibre fornisce un metodo rapido per la preparazione di elettrodi con schemi arbitrari. Tuttavia, ci sono ancora alcuni svantaggi a questo metodo, come ad esempio meno caricatori di carica e la precisione di fabbricazione degli elettrodi ITO rispetto agli elettrodi metallici creati con metodi tradizionali. Questi svantaggi potrebbero limitare alcuni esperimenti. Ad esempio, meno carichi di carica potrebbe influenzare la distribuzione del campo elettrico quando vi è una grande distanza tra gli elettrodi. Inoltre, la regolazione dei parametri di patterning è un passo fondamentale in questo metodo, che influenza direttamente la qualità degli array di elettrodi ITO. Ad esempio, la potenza laser influenza la rimozione dello strato conduttivo ITO dal substrato di vetro. La frequenza e la velocità del laser determinano la liscezza dei bordi dell&#39;elettrodo ITO. Di solito, i parametri di patterning appropriati vengono trovati mediante prova ed errore. In breve, questo metodoOd è in grado di produrre rapidamente ed efficacemente elettrodi su vetro ITO in modelli arbitrari, che possono applicarsi a molti tipi di esperimenti elettrici, per la ricerca e altre applicazioni. Preparare le particelle di Janus e le particelle metalliche con il processo di essiccazione è un metodo semplice e conveniente. A differenza di altri metodi, come il metodo di emulsione Pickering 10 , il metodo di co-iniezione elettroidrodinamica 11 , il metodo di fotopolimerizzazione microfluidica 12 e il metodo di sintesi chimica 15 , questo metodo è in grado di preparare un gran numero di particelle in breve tempo . Tuttavia, la limitazione di questo metodo è che la deposizione metallica sulle superfici delle particelle potrebbe essere non uniforme, che potrebbe leggermente modificare la forma delle particelle. Anche se il metodo del processo di essiccazione ha questa limitazione, è ancora un metodo utile per preparare particelle di Janus eParticelle metalliche. In sintesi, questo articolo fornisce metodi funzionali per preparare rapidamente matrici di elettrodi in modelli arbitrari, nonché un gran numero di particelle metalliche completamente o parzialmente rivestite. Ciò può facilitare lo sviluppo e l&#39;applicazione di elettrokinetica, anche per la manipolazione e la caratterizzazione di particelle in dispositivi microfluidici.

Le particelle di Janus, chiamate dal dio romano con un doppio volto, sono particelle asimmetriche le cui due parti hanno proprietà superficiali fisicamente o chimicamente diverse 1 , 2 . A causa di questa caratteristica asimmetrica, le particelle di Janus presentano risposte particolari in campi elettrici, come DEP 3 , 4 , 5 , 6 , EROT 2 e elettroforesi a carica indotta (ICEP) 7 , 8 , 9 . Recentemente, sono stati riportati diversi metodi per la preparazione di particelle di Janus, tra cui il metodo di emulsione Pickering 10 , il metodo di co-gettatura elettroidrodinamica 11 e il metodo di fotopolimerizzazione microfluidica 12 . Tuttavia, questi metodi richiedono una serie di compApparecchi e procedure. Questo articolo introduce un metodo semplice per preparare particelle Janus e particelle metalliche completamente rivestite. Viene preparato in un processo di essiccazione un monostrato di particelle di silice microscaled e viene messo in un dispositivo di sputtering da rivestire con Au. Un emisfero della particella è ombreggiato e solo l&#39;altro emisfero è rivestito con Au 2 , 13 . Il monostrato della particella di Janus è stampato con un timbro di polidimetilsilossano (PDMS) e poi trattato con un secondo processo di rivestimento per la preparazione di particelle metalliche completamente rivestite 14 . Per caratterizzare le proprietà elettriche di una particella di Janus, sono state ampiamente utilizzate diverse risposte elettriciniche AC, quali DEP, EROT e elettro orientamento 9 , 15 , 16 , 17 , 18 <sUp, 19 . Ad esempio, EROT è la risposta rotazionale dello stato stazionario di una particella sotto un campo elettrico rotazione esterno 2 , 9 , 15 , 16 . Misurando l&#39;EROT, è possibile ottenere l&#39;interazione tra il dipolo indotto delle particelle e i campi elettrici. DEP, che nasce dall&#39;interazione tra i dipoli indotti e un campo elettrico non uniforme, è in grado di portare a movimenti di particelle 3 , 4 , 5 , 9 , 15 . Possono essere attratti diversi tipi di particelle (DEP positivi) o respingere (DEP negativo) i bordi dell&#39;elettrodo, che funge da metodo generale per manipolare e caratterizzare le particelle nel dispositivo microfluidico. La traslazione (DEP) e la rota<html> (EROT) della particella sotto il campo elettrico sono dominate dalla parte reale e immaginaria del fattore Clausius-Mossotti (CM) rispettivamente. Il fattore CM dipende dalle proprietà elettriche delle particelle e del liquido circostante, rilevate dalla frequenza caratteristica, ω c = 2σ / aC DL , DEP e EROT, dove σ è la conducibilità del liquido, a è il raggio delle particelle, E C DL è la capacità del doppio strato elettrico 15 , 16 . Per misurare l&#39;EROT e il DEP delle particelle, sono necessari schemi di matrice di elettrodi appositamente progettati. Tradizionalmente, una tecnica fotolitografica viene utilizzata per creare matrici di elettrodi e richiede una serie di procedure complicate, tra cui il rivestimento a spessore fotoresistivo, l&#39;allineamento maschera, l&#39;esposizione e lo sviluppo 15 , 18 ,S = &quot;xref&quot;&gt; 19 , 20 . In questo articolo, la rapida fabbricazione di array di elettrodi è dimostrata dal patterning ottico diretto. Uno strato ITO a film sottile trasparente, rivestito sul substrato di vetro, viene parzialmente rimosso da una macchina di marcatura laser a fibre (1,064 nm, 20 W, da 90 a 120 ns di larghezza di impulso e frequenza di ripetizione da 20 a 80 kHz) per formare Un array elettrodo a quattro fasi. La distanza tra gli elettrodi diagonali è di 150-800 μm, che può essere regolata in base agli esperimenti. L&#39;array elettrodo a quattro fasi può essere utilizzato per caratterizzare e concentrare le particelle in diversi dispositivi microfluidici 15 , 16 , 18 . Per generare il campo elettrico a quattro fasi, l&#39;array elettrodo è collegato a un generatore di funzioni a due canali ea due inverter. Lo spostamento di fase tra gli elettrodi adiacenti è impostato a 90 ° (per EROT) o 180 ° (per DEP) 15 . Il segnale AC viene applicato ad un&#39;ampiezza di tensione da 0,5 a 4 V pp e la frequenza varia da 100 Hz a 5 MHz durante il processo di funzionamento. Le particelle di Janus, particelle metalliche e particelle di silice vengono utilizzate come campioni per misurare le loro proprietà elettrokinetiche AC. Le sospensioni delle particelle sono poste sulla regione centrale dell&#39;elettrodo e sono osservate sotto un microscopio ottico invertito con un obiettivo 40X e NA 0,6. Il movimento e la rotazione delle particelle vengono registrati con una fotocamera digitale. Il movimento DEP viene registrato nella regione anulare, tra 40 e 65 μm radialmente lontano dal centro di matrice e EROT viene registrato nella regione circolare, 65 μm radialmente lontano dal centro di matrice. La velocità delle particelle e la velocità angolare vengono misurate con il metodo di monitoraggio delle particelle. I centroidi delle particelle sono distinti dalla scala di grigi o dalla geometria delle particelle usando il software. La velocità delle particelle e la velocità angolare sono ottenute daMisurando i movimenti dei centroidi delle particelle. Questo articolo fornisce un metodo semplice per fabbricare rapidamente array di elettrodi arbitrariamente modellati. Introduce la preparazione di particelle metalliche completamente o parzialmente rivestite, che possono essere utilizzate in diversi campi, con impieghi che vanno dalla biologia alle applicazioni industriali.

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

Questo articolo fornisce un metodo semplice per preparare particelle metalliche parzialmente o completamente rivestite e per eseguire la rapida fabbricazione di array di elettrodi, che possono facilitare esperimenti elettrici in dispositivi microfluidici. Le particelle di Janus sono particelle asimmetriche che contengono due proprietà di superficie diverse dalle loro due parti. Per preparare le particelle di Janus, un monostrato di particelle di silice viene preparato mediante un processo di essiccazione. L&#39;oro (Au) viene depositato su un lato di ciascuna particella usando un dispositivo di sputtering. Le particelle metalliche completamente rivestite vengono completate dopo il secondo processo di rivestimento. Per analizzare le proprietà delle superfici elettriche delle particelle di Janus vengono eseguite misure di elettrokinetica a corrente alternata (AC), quali dielettroforesi (DEP) e elettrorotazione (EROT), che richiedono matrici di elettrodi specificamente progettate nel dispositivo sperimentale. Tuttavia, i metodi tradizionali per la fabbricazione di array di elettrodi, come la tecnica fotolitografica, richiedono una serieDelle procedure complicate. Qui introduciamo un metodo flessibile per realizzare un array elettrodo progettato. Un vetro di ossido di indio (ITO) è modellato da una macchina di marcatura laser a fibre (1,064 nm, 20 W, da 90 a 120 ns di larghezza di impulso e da frequenza di ripetizione impulsiva da 20 a 80 kHz) per creare un array elettrodo a quattro fasi. Per generare il campo elettrico a quattro fasi, gli elettrodi sono collegati ad un generatore di funzioni a due canali ea due inverter. Lo spostamento di fase tra gli elettrodi adiacenti è impostato a 90 ° (per EROT) o 180 ° (per DEP). Sono presentati i risultati rappresentativi delle misurazioni elettriciniche AC con un array di elettrodi ITO a quattro fasi.

L&#39;array elettrodo a quattro fasi è creato da una macchina di marcatura laser a fibre. Lo strato conduttivo ITO rivestito sul vetro viene rimosso da un laser di messa a fuoco per formare uno schema a croce con uno spazio di 160 μm, come mostrato in Figura 1 B. <img alt="Figura 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/55950/55950fig1.jpg" /> Figura 1 : Preparazione dell&#39;elettrodo ITO. ( A ) Schemi di creazione di un elettrodo ITO a quattro fasi con una macchina di marcatura laser a fibre (1,064 nm, 20 W, 90- 120 ns di larghezza di impulso e frequenza di ripetizione impulsiva da 20 a 80 kHz). ( B ) Immagine luminosa dell&#39;elemento elettrodo a croce sotto un microscopio. <a href="https://ecsource-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/55950/55950fig1large.jpg" target="_blank">Clicca qui per vedere una versione più grande di questo fig</a>Ure. Lo schema elettrico dell&#39;inverter è mostrato in Figura 2 A. Per creare il campo elettrico a quattro fasi, l&#39;array di elettrodi è collegato ad un generatore di funzioni a due canali ea due inverter, come mostrato in Figura 2 B. <img alt="figura 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/55950/55950fig2.jpg" /> Figura 2 : Impostazione di un generatore a quattro fasi e connessione del microchip sperimentale. ( A ) Lo schema circuitale dell&#39;inverter. ( B ) Schemi del microchip sperimentale. ( C ) Collegare i 4 fili sull&#39;elettrodo a quattro fasi attraverso il contatto diretto con il nastro. ( D ) Il passaggio di fase tra gli elettrodi adiacenti è impostato a 90 °(Per EROT) o 180 ° (per DEP). <a href="https://ecsource-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/55950/55950fig2large.jpg" target="_blank">Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.</a> Un monostrato di particelle di silice viene preparato trascinando lentamente la gocciolina di particelle di etanolo-silice usando un vetro di copertura, come mostrato nella Figura 3 A. Il monostrato di particelle di silice viene messo nel dispositivo di sputtering da rivestire con Au. Infine, le particelle di Janus vengono preparate, come mostrato in Figura 3 C. <img alt="Figura 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/55950/55950fig3.jpg" /> Figura 3 : Procedure di preparazione delle particelle di Janus. ( A ) Il monostrato di particelle di silice sotto un microscopio. ( B )Schema del rivestimento di uno strato sottile di Au su un monostrato di particelle di silice. ( C ) Immagine luminosa di una particella di Janus sotto un microscopio. Il lato oscuro della particella è il rivestimento Au. <a href="https://ecsource-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/55950/55950fig3large.jpg" target="_blank">Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.</a> La preparazione di particelle metalliche completamente rivestite è mostrata in Figura 4 . Il contenitore, costituito da una slitta e da un nastro, viene caricato con la miscela PDMS ad un&#39;altezza da 2 a 3 mm, come mostrato nella Figura 4 A. La miscela PDMS viene messa in forno a 70 ° C per 2 ore per formare un timbro PDMS. Il timbro PDMS, con una superficie piana, è mostrato in Figura 4 B. La procedura di preparazione delle particelle metalliche completamente rivestite è mostrata in figE 4 C. La particella metallica completamente rivestita è mostrata in Figura 4 D. <img alt="Figura 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/55950/55950fig4.jpg" /> Figura 4 : Preparazione di particelle metalliche completamente rivestite. ( A ) La miscela PDMS nel contenitore a nastro. ( B ) Il timbro PDMS con una superficie piana. ( C ) Procedure di preparazione di particelle metalliche completamente rivestite. ( D ) Immagine in campo luminoso di una particella metallica completamente rivestita sotto un microscopio. <a href="https://ecsource-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/55950/55950fig4large.jpg" target="_blank">Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.</a> I risultati rappresentativi della particella EROT e DEP sono mostrati in FigE 5. Le particelle di EROT di Janus sono generalmente nella direzione opposta del campo elettrico (contatore), con una velocità angolare massima a frequenza caratteristica, come mostrato nella Figura 5 A. Le particelle di EROT di Janus a bassa frequenza invertono alla direzione co-filata, che potrebbe essere dovuta al più complicato meccanismo di polarizzazione e al flusso elettroosmotico a carica indotta intorno all&#39;emisfero della superficie metallica 15 , 16 . L&#39;EROT delle particelle di silice è co-campo in tutti i campi di frequenza di prova e la sua frequenza caratteristica è alla frequenza di prova più bassa (~ 500 Hz), come mostrato nella Figura 5 B. L&#39;EROT delle particelle metalliche è controrotato in tutti i campi di frequenza di prova e la sua frequenza caratteristica è inferiore a quella delle particelle di Janus, come mostrato nella Figura 5 C. A partire dal<html> Figura 5 A-5C , possiamo vedere la variazione nella parte immaginaria dei fattori CM, con le frequenze di campo elettrico tra diversi tipi di particelle. Inoltre, possiamo vedere che la frequenza caratteristica EROT delle particelle di Janus è superiore a quella delle particelle metalliche completamente rivestite. Questo risultato suggerisce che la polarizzazione delle particelle di Janus non può essere spiegata direttamente da un semplice modello di sovrapposizione di strutture a due emisferi. C&#39;è un meccanismo più complicato per la polarizzazione delle particelle di Janus 2 . Le misure di DEP delle particelle metalliche sono mostrate in Figura 5D . I risultati mostrano che la risposta DEP di particelle metalliche è n-DEP a frequenze inferiori, ma p-DEP a frequenze più alte, con una frequenza di crossover che concorda con la frequenza caratteristica La misura di EROT. Re 5 &quot;class =&quot; xfigimg &quot;src =&quot; / files / ftp_upload / 55950 / 55950fig5.jpg &quot;/&gt; Figura 5 : I risultati rappresentativi della particella EROT e DEP. ( A ) Spettro EROT di particelle di Janus. ( B ) Spettro EROT di particelle di silice. ( C ) spettro EROT di particelle metalliche completamente rivestite. ( D ) spettro DEP di particelle metalliche completamente rivestite. <a href="https://ecsource-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/55950/55950fig5large.jpg" target="_blank">Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.</a>

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

In questo articolo è stato dimostrato un metodo semplice per la preparazione di particelle metalliche parzialmente o completamente rivestite e per eseguire misure di proprietà elettrokinetiche AC con un complesso di elettrodi di ossido di indio (INDO) in rapida fabbricazione.

Preparazione delle particelle di Janus e delle misurazioni elettrokinetiche di corrente alternata con una matrice di elettrodi di ossido di stagno di indio rapidamente fabbricata

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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Nanyang Technological University

Research

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Electrical Engineering

Engineering

Unit 1

AC Circuit Analysis

SCIENTISTS IN ACTION

8.1K Views.  National Taiwan University.  In questo articolo è stato dimostrato un metodo semplice per la preparazione di particelle metalliche parzialmente o completamente rivestite e per eseguire misure di proprietà elettrokinetiche AC con un complesso di elettrodi di ossido di indio (INDO) in rapida fabbricazione. 

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Patterning Cells on Optically Transparent Indium Tin Oxide Electrodes

The ability to exercise precise spatial and temporal control over cell-surface interactions is an important prerequisite to the assembly of multi-cellular constructs serving as in vitro mimics of native tissues.  In this study, photolithography and wet etching techniques were used to fabricate individually addressable indium tin oxide (ITO) electrodes on glass substrates.  The glass substrates containing ITO microelectrodes were modified with poly(ethylene glycol) (PEG) silane to make them protein and cell resistive.  Presence of insulating PEG molecules on the electrode surface was verified by cyclic voltammetry employing potassium ferricyanide as a redox reporter molecule.  Importantly, the application of reductive potential caused desorption of the PEG layer, resulting in regeneration of the conductive electrode surface and appearance of typical ferricyanide redox peaks.    Application of reductive potential also corresponded to switching of ITO electrode properties from cell non-adhesive to cell-adhesive. Electrochemical stripping of PEG-silane layer from ITO microelectrodes allowed for cell adhesion to take place in a spatially defined fashion, with cellular patterns corresponding closely to electrode patterns.  Micropatterning of several cell types was demonstrated on these substrates.   In the future, the control of the biointerfacial properties afforded by this method will allow to engineer cellular microenvironments through the assembly of three or more cell types into a precise geometric configuration on an optically transparent substrate.

Non-fouling PEG silane monolayer was desorbed from individually addressable ITO electrodes on glass by application of a reductive potential. Electrochemical stripping of PEG-silane layer from ITO microelectrodes allowed for cell adhesion to take place in a spatially defined fashion, with cellular patterns corresponding closely to electrode patterns.

Cellule patterning su elettrodi Tin otticamente trasparente di ossido di indio

The ability to exercise precise spatial and temporal control over cell-surface interactions is an important prerequisite to the assembly of multi-cellular ...

Ricerca

Biologia

AC Electrokinetic Phenomena Generated by Microelectrode Structures

The field of AC electrokinetics is rapidly growing due to its ability to perform dynamic fluid and particle manipulation on the micro- and nano-scale, which is essential for Lab-on-a-Chip applications. AC electrokinetic phenomena use electric fields to generate forces that act on fluids or suspended particles (including those made of dielectric or biological material) and cause them to move in astonishing ways1, 2. Within a single channel, AC electrokinetics can accomplish many essential on-chip operations such as active micro-mixing, particle separation, particle positioning and micro-pattering. A single device may accomplish several of those operations by simply adjusting operating parameters such as frequency or amplitude of the applied voltage. Suitable electric fields can be readily created by micro-electrodes integrated into microchannels. It is clear from the tremendous growth in this field that AC electrokinetics will likely have a profound effect on healthcare diagnostics3-5, environmental monitoring6 and homeland security7.

In general, there are three AC Electrokinetic phenomena (AC electroosmosis, dielectrophoresis and AC electrothermal effect) each with unique dependencies on the operating parameters. A change in these operating parameters can cause one phenomena to become dominant over another, thus changing the particle or fluid behavior. 

It is difficult to predict the behavior of particles and fluids due to the complicated physics that underlie AC electrokinetics. It is the goal of this publication to explain the physics and elucidate particle and fluid behavior. Our analysis also covers how to fabricate the electrode structures that generate them, and how to interpret a wide number of experimental observations using several popular device designs. This video article will help scientists and engineers understand these phenomena and may encourage them to start using AC Electrokinetics in their research.

Manipulating fluids and suspended particles in the micro- and nano-scale is becoming more of a reality as enabling technologies, like AC electrokinetics, continue to develop. Here, we discuss the physics behind AC electrokinetics, how to fabricate these devices and how to interpret the experimental observations.

Fenomeni AC elettrocinetico Generato da strutture microelettrodo

The field of AC electrokinetics is rapidly growing due to its ability to perform dynamic fluid and particle manipulation on the micro- and nano-scale, ...

Characterizing Electron Transport through Living Biofilms

Here we demonstrate the method of electrochemical gating used to characterize electrical conductivity of electrode-grown microbial biofilms under physiologically relevant conditions.1 These measurements are performed on living biofilms in aqueous medium using source and drain electrodes patterned on a glass surface in a specialized configuration referred to as an interdigitated electrode (IDA) array. A biofilm is grown that extends across the gap connecting the source and drain. Potentials are applied to the electrodes (ES and ED) generating a source-drain current (ISD) through the biofilm between the electrodes. The dependency of electrical conductivity on gate potential (the average of the source and drain potentials, EG = [ED + ES]/2) is determined by systematically changing the gate potential and measuring the resulting source-drain current. The dependency of conductivity on gate potential provides mechanistic information about the extracellular electron transport process underlying the electrical conductivity of the specific biofilm under investigation. The electrochemical gating measurement method described here is based directly on that used by M. S. Wrighton2,3 and colleagues and R. W. Murray4,5,6 and colleagues in the 1980&#39;s to investigate thin film conductive polymers.

A protocol for measuring electrical conductivity of living microbial biofilms under physiologically relevant conditions is presented.

Caratterizzazione di trasporto dell'elettrone attraverso biofilm vivente

Here we demonstrate the method of electrochemical gating used to characterize electrical conductivity of electrode-grown microbial biofilms under ...

Chimica

A High Performance Impedance-based Platform for Evaporation Rate Detection

This paper describes the method of a novel impedance-based platform for the detection of the evaporation rate. The model compound hyaluronic acid was employed here for demonstration purposes. Multiple evaporation tests on the model compound as a humectant with various concentrations in solutions were conducted for comparison purposes. A conventional weight loss approach is known as the most straightforward, but time-consuming, measurement technique for evaporation rate detection. Yet, a clear disadvantage is that a large volume of sample is required and multiple sample tests cannot be conducted at the same time. For the first time in literature, an electrical impedance sensing chip is successfully applied to a real-time evaporation investigation in a time sharing, continuous and automatic manner. Moreover, as little as 0.5 ml of test samples is required in this impedance-based apparatus, and a large impedance variation is demonstrated among various dilute solutions. The proposed high-sensitivity and fast-response impedance sensing system is found to outperform a conventional weight loss approach in terms of evaporation rate detection.

This paper presents an impedance-based apparatus for evaporation rate detection of solutions. It offers clear advantages over a conventional weight loss approach: a fast response, high-sensitivity detection, a small sample requirement, multiple sample measurements, and easy disassembly for cleaning and reuse purposes.

Una piattaforma basata su impedenza ad alte prestazioni per l&#39;evaporazione tasso di rilevamento

This paper describes the method of a novel impedance-based platform for the detection of the evaporation rate. The model compound hyaluronic acid was ...

Ingegneria

Focused Ion Beam Fabrication of LiPON-based Solid-state Lithium-ion Nanobatteries for In Situ Testing

Solid-state electrolytes are a promising replacement for current organic liquid electrolytes, enabling higher energy densities and improved safety of lithium-ion (Li-ion) batteries. However, a number of setbacks prevent their integration into commercial devices. The main limiting factor is due to nanoscale phenomena occurring at the electrode/electrolyte interfaces, ultimately leading to degradation of battery operation. These key problems are highly challenging to observe and characterize as these batteries contain multiple buried interfaces. One approach for direct observation of interfacial phenomena in thin film batteries is through the fabrication of electrochemically active nanobatteries by a focused ion beam (FIB). As such, a reliable technique to fabricate nanobatteries was developed and demonstrated in recent work. Herein, a detailed protocol with a step-by-step process is presented to enable the reproduction of this nanobattery fabrication process. In particular, this technique was applied to a thin film battery consisting of LiCoO2/LiPON/a-Si, and has further been previously demonstrated by in situ cycling within a transmission electron microscope.

Focused Ion Beam Fabrication of LiPON-based Solid-state Lithium-ion Nanobatteries for In Situ Testing

A protocol for the fabrication of electrochemically active LiPON-based solid-state lithium-ion nanobatteries using a focused ion beam is presented.

Focused Ion Beam fabbricazione di Nanobatteries basati su LiPON litio allo stato solido per test In Situ

Solid-state electrolytes are a promising replacement for current organic liquid electrolytes, enabling higher energy densities and improved safety of ...

In Situ Lithiated Reference Electrode: Four Electrode Design for In-operando Impedance Spectroscopy

Extending operating voltage of Li-ion batteries results in higher energy output from these devices. High voltages, however, may trigger or accelerate multiple processes responsible for long-term performance decay. Given the complexity of physical processes occurring inside the cell, it is often challenging to achieve a full understanding of the root causes of this performance degradation. This difficulty arises in part from the fact that any electrochemical measurement of a battery will return the combined contributions of all components in the cell. Incorporation of a reference electrode can solve part of the problem, as it allows the electrochemical reactions of the cathode and the anode to be individually probed. A variation in the voltage range experienced by the cathode, for example, can indicate alterations in the pool of cyclable lithium ions in the full-cell. The structural evolution of the many interphases existing in the battery can also be monitored, by measuring the contributions of each electrode to the overall cell impedance. Such wealth of information amplifies the reach of diagnostic analysis in Li-ion batteries and provides valuable input to the optimization of individual cell components. In this work, we introduce the design of a test cell able to accommodate multiple reference electrodes, and present reference electrodes that are appropriate for each specific type of measurement, detailing the assembly process in order to maximize the accuracy of the experimental results.

The incorporation of reference electrodes in a Li-ion battery provides valuable information to elucidate degradation mechanisms at high voltages. In this article, we present a cell design that accommodates multiple reference electrodes, along with the assembly steps to assure maximum accuracy of the data obtained in electrochemical measurements.

In Situ litiati riferimento elettrodo: Elettrodo quattro Design per spettroscopia di impedenza nel operando

Extending operating voltage of Li-ion batteries results in higher energy output from these devices. High voltages, however, may trigger or accelerate ...

A Method for Systematic Electrochemical and Electrophysiological Evaluation of Neural Recording Electrodes

New materials and designs for neural implants are typically tested separately, with a demonstration of performance but without reference to other implant characteristics.&#160;This precludes a rational selection of a particular implant as optimal for a particular application and the development of new materials based on the most critical performance parameters.&#160;This article develops a protocol for in vitro and in vivo testing of neural recording electrodes.&#160;Recommended parameters for electrochemical and electrophysiological testing are documented with the key steps and potential issues discussed.&#160;This method eliminates or reduces the impact of many systematic errors present in simpler in vivo testing paradigms, especially variations in electrode/neuron distance and between animal models.&#160;The result is a strong correlation between the critical in vitro and in vivo responses, such as impedance and signal-to-noise ratio.&#160;This protocol can easily be adapted to test other electrode materials and designs.&#160;The in vitro techniques can be expanded to any other nondestructive method to determine further important performance indicators.&#160;The principles used for the surgical approach in the auditory pathway can also be modified to other neural regions or tissue.

Different electrode coatings affect neural recording performance through changes to electrochemical, chemical and mechanical properties. Comparison of electrodes in vitro is relatively simple, however comparison of in vivo response is typically complicated by variations in electrode/neuron distance and between animals. This article provides a robust method to compare neural recording electrodes.

Un metodo per la sistematica elettrochimici ed elettrofisiologiche di valutazione dei neurali registrazione elettrodi

New materials and designs for neural implants are typically tested separately, with a demonstration of performance but without reference to other implant ...

Neuroscienze

Performing In Situ Closed-Cell Gas Reactions in the Transmission Electron Microscope

Gas reactions studied by in situ electron microscopy can be used to capture the real-time morphological and microchemical transformations of materials at length scales down to the atomic level. In situ closed-cell gas reaction (CCGR) studies performed using (scanning) transmission electron microscopy (STEM) can separate and identify localized dynamic reactions, which are extremely challenging to capture using other characterization techniques. For these experiments, we used a CCGR holder that utilizes microelectromechanical systems (MEMS)-based heating microchips (hereafter referred to as &#34;E-chips&#34;). The experimental protocol described here details the method for performing in situ gas reactions in dry and wet gases in an aberration-corrected STEM. This method finds relevance in many different materials systems, such as catalysis and high-temperature oxidation of structural materials at atmospheric pressure and in the presence of various gases with or without water vapor. Here, several sample preparation methods are described for various material form factors. During the reaction, mass spectra obtained with a residual gas analyzer (RGA) system with and without water vapor further validates gas exposure conditions during reactions. Integrating an RGA with an in situ CCGR-STEM system can, therefore, provide critical insight to correlate gas composition with the dynamic surface evolution of materials during reactions. In situ/operando studies using this approach allow&#160;for detailed investigation of the fundamental reaction mechanisms and kinetics that occur at specific environmental conditions (time, temperature, gas, pressure), in real-time, and at high spatial resolution.

Performing In Situ Closed-Cell Gas Reactions in the Transmission Electron Microscope

Here, we present a protocol for performing in situ TEM closed-cell gas reaction experiments while detailing several commonly used sample preparation methods.

Esecuzione di reazioni di gas a celle chiuse in situ nel microscopio elettronico a trasmissione

Gas reactions studied by in situ electron microscopy can be used to capture the real-time morphological and microchemical transformations of materials at ...

Precise Electrochemical Sizing of Individual Electro-Inactive Particles

Nanoimpact electrochemistry enables the time-resolved in situ characterization (e.g., size, catalytic activity) of single nanomaterial units, providing a means of elucidating heterogeneities that would be masked in ensemble studies. To implement this technique with redox inactive particles, a solution-phase redox reaction is used to produce a steady-state background current on a disk ultramicroelectrode. When a particle adsorbs onto the electrode, it produces a stepwise reduction in the exposed electrode area, which produces, in turn, a stepwise decrease in the current commensurate with the size of the adsorbing species. Historically, however, nanoimpact electrochemistry has suffered from &#34;edge effects,&#34; in which the radial diffusion layer formed at the circumference of the ultramicroelectrodes renders the step size dependent not only on the size of the particle but also on where it lands on the electrode. The introduction of electrocatalytic current generation, however, mitigates the heterogeneity caused by edge effects, thus improving the measurement precision. In this approach, termed &#34;electrocatalytic interruption,&#34; a substrate that regenerates the redox probe at the diffusion layer is introduced. This shifts the rate-limiting step of the current generation from diffusion to the homogeneous reaction rate constant, thus reducing flux heterogeneity and increasing the precision of particle sizing by an order of magnitude. The protocol described here explains the set-up and data collection employed in nanoimpact experiments implementing this effect for improved precision in the sizing of redox in-active materials.

As an analytical technique, nanoimpact electrochemistry, an increasingly important approach to counting and characterizing nanometer-scale, electro-inactive particles, suffers from poor precision due to the heterogeneous current distributions that arise from its use of ultramicroelectrodes. Outlined here is a generalized approach, termed "electrocatalytic interruption," that enhances precision in such measurements.

Dimensionamento elettrochimico preciso di singole particelle elettro-inattive

Nanoimpact electrochemistry enables the time-resolved in situ characterization (e.g., size, catalytic activity) of single nanomaterial units, providing a ...

Tools for Surface Treatment of Silicon Planar Intracortical Microelectrodes

Intracortical microelectrodes hold great therapeutic potential. But they are challenged with significant performance reduction after modest implantation durations. A substantial contributor to the observed decline is the damage to the neural tissue proximal to the implant and subsequent neuroinflammatory response. Efforts to improve device longevity include chemical modifications or coating applications to the device surface to improve the tissue response. Development of such surface treatments is typically completed using non-functional "dummy" probes that lack the electrical components required for the intended application. Translation to functional devices requires additional consideration given the fragility of intracortical microelectrode arrays. Handling tools greatly facilitate surface treatments to assembled devices, particularly for modifications that require long procedural times. The handling tools described here are used for surface treatments applied via gas-phase deposition and aqueous solution exposure. Characterization of the coating is performed using ellipsometry and x-ray photoelectron spectroscopy. A comparison of electrical impedance spectroscopy recordings before and after the coating procedure on functional devices confirmed device integrity following modification. The described tools can be readily adapted for alternative electrode devices and treatment methods that maintain chemical compatibility.

The present protocol describes tools for handling silicon planar intracortical microelectrodes during treatments for surface modification via gas deposition and aqueous solution reactions. The assembly of the components used to handle the devices throughout the procedure is explained in detail.

Strumenti per il trattamento superficiale di microelettrodi intracorticali planari al silicio

Intracortical microelectrodes hold great therapeutic potential. But they are challenged with significant performance reduction after modest implantation ...