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

Este trabalho foi apoiado pelo Ministério da Ciência e Tecnologia, Taiwan, ROC, sob Grant NSC 103-2112-M-002-008-MY3.

1. Fabricação do Microchip <ol><li> Preparação do eletrodo ITO <ol><li> Use o software de ilustração comercial para desenhar um padrão cruzado. Defina a distância entre os eletrodos diagonais para 160 μm e faça com que os braços do padrão cruzado sejam 30 mm de largura e 55 mm de comprimento, como mostrado na Figura 1 . Salve o arquivo de ilustração como um arquivo DXF. </li><li> Use um cortador de vidro para cortar o vidro ITO para um tamanho de 25 mm x 50 mm (largura x comprimento). Use 75% de etanol e água DI para enxaguar o vidro ITO várias vezes. </li><li> Coloque o vidro ITO na máquina de marcação a laser de fibra pulsada. Focalize o laser na superfície do vidro ITO ajustando a distância entre o vidro ITO e o laser para 279,5 mm. NOTA: O laser utilizado aqui possui as seguintes especificações: 1.064 nm, 20 W, largura de pulso de 90 a 120 ns e freqüência de repetição de pulso de 20 a 80 kHz, com intensidade de luz pulsada em aproximadamente 5 x 10 5 W / cm 2). </li><li> Insira diretamente o arquivo de ilustração (arquivo DXF) no computador da máquina de marcação a laser. Clique no botão &quot;Mark Parameter&quot; e insira os seguintes parâmetros: velocidade, &quot;800 mm / s;&quot; Poder, &quot;60%;&quot; E freqüência, &quot;40 kHz&quot;. Marque os termos &quot;Quadro&quot;, &quot;Preencher&quot; e &quot;Preencher Primeiro&quot;. <ol><li> Clique no botão &quot;Pré-visualizar&quot; posicionar o padrão no centro de vidro ITO. Clique no botão &quot;Mark Sample&quot; para modelar o vidro ITO ( Figura 1 A ). </li></ol></li></ol></li><li> Configurando um gerador trifásico e conectando o microchip experimental <ol><li> Construa os circuitos dos inversores, como mostrado na Figura 2 A. </li><li> Conecte os 4 fios no eletrodo trifásico por contato direto com a fita, como mostrado na Figura 2 C. Divida o &quot;ChannEl 1 &quot;do gerador de função em dois ramos usando um conector BNC duplo. <ol><li> Conecte um ramo ao fio (# 1) conectado ao eletrodo ITO e o outro à entrada do inversor. Conecte a saída do inversor ao fio (# 3), como mostrado na Figura 2 B. </li></ol></li><li> Conecte o &quot;Canal 2&quot; com o mesmo procedimento que no passo 1.2.2, mas conecte-se aos fios (# 2 e # 4) como mostrado na Figura 2 B. </li><li> Para as experiências EROT, ajuste o deslocamento de fase entre os dois canais para 90 °, diretamente no gerador de funções. Aplique uma onda de seno a uma amplitude de tensão de 0,5-4 V pp e uma freqüência variando de 100 Hz a 5 MHz durante as experiências, como mostrado na Figura 2 D. </li><li> Para as experiências DEP, conecte um ramo do Canal 1 ao fio (# 1) conectado ao eletrodo ITO e o outro aoEntrada do inversor. Conecte a saída do inversor ao fio (# 2). Conecte o Canal 2 usando o mesmo procedimento, mas conecte-se aos fios (# 3 e # 4). </li><li> Defina o deslocamento de fase entre os 2 canais a 0 °, diretamente no gerador de funções. Aplique uma onda de seno a uma amplitude de tensão de 0,5-4 V pp e uma freqüência variando de 100 Hz a 5 MHz durante as experiências, como mostrado na Figura 2 D. </li></ol></li></ol> 2. Preparação das amostras <ol><li> Preparação de partículas Janus <ol><li> Centrifugue a suspensão aquosa de partículas de sílica de 2 μm (10% p / p) a 2.200 xg durante 1 min. </li><li> Pipetar 2 μL de partículas de sílica sedimentar em um tubo de microcentrífuga de 1,5 mL e adicionar 500 μL de etanol (99,5% v / v). NOTA: O sobrenadante não precisa ser descartado; Apenas guarde na geladeira a 4 ° C. Não é necessário ressuspender antes da pipetinaG. </li><li> Sonicate a suspensão de partículas de etanol e sílica usando um ultra-som (43 kHz, 50 W) por 1 min e depois centrifugá-lo a 2,200 xg durante 3 min. </li><li> Substitua o sobrenadante com 500 μL de etanol e repita o passo 2.1.3 três vezes. </li><li> Substituir o sobrenadante com 8 μL de etanol e sonificar a suspensão de partículas de etanol e sílica usando um ultra-som (43 kHz, 50 W) durante 3 min. NOTA: Cerca de 10 μL de suspensão de partículas de etanol e sílica devem permanecer no tubo neste passo. </li><li> Pipetar 2 μL de suspensão de partículas de etanol e sílica e soltá-lo em uma lâmina de vidro normal (largura: 25 mm, comprimento: 75 mm e espessura: 1,2 mm) para formar uma gota. Nota: Esta quantidade de suspensão de partículas é suficiente para preparar as monocamadas para 5-6 lâminas (2 μL para cada lâmina). </li><li> Arraste lentamente a gota de partículas de etanol e sílica ligeiramente com uma tampa de vidro para formar uma monocamada de partículas de sílica ( Figura 3 </stRong&gt; A ). </li><li> Coloque o slide com a monocamada de partículas de sílica em um dispositivo de pulverização a ser revestido com Au. <ol><li> Retire o ar da câmara de pulverização a 100 mTorr e injete argônio durante 10 minutos (substitua o ar por árgon). Pare de injetar argônio e, em seguida, remova o argônio da câmara a 70 mTorr. </li><li> Ajuste a corrente para 15 mA por 200 s. ( Figura 3 B ); Janus partículas já estão preparadas nesta etapa. </li></ol></li><li> Largue 20 μL de água DI na corrediça pulverizada e raspe as partículas Janus da monocamada usando uma ponta normal de 200 μL de pipeta. NOTA: As partículas Janus raspadas da monocamada suspendem na gota de água DI neste passo. </li><li> Pipetar a gota de partículas Janus e soltar-a em outro tubo de centrifugação de 1,5 mL. </li><li> Use a suspensão de partículas Janus para preparar a amostra diluyendo-a com água DI para uma concentração adequadaPara experiências. NOTA: A concentração da suspensão de partículas nas experiências aqui descritas é de cerca de 2.000 contagens / μL. </li></ol></li><li> Preparação de partículas metálicas totalmente revestidas 14 <ol><li> Misture a base de polímero PDMS e o agente de cura com uma proporção em peso de 10: 1. </li><li> Faixa em torno da lâmina de vidro para formar as paredes laterais do recipiente. Despeje a mistura de PDMS em uma corrediça gravada para obter uma camada PDMS de 2-3 mm, como mostrado na Figura 4 A. </li><li> Coloque a corrediça gravada (recipiente) com a mistura PDMS em uma câmara hermética e execute a bomba de vácuo durante 30 min para remover as bolhas na mistura PDMS. </li><li> Coloque o slide gravado (recipiente) com a mistura PDMS (passo 2.2.3) no forno. Cure a mistura PDMS a 70 ° C durante 2 h para formar um selo PDMS. </li><li> Depois que o selo PDMS for curado, remova o slide e a fita adesiva para obter o selo PDMS, a superfícieDos quais anexados originalmente ao slide de vidro, formando uma superfície plana, como mostrado na Figura 4 B. </li><li> Siga os passos de 2.1.1-2.1.8 para preparar uma monocamada de partículas Janus em um slide. </li><li> Use a superfície plana do selo PDMS para selar a monocamada com pressão uniforme. </li><li> Coloque o selo PDMS com a monocamada de partículas de Janus, que é invertida da corrediça de vidro feita no passo 2.1.8, no dispositivo de pulverização a ser revestida com Au. <ol><li> Retire o ar da câmara de pulverização a 100 mTorr e injete argônio durante 10 minutos (substitua o ar por árgon). Pare de injetar argônio e, em seguida, remova o argônio da câmara a 70 mTorr. </li><li> Ajuste a corrente para 15 mA por 200 s ( Figura 4 C ); As partículas metálicas totalmente revestidas já estão preparadas nesta etapa. </li></ol></li><li> Siga as etapas de 2.1.9-2.1.11 para preparar a amostra para experiências. </li> &lt;/ Ol&gt; </li></ol> 3. Experimentos para medição eletroquimática AC <ol><li> Enrole 5 peças de película de parafina para preparar um espaçador. Combine o conjunto de eletrodos ITO com o espaçador de película de 500 μm de espessura usando uma pistola de calor e coloque o eletrodo no estágio do microscópio. <ol><li> Soltar 8 μL de suspensão de partículas, que foi preparada nos passos 2.1 e 2.2, no centro da matriz de eletrodos cruzados. Coloque uma tampa no espaçador. </li></ol></li><li> Para as experiências EROT, no gerador de funções, ajuste o deslocamento de fase entre os 2 canais para 90 °. Aplique uma onda de seno com uma amplitude de tensão de 0,5-4 V pp e uma freqüência variando de 100 Hz a 5 MHz durante os experimentos (com base na conexão nas etapas 1.2.2-1.2.3). <ol><li> Escolha o formulário de onda clicando no botão &quot;forma de onda&quot; no gerador de funções. Insira o valor de tensão e freqüência usando os botões numerados na função geNerator e, em seguida, ative o sinal de CA clicando no botão &quot;output&quot;. </li></ol></li><li> Para as experiências DEP, defina a mudança de fase entre os 2 canais para 0 °. Aplique uma onda de seno a 0,5-4 V pp de amplitude de tensão e uma freqüência de 100 Hz a 5 MHz durante as experiências (com base nas conexões no passo 1.2.5) configurando o gerador de funções como no passo 3.2.1. </li><li> Ligue o sinal AC clicando no botão &quot;saída&quot; e capture as imagens de movimento e rotação de partículas sob um microscópio óptico invertido com um objetivo 40X, NA 0.6 usando uma câmera. </li><li> Insira as imagens de movimento de partículas e rotação para o software e analise a trajetória de partículas por rastreamento de partículas para obter as velocidades de partículas e angulares. Nota: O software &quot;Image J&quot; e o plugin &quot;MultiTracker&quot; foram utilizados aqui para a binarização de imagens e rastreamento de partículas. </li></ol>

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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. 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Os autores não têm nada a revelar.

A fabricação de arrays de eletrodos ITO usando a máquina de marcação a laser de fibra fornece um método rápido para preparar eletrodos com padrões arbitrários. No entanto, ainda existem algumas desvantagens para este método, como menos portadores de carga e a menor precisão de fabricação de eletrodos ITO em comparação com eletrodos metálicos criados por métodos tradicionais. Essas desvantagens podem limitar algumas experiências. Por exemplo, menos transportadores podem afetar a distribuição do campo ...

As partículas de Janus, com o nome do deus romano com uma face dupla, são partículas assimétricas cujos dois lados têm propriedades de superfície fisicamente ou quimicamente diferentes 1 , 2 . Devido a essa característica assimétrica, as partículas de Janus exibem respostas especiais sob campos elétricos, como DEP 3 , 4 , 5 , 6 , EROT 2 e eletroforese de carga induzida (ICEP) 7 , 8 , 9 . Recentemente, vários métodos para preparar partículas Janus foram relatados, incluindo o método de emulsão Pickering 10 , o método de co-jato eletroidrodinâmico 11 e o método de fotopolimerização microfluídica 12 . No entanto, esses métodos requerem uma série de compAparelhos e procedimentos licenciados. Este artigo apresenta um método simples para preparar partículas Janus e partículas metálicas totalmente revestidas. Uma monocamada de partículas de sílica com micro escala é preparada num processo de secagem e é colocada num dispositivo de pulverização a ser revestido com Au. Um hemisfério da partícula está sombreado, e apenas o outro hemisfério é revestido com Au 2 , 13 . A monocamada da partícula Janus é estampada com um selo de polidimetilsiloxano (PDMS) e depois tratada com um segundo processo de revestimento para preparar partículas metálicas totalmente revestidas 14 . Para caracterizar as propriedades elétricas de uma partícula Janus, diferentes respostas eletrocinéticas AC, como DEP, EROT e eletro-orientação, são amplamente utilizadas 9 , 15 , 16 , 17 , 18 <sUp&gt;, 19 . Por exemplo, EROT é a resposta rotacional em estado estacionário de uma partícula sob um campo elétrico rotativo imposta externamente 2 , 9 , 15 , 16 . Ao medir o EROT, pode-se obter a interação entre o dipolo induzido das partículas e os campos elétricos. O DEP, que decorre da interação entre os dipolos induzidos e um campo elétrico não uniforme, é capaz de levar ao movimento das partículas 3 , 4 , 5 , 9 , 15 . Diferentes tipos de partículas podem ser atraídos para (DEP positivo) ou repelir de (DEP negativo) os bordos dos eletrodos, que serve como um método geral para manipular e caracterizar partículas no dispositivo microfluídico. O translacional (DEP) e rota<html> As características das partículas (EROT) da partícula sob o campo elétrico são dominadas pela parte real e imaginária do fator Clausius-Mossotti (CM), respectivamente. O fator CM depende das propriedades elétricas das partículas e do líquido circundante, que são reveladas a partir da freqüência característica, ω c = 2σ / aC DL , de DEP e EROT, onde σ é a condutividade líquida, a é o raio da partícula, E C DL é a capacitância da camada dupla elétrica 15 , 16 . Para medir o EROT e o DEP de partículas, são necessários padrões de matrizes de eléctrodos especialmente projetados. Tradicionalmente, uma técnica fotolitográfica é usada para criar matrizes de eletrodos e requer uma série de procedimentos complicados, incluindo revestimentos de fotorresistência, alinhamento de máscara, exposição e desenvolvimento 15 , 18 ,S = &quot;xref&quot;&gt; 19 , 20 . Neste artigo, a fabricação rápida de arrays de eletrodos é demonstrada por padrões óticos diretos. Uma camada ITO de película fina transparente, que é revestida no substrato de vidro, é parcialmente removida por uma máquina de marcação a laser de fibra (1,064 nm, 20 W, largura de pulso de 90 a 120 ns e freqüência de repetição de pulso de 20 a 80 kHz) para formar Uma matriz de eletrodos de quatro fases. A distância entre os eletrodos diagonais é de 150-800 μm, que pode ser ajustada de acordo com os experimentos. O conjunto de eletrodos de quatro fases pode ser usado para caracterizar e concentrar partículas em diferentes dispositivos microfluídicos 15 , 16 , 18 . Para gerar o campo elétrico trifásico, a matriz de eletrodos é conectada a um gerador de função de 2 canais e a dois inversores. O deslocamento de fase entre os eletrodos adjacentes é definido em 90 ° (para EROT) ou 180 ° (para DEP) 15 . O sinal de CA é aplicado a uma amplitude de tensão de 0,5 a 4 V pp e a frequência varia de 100 Hz a 5 MHz durante o processo de operação. Partículas Janus, partículas metálicas e partículas de sílica são usadas como amostras para medir suas propriedades eletrocinéticas AC. As suspensões das partículas são colocadas na região central do conjunto de eletrodos e são observadas sob um microscópio óptico invertido com um objetivo 40X, NA 0.6. O movimento de partículas e a rotação são gravados com uma câmera digital. O movimento DEP é gravado na região anular, entre 40 e 65 μm radialmente fora do centro da matriz, e o EROT é gravado na região circular, 65 μm radialmente fora do centro da matriz. A velocidade da partícula e a velocidade angular são medidas pelo método de rastreamento de partículas. Os centroóides de partículas são distinguidos por escala de cinza ou geometria de partículas usando o software. A velocidade da partícula e a velocidade angular são obtidas porMedindo os movimentos dos centroides de partículas. Este artigo fornece um método simples para fabricar rapidamente arrays de eletrodos com padrões arbitrários. Ele introduz a preparação de partículas metálicas totalmente ou parcialmente revestidas, que podem ser usadas em diferentes campos, com usos que variam de biologia para aplicações industriais.

<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

Este artigo fornece um método simples para preparar partículas metálicas parcialmente ou totalmente revestidas e para realizar a fabricação rápida de arrays de eletrodos, o que pode facilitar experiências elétricas em dispositivos microfluídicos. As partículas Janus são partículas assimétricas que contêm duas propriedades de superfície diferentes em seus dois lados. Para preparar partículas de Janus, uma monocamada de partículas de sílica é preparada por um processo de secagem. Ouro (Au) é depositado em um lado de cada partícula usando um dispositivo de pulverização catódica. As partículas metálicas totalmente revestidas são completadas após o segundo processo de revestimento. Para analisar as propriedades da superfície elétrica das partículas de Janus, medições eletrocinéticas de corrente alternada (AC), como a dielectroforese (DEP) e a eletrorretação (EROT) - que requerem arrays de eletrodo especificamente projetados no dispositivo experimental - são realizadas. No entanto, os métodos tradicionais para fabricar arrays de eléctrodos, como a técnica fotolitográfica, requerem uma sérieDe procedimentos complicados. Aqui, apresentamos um método flexível para fabricar uma matriz de eletrodo projetada. Um vidro de óxido de estanho de índio (ITO) é modelado por uma máquina de marcação a laser de fibra (1,064 nm, 20 W, largura de pulso de 90 a 120 ns e freqüência de repetição de pulso de 20 a 80 kHz) para criar uma matriz de eletrodos de quatro fases. Para gerar o campo elétrico trifásico, os eletrodos são conectados a um gerador de função de 2 canais e a dois inversores. O deslocamento de fase entre eletrodos adjacentes é fixado em 90 ° (para EROT) ou 180 ° (para DEP). São apresentados resultados representativos das medições eletroquimáticas AC com um conjunto de eletrodos ITO trifásicos.

O conjunto de eletrodos de quatro fases é criado por uma máquina de marcação a laser de fibra. A camada condutora ITO revestida no vidro é removida por um laser de foco para formar um padrão cruzado com um intervalo de 160 μm, como mostrado na Figura 1 B. <img alt="figura 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/55950/55950fig1.jpg" /> Figura 1</s...

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

Neste artigo, é demonstrado um método simples para preparar partículas metálicas parcialmente ou totalmente revestidas e para realizar medidas de propriedades eletroquimáticas de CA com um conjunto de eletrodos de óxido de índio e íon (ITO) rapidamente fabricado.

Preparação de partículas de Janus e medições eletroquimáticas de corrente alternada com uma matriz de eletrodo de estanho de estanho rapidamente fabricada

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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8.1K visualizações.  National Taiwan University.  Neste artigo, é demonstrado um método simples para preparar partículas metálicas parcialmente ou totalmente revestidas e para realizar medidas de propriedades eletroquimáticas de CA com um conjunto de eletrodos de óxido de índio e íon (ITO) rapidamente fabricado. 

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

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.

Células padronização na opticamente transparentes Indium Tin Oxide Eletrodos

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

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.

Fenômenos AC eletrocinéticas Gerado por Estruturas microeletrodos

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.

Caracterizando o transporte de elétrons através de biofilmes vivos

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

Química

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.

A plataforma baseada em alta impedância de desempenho para a detecção Taxa de evaporação

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

Engenharia

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.

Fabricação de feixe de íon focalizado de estado sólido baseados em LiPON de lítio-íon Nanobatteries para In Situ testes

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.

No eletrodo de referência Lithiated Situ: Quatro eletrodos Design por espectroscopia de impedância no 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.

Um Método para Sistemática de Eletroquímica e eletrofisiológica Avaliação do Neurais gravação Eletrodos

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

Neurociência

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.

Realizando reações de gás de célula fechada situ no microscópio eletrônico de transmissão

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 eletroquímico preciso de partículas eletro-inativas individuais

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.

Ferramentas para tratamento superficial de microeletroletos intracorticais planar de silício

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