Ontwikkeling van een 3D Grafeen elektrode dielectrophoretic Device

Summary

Een micro-inrichting met hoge doorvoer potentieel gebruikt om driedimensionale (3D) diëlektroforese (DEP) tonen met nieuwe materialen. Grafeen nanoplatelet papier en dubbelzijdig tape werden afwisselend gestapeld; een 700 urn micro-put werd geboord dwars op de lagen. DEP gedrag polystyreen korrels werd aangetoond in de micro-put.

Abstract

Het ontwerp en de fabricage van een nieuwe 3D-elektrode microdevice behulp van 50 micrometer dik grafeen papier en 100 pm dubbelzijdige tape wordt beschreven. Het protocol beschrijft de procedures om een ​​veelzijdige, herbruikbare, meerdere lagen, gelaagd dielectrophoresis kamer te bouwen. In het bijzonder werden zes lagen van 50 micrometer x 0,7 cm x 2 cm grafeen papier en vijf lagen van dubbelzijdige tape afwisselend op elkaar gestapeld, daarna vastgeklemd zit op een glasplaatje. Vervolgens werd een 700 urn diameter micro-put geboord door de gelamineerde structuur met een computergestuurde micro boormachine. Isolerende eigenschappen van de band laag tussen aangrenzende lagen grafeen werden verzekerd door de weerstand testen. Zilver geleidende epoxy verbonden afwisselende lagen van grafeen papier en vormden stabiele verbindingen tussen het grafeen papier en externe koperdraad elektroden. De afgewerkte apparaat werd vervolgens geklemd en verzegeld aan een glasplaatje. De elektrische veldgradiënt is gemodelleerd in thij meerlaagse apparaat. Diëlektroforetische gedrag van 6 urn polystyreen parels werden aangetoond in de 1 mm diep micro-put in de droogtrommel geleidbaarheden variërend van 0,0001 S / m tot 1,3 S / m en toegevoerde signaal frequenties van 100 Hz tot 10 MHz. Negatieve diëlektroforetische responsen waargenomen in drie dimensies over het grootste deel van de geleiding-frequentieruimte en een gemengde frequentiewaarden zijn consistent met eerder gemelde literatuurwaarden. Het apparaat kon niet verhinderen dat AC elektro en elektrothermische stromen, die zich in de lage en hoge frequentie gebieden, respectievelijk. Het grafeen papier gebruikt in dit apparaat is veelzijdig en kan vervolgens functioneren als een biosensor na dielectrophoretic karakteriseringen zijn voltooid.

Introduction

Grafeen is een nieuw materiaal dat bekend staat om zijn hoge kwaliteit elektronische eigenschappen en mogelijke chemische en biosensor applicaties ^1. Grafeen nanoplatelets zijn gebruikt voor katalysatorsteun ^{2, 3, 4} biosensoren, super-condensatoren ^5, en composiet-elektroden, met inbegrip grafeen / polyaniline en silicium nanodeeltjes / grafeen composieten ^6-8. Dit manuscript beschrijft het gebruik van grafeen papier als elektroden in een unieke driedimensionale (3D), gelaagde microfluïdische apparaat. Grafeen papier elektroden werden gelamineerd met isolerende dubbelzijdige tape en een kamer geboord waarin 3D AC dielectrophoresis van polystyreen korrels werd uitgevoerd.

Diëlektroforese (DEP) verwijst naar de beweging van polariseerbare deeltjes onder niet-uniforme elektrische velden. Positieve DEP (pDEP) of negatief DEP (nDEP) ontstaat wanneer deeltjes min of meer polariseerbaar dan het omringende medium, automalting in beweging in de richting van de sterkste of zwakste elektrisch veld, respectievelijk. Deze lineaire elektrokinetische instrument is gebruikt voor de scheiding, het sorteren, het opsluiten, en identificatie van deeltjes en biologische cellen ^9-15. De diëlektroforetische kracht ervaren door een gepolariseerde deeltje is een functie van de elektrische veldgradiënt, deeltjes straal en vorm, deeltjes diëlektrische eigenschappen zoals geleidbaarheid en permittiviteit, en de media geleidbaarheid en permittiviteit. In traditionele tweedimensionale (2D) DEP, deeltje beweging in het primaire vlak van de elektrische veldgradiënt typisch gevormd tussen mikro oppervlakte-elektroden; beweging in verticale richting verwaarloosbaar is vergeleken met in-vlak richtingen meeste apparaten. Echter, maken van deze derde dimensie van elektrisch veld gradiënten 3D DEP tegen hogere monsterdoorvoer en verhoogt de veelzijdigheid om nieuwe en verbeterde diëlektroforetische scheidingen waarbij de stroming Trave ontwerpenrse de veldgradiënten ^{16, 17.} Andere specifieke ontwerpen omvatten 3D-isolator gebaseerde DEP ^18, 3D koolstof-elektrode DEP ^{13, 19,} en 3D galvaniseren DEP ^10. Zoals blijkt uit het onderzoek naar 3D-structuren kunnen dergelijke inrichtingen continue stroom modus functioneren op hogere doorzet te bereiken. Observatie van de 3D deeltjesbeweging in onze gelaagde 3D inrichting wordt bereikt als functie van de frequentie en middelgrote geleiding via lichtmicroscopie op verschillende hoogtes brandpunt.

Fatoyinbo et al.. Eerst gemeld DEP in een 3D gelamineerd elektrode / isolatiestructuur gebruik afwisselend gestapeld 30 micrometer aluminiumfolie en 150 micrometer epoxyhars films ^20. Hubner et al.. Vervolgens ontworpen vergelijkbaar 3D gelamineerde elektroden met 35 micrometer kopertape en 118 micrometer polyimide lijm ^21. Dit werk leent de 3D-putontwerp ^{22, 23}En unieke gebruik het gemak van 50 urn grafeen papier de geleidende lagen en 100 urn dubbelzijdige tape als isolerende lagen, die bereikt afdichting en voldoende elektrische afscherming. Grafeen papier veelzijdigheid is een duidelijk voordeel voor 3D elektrode Microdevices omdat de grafeen nanoplatelets de mogelijkheid om gelijktijdig fungeren als biosensoren, die deze groep eerder aangetoond ^24.

De veldgradiënten verwezenlijkt in het grafeen papier / polymeer gelamineerd 3D Microdevices afhankelijk van het micro-put dimensies, de grafeen papierlagen, en het aangelegde elektrische veld. Kritische afmetingen zijn de verticale elektrode-afstand (geleidende en isolerende laag diktes) en micro-put diameter en hoogte (bepaald door lagen gestapeld). Het elektrische signaal kan worden afgestemd via amplitude en frequentie. De huidige inrichting structuur voor batch operatie, maar kan worden aangepast aan een continue stroom apparaat. Het apparaat fabrication techniek die hier beschreven is voor de ontwikkeling van 3D gelamineerd elektroden met een grote verscheidenheid van grafeen nanoplatelet eigenschappen door eenvoudig uitwisselen van de grafeen papier gebruikt. Voordelen van het gebruik van grafeen papier zijn veelzijdigheid van de fysische en chemische eigenschappen, minder kosten, en het grafeen nanoplatelets kan gelijktijdig fungeren als biosensoren om een breed scala van bioanalytes ²⁴ detecteren. Langetermijndoelen van high throughput 3D DEP-systemen zijn om snel te identificeren celtypes ^25-27, of bereiken label-free, elektrisch gemedieerde cel sortering van zieke cellen van populaties van gezonde cellen ^28. Deze paper toont materiaaloptimalisatie en voorbereiding en werking van het apparaat, gevolgd door illustratie en analyse van typische resultaten.

Protocol

1. Fabriceren een gelamineerde elektrode / isolatie 3D Structuur Voor een 6 grafeen laag, 5 tapelaag apparaat, snijden grafeen papier met een scalpel of een soortgelijke scheermesje en rechte randen heerser in zes 0,7 cm x 1,5 cm rechthoeken en gebruik een schaar om dubbelzijdige drukgevoelige tape gesneden in vijf 1,3 cm x ~ 5 cm strepen. OPMERKING: Zoals getoond in figuur 1a, levert dit een aardelektrode 3, 3 AC signaal elektrodetoestel. De geleidende laag 7 mm breedte is smal genoeg…

Representative Results

Diëlektroforetische experimenten 6 urn polystyreen parels werden uitgevoerd in een 0,38 mm 3 cilindrische micro-put. Resultaten tonen dat een 3D gelamineerd grafeen papieren apparaat kan dit diëlektroforetische handtekeningen illustreren als 3D metaalfolie gelamineerde inrichtingen 20, 21, traditionele 2D metaal-elektrode 26, 27 en 2D isolator apparaten 25. In de volgende experimenten werd een 15 V piek-piek AC wordt toegevoerd en de frequentie werd gevarieerd van…

Discussion

Dit manuscript Gegevens protocollen voor het vervaardigen van een nieuwe 6 grafeen laag en 5 tapelaag microdevice. Verder is het apparaat werking geïllustreerd via waargenomen DEP gedrag van 6,08 micrometer polystyreenparels samen met een unieke, geometrisch relevante deeltjessnelheid analyse aanpak. Deze veelzijdige benadering van niet-lineaire elektrokinetisch apparaten te bouwen is minder kostbaar dan elektrode en vloeibare laag microproductietechnieken, terwijl waardoor even betrouwbare resultaten.

<p class="jo…

Materials

Reagents
Name of Reagent	Company	Catalogue Number	Comments
Polystyrene Beads	Spherotech, Inc.	PP-60-10	6.08 um diameter
Graphene paper	XG Sciences, Inc.	XG Leaf B-072
Double sided tape	3M	N/A	136 office tape
Silver conductive epoxy	MG chemicals	8331-14G	Part A &B included
Mannitol	Sigma Aldrich	091M0020V
Phosphate buffer saline	OmniPur	0381C490
Equipment:
Name of equipment	Company	Catalogue Number	Comments
Microscope     (CCD Camera)	Zeiss	Axiovert 200M
Function/waveform generator	Agilent	33250A
Syringe	Hamilton	84505
Paper Clamp	ADAMS	3300-50-3848
Oven	Fisher Scientific	280A
Multimeter	OMEGA	HHM25
Micro-milling machine	AEROTECH	ABL1500 stages/A3200 Npaq controller
End mill	ULTRATOOL	708473
AxioVision	Zeiss	Version4.8