Summary

Développement d'un périphérique 3D graphène électrode diélectrophorétiques

Published: June 22, 2014
doi:

Summary

Un micro-dispositif à fort potentiel de débit est utilisé pour démontrer en trois dimensions (3D) diélectrophorèse (DEP) avec de nouveaux matériaux. papier nanoplatelet de graphène et ruban adhésif double face ont été empilées en alternance; un micro-puits de 700 um a été foré transversalement par rapport aux couches. DEP comportement de billes de polystyrène a été démontrée dans le micro-puits.

Abstract

La conception et la fabrication d'un nouveau micro-dispositif d'électrode de 3D à l'aide de 50 um d'épaisseur papier graphène et 100 um ruban adhésif double face est décrite. Le protocole décrit les procédures pour construire un, réutilisables, couches multiples polyvalent, chambre de diélectrophorèse stratifié. Plus précisément, six couches de 50 pm x 0,7 cm x 2 cm de papier de graphène et cinq couches de ruban adhésif double face ont été alternativement empilées, puis serrés sur une lame de verre. Ensuite, un micro-um de diamètre et 700 a été foré à travers la structure laminée en utilisant une machine de forage commandé par micro-ordinateur. Propriétés isolantes de la couche de ruban adhésif entre les couches de graphène adjacentes ont été assurés par des tests de résistance. Argent époxy conductrice reliée couches alternées de papier graphène et formé des connexions stables entre le papier graphène et des électrodes de fil de cuivre externes. Le dispositif fini est ensuite serré et scellé sur une lame de verre. Le gradient de champ électrique a été modélisé dans til dispositif à couches multiples. Comportements diélectrophorétiques de 6 um billes de polystyrène ont été démontrées dans les 1 mm de profondeur des micro-puits, avec des conductivités moyennes allant de 0,0001 S / m à 1,3 S / m, et appliqués fréquences de signal de 100 Hz à 10 MHz. Réponses diélectrophorétiques négatifs ont été observés en trois dimensions sur la plupart de l'espace conductivité fréquence et cross-over valeurs de fréquence sont conformes aux valeurs de la littérature précédemment rapportés. Le dispositif n'a pas empêché AC électroosmose et électrothermiques flux, qui se sont produits dans les régions basses et hautes fréquences, respectivement. Le document de graphène utilisés dans cet appareil est polyvalent et pourrait ensuite fonctionner comme un biocapteur après caractérisations diélectrophorétiques sont complets.

Introduction

Le graphène est un nouveau matériau connu pour ses propriétés électroniques de haute qualité et chimiques et biocapteurs applications potentielles 1. nanoplaquettes de graphène ont été utilisés pour support de catalyseur 2, 3, 4, biocapteurs super-condensateurs 5 et composites électrodes dont le graphène / polyaniline et composites nanoparticules de silicium / graphène 6-8. Ce manuscrit décrit l'utilisation de papier de graphène comme électrodes dans un cadre unique en trois dimensions (3D), dispositif microfluidique couches. Électrodes en papier graphène ont été stratifiées avec du ruban adhésif double-face isolante et une chambre percé dans lequel diélectrophorèse 3D AC de billes de polystyrène a été réalisée.

Diélectrophorèse (DEP) se réfère au mouvement des particules polarisables sous champs électriques non-uniformes. DEP positive (pDEP) ou DEP négative (nDEP) se produit quand les particules sont plus ou moins polarisable que le milieu, resu environslting en mouvement vers le champ électrique plus forte ou plus faible, respectivement. Cet outil électrocinétique non linéaire a été utilisée pour la séparation, le tri, le piégeage et l'identification des particules et des cellules biologiques 9-15. La force diélectrophorétique subie par une particule polarisée est une fonction du gradient de champ électrique, le rayon et la forme de particules, de particules dont les propriétés diélectriques de permittivité et la conductivité, ainsi que la conductivité du support et de la permittivité. En deux dimensions (2D) DEP traditionnelle, le mouvement des particules est dans le plan principal du gradient de champ électrique généralement formé entre des électrodes de surface micro-usinés; déplacement dans la direction verticale est négligeable par rapport à des directions dans le plan dans la plupart des dispositifs. Cependant, l'exploitation de cette troisième dimension de gradients de champ électrique pour 3D DEP permet un débit plus élevé de l'échantillon et augmente la polyvalence de concevoir de nouveaux et améliorés séparations diélectrophorétiques dans lequel le flux est traverse au champ des gradients 16, 17. D'autres conceptions spécifiques comprennent 3D DEP isolant-18, carbone-électrode 3D ​​DEP 13, 19, et 3D galvanoplastie DEP 10. Comme le montre la recherche de structures 3D, de tels dispositifs peuvent être exploités en mode de flux continu d'atteindre des débits plus élevés. Observation du mouvement des particules 3D dans notre dispositif 3D en couches est réalisée en fonction de la fréquence et de la conductivité moyenne par microscopie optique à des hauteurs différentes focales.

Fatoyinbo et al. Premier DEP rapporté dans une structure de stratifié 3D électrode / isolant en utilisant alternativement empilés 30 um feuille d'aluminium et 150 um époxy films de résine 20. Hubner et al. Ont ensuite conçu électrodes stratifiés similaires 3D avec 35 um ruban de cuivre et 118 um polyimide adhésif 21. Ce travail emprunte la conception 3D et 22, 23, Et utilise uniquement la commodité de 50 um papier de graphène comme les couches conductrices et 100 um scotch double-face que les couches isolantes, qui ont réalisé étanchéité et protection électrique suffisante. Le graphène papier polyvalence est un avantage certain pour microdevices d'électrodes 3D parce que les nanoplaquettes de graphène ont la capacité d'agir en même temps comme biocapteurs, qui ce groupe déjà démontré 24.

Les gradients de champ obtenus dans le graphène papier / polymère laminées microsystèmes 3D dépendent des dimensions micro-puits, les couches de papier de graphène, et le champ électrique appliqué. Dimensions critiques comprennent l'espacement vertical de l'électrode (conducteur et isolant des épaisseurs de couche) et le diamètre des micro-puits et la hauteur (déterminée par couches superposées). Le signal électrique peut être réglé par l'intermédiaire de l'amplitude et de la fréquence. La structure du dispositif est en cours de fonctionnement par lots, mais peut être adaptée à un dispositif à écoulement continu. L'usine de fabrication de dispositiftechnique de rication décrit ici est approprié pour le développement 3D stratifiée électrodes avec une grande variété de propriétés de graphène nanoplatelet simplement en échangeant le papier de graphène utilisés. Avantages de l'utilisation du papier de graphène sont la polyvalence des propriétés physiques et chimiques, frais réduits, et les nanoplaquettes de graphène peuvent simultanément agir comme biocapteurs pour détecter un large éventail de bioanalytes 24. Les objectifs à long terme des systèmes de DEP 3D à haut débit sont d'identifier rapidement les types de cellules 25-27, ou d'atteindre sans étiquette, tri cellulaire médiée électriquement des cellules malades de populations de cellules saines 28. Cet article démontre l'optimisation des matériaux et la préparation de l'appareil et de l'exploitation suivie par l'illustration et l'analyse des résultats typiques.

Protocol

1. Fabriquer une structure 3D laminé électrode / isolant Pour une couche 6 de graphène, 5 dispositif de couche de bande, coupe papier graphène avec un scalpel ou une lame de rasoir similaire et une règle à bord droit en six 0,7 cm x 1,5 rectangles cm et utiliser des ciseaux pour couper un ruban double face sensible à la pression en cinq 1,3 cm x ~ 5 cm rayures. NOTE: Comme le montre la figure 1a, on obtient une électrode 3 au sol, 3 dispositif d'électrode de signal AC. Le …

Representative Results

Expériences diélectrophorétiques sur 6 um billes de polystyrène ont été menées dans un 0,38 mm 3 cylindrique micro-bien. Les résultats démontrent que 3D laminé dispositif à base de papier graphène peut illustrer signatures diélectrophorétiques similaires en tant que dispositifs feuille de métal 3D de stratifiés 20, 21, 2D métal-électrode traditionnelle 26, 27, et des dispositifs d'isolateurs 2D 25. Dans les expériences suivantes, un signal de courant alt…

Discussion

Ce manuscrit détails des protocoles de fabrication d'une couche de graphène roman 6 et 5 couches de ruban microdispositif. En outre, le fonctionnement du dispositif est illustré par des comportements observés DEP de 6,08 um billes de polystyrène avec une approche d'analyse de la vitesse des particules unique, géométriquement pertinente. Cette approche polyvalente pour construire des dispositifs électrocinétiques non linéaires est moins coûteuse que l'électrode et techniques couche de micro fluidi…

Divulgations

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Merci à Sciences XG pour les dons généreux de papier graphène. Merci au Dr C. Friedrich pour laisser généreusement nous utilisons de l'équipement micro-forage. Un merci spécial est porté à Tayloria Adams pour raconter la vidéo.

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

References

  1. Geim, A. K., Novoselov, K. S. The rise of graphene. Nature Materials. 6 (3), 183-191 (2007).
  2. Jafri, R. I., Rajalakshmi, N., Ramaprabhu, S. Nitrogen doped graphene nanoplatelets as catalyst support for oxygen reduction reaction in proton exchange membrane fuel cell. Journal of Materials Chemistry. 20 (34), 7114-7117 (2010).
  3. Kavan, L., Yum, J. H., Gratzel, M. Graphene Nanoplatelets Outperforming Platinum as the Electrocatalyst in Co-Bipyridine-Mediated Dye-Sensitized Solar Cells. Nano Letters. 11 (12), 5501-5506 (2011).
  4. Aravind, S. S. J., Baby, A. T. T., Arockiadoss, T., Rakhi, R. B., Ramaprabhu, S. A cholesterol biosensor based on gold nanoparticles decorated functionalized graphene nanoplatelets. Thin Solid Films. 519 (16), 5667-5672 (2011).
  5. Si, P., Ding, S. J., Lou, X. W., Kim, D. H. An electrochemically formed three-dimensional structure of polypyrrole/graphene nanoplatelets for high-performance supercapacitors. Rsc Advances. 1 (7), 1271-1278 (2011).
  6. Wang, D. -. W., et al. Fabrication of Graphene/Polyaniline Composite Paper via In Situ Anodic Electropolymerization for High-Performance Flexible Electrode. ACS Nano. 3 (7), 1745-1752 (2009).
  7. Lee, J. K., Smith, K. B., Hayner, C. M., Kung, H. H. Silicon nanoparticles-graphene paper composites for Li ion battery anodes. Chem Commun (Camb). 46 (12), 2025-2027 (2010).
  8. Kavan, L., Yum, J. H., Gratzel, M. Optically Transparent Cathode for Dye-Sensitized Solar Cells Based on Graphene Nanoplatelets. ACS Nano. 5 (1), 165-172 (2011).
  9. Martinez-Duarte, R. Microfabrication technologies in dielectrophoresis applications–a review. Electrophoresis. 33 (21), 3110-3132 (2012).
  10. Yamamoto, M., et al. Patterning with particles using three-dimensional interdigitated array electrodes with negative dielectrophoresis and its application to simple immunosensing. Electrochimica Acta. 82, 35-42 (2012).
  11. Doh, I., Kim, Y., Cho, Y. H. A particle trapping chip using the wide and uniform slit formed by a deformable membrane with air bubble plugs. Current Applied Physics. 13 (5), 902-906 (2013).
  12. Lin, S. C., Lu, J. C., Sung, Y. L., Lin, C. T., Tung, Y. C. A low sample volume particle separation device with electrokinetic pumping based on circular travelling-wave electroosmosis. Lab on a Chip. 13 (15), 3082-3089 (2013).
  13. Martinez-Duarte, R., Camacho-Alanis, F., Renaud, P., Ros, A. Dielectrophoresis of lambda-DNA using 3D carbon electrodes. Electrophoresis. 34 (7), 1113-1122 (2013).
  14. Yang, S. M., Tseng, S. Y., Chen, H. P., Hsu, L., Liu, C. H. Cell patterning via diffraction-induced optoelectronic dielectrophoresis force on an organic photoconductive chip. Lab on a Chip. 13 (19), 3893-3902 (2013).
  15. Srivastava, S. K., Gencoglu, A., Minerick, A. R. DC insulator dielectrophoretic applications in microdevice technology: a review. Anal Bioanal Chem. 399 (1), 301-321 (2011).
  16. Liao, S. H., Cheng, I. F., Chang, H. C. Precisely sized separation of multiple particles based on the dielectrophoresis gradient in the z-direction. Microfluidics and Nanofluidics. 12 (1-4), 1-4 (2012).
  17. Bajaj, P., Marchwiany, D., Duarte, C., Bashir, R. Patterned three-dimensional encapsulation of embryonic stem cells using dielectrophoresis and stereolithography. Adv Healthc Mater. 2 (3), 450-458 (2013).
  18. Braff, W. A., Pignier, A., Buie, C. R. High sensitivity three-dimensional insulator-based dielectrophoresis. Lab Chip. 12 (7), 1327-1331 (2012).
  19. Martinez-Duarte, R., Gorkin 3rd, R. A., Abi-Samra, K., Madou, M. J. The integration of 3D carbon-electrode dielectrophoresis on a CD-like centrifugal microfluidic platform. Lab Chip. 10 (8), 1030-1043 (2010).
  20. Fatoyinbo, H. O., Kamchis, D., Whattingham, R., Ogin, S. L., Hughes, M. P. A high-throughput 3-D composite dielectrophoretic separator. Ieee Transactions on Biomedical Engineering. 52 (7), 1347-1349 (2005).
  21. Hubner, Y., Hoettges, K. F., Kass, G. E. N., Ogin, S. L., Hughes, M. P. Parallel measurements of drug actions on Erythrocytes by dielectrophoresis, using a three-dimensional electrode design. Iee Proceedings-Nanobiotechnology. 152 (4), 150-154 (2005).
  22. Abdul Razak, M. A., Hoettges, K. F., Fatoyinbo, H. O., Labeed, F. H., Hughes, M. P. Efficient dielectrophoretic cell enrichment using a dielectrophoresis-well based system. Biomicrofluidics. 7 (6), (2013).
  23. Hughes, M. P. . O. S., Hoettges, K. F., Wattingham, R. . Device for Dielectrophoretic Manipulation of Particles. , (2005).
  24. Heldt, C. L., et al. Stacked graphene nanoplatelet paper sensor for protein detection. . Sensors and Actuators B-Chemica. 181, 92-98 (2013).
  25. Srivastava, S. K., Artemiou, A., Minerick, A. R. Direct current insulator-based dielectrophoretic characterization of erythrocytes: ABO-Rh human blood typing. Electrophoresis. 32 (18), 2530-2540 (2011).
  26. Leonard, K. M., Minerick, A. R. Explorations of ABO-Rh antigen expressions on erythrocyte dielectrophoresis: Changes in cross-over frequency. Electrophoresis. 32 (18), 2512-2522 (2011).
  27. Srivastava, S. K., Daggolu, P. R., Burgess, S. C., Minerick, A. R. Dielectrophoretic characterization of erythrocytes: Positive ABO blood types. Electrophoresis. 29 (24), 5033-5046 (2008).
  28. Minerick, A. R. The rapidly growing field of micro and nanotechnology to measure living cells. AIChE Journal. 54 (9), 2230-2237 (2008).
  29. Garza-Garcia, L. D., Perez-Gonzalez, V. H., Perez-Sanchez, O. A., Lapizco-Encinas, B. H. Electrokinetic Mobilities Characterization and Rapid Detection of Microorganisms in Glass Microchannels. Chemical Engineering & Technology. 34 (3), 371-378 (2011).
  30. Lopez-de la Fuente, M. S., et al. An electric stimulation system for electrokinetic particle manipulation in microfluidic devices. Rev Sci Instrum. 84 (3), (2013).
  31. Chen, D. F., Du, H., Li, W. H. A 3D paired microelectrode array for accumulation and separation of microparticles. Journal of Micromechanics and Microengineering. 16 (7), 1162-1169 (2006).
  32. Chu, H., Doh, I., Cho, Y. H. A three-dimensional (3D) particle focusing channel using the positive dielectrophoresis (pDEP) guided by a dielectric structure between two planar electrodes. Lab on a Chip. 9 (5), 686-691 (2009).
  33. Millet, L. J., Park, K., Watkins, N. N., Hsia, K. J., Bashir, R. Separating beads and cells in multi-channel microfluidic devices using dielectrophoresis and laminar flow. J Vis Exp. , (2011).
  34. Weiss, N. G., et al. Dielectrophoretic mobility determination in DC insulator-based dielectrophoresis. Electrophoresis. 32 (17), 2292-2297 (2011).
  35. Auerswald, J., Knapp, H. F. Quantitative assessment of dielectrophoresis as a micro fluidic retention and separation technique for beads and human blood erythrocytes. Microelectronic Engineering. 67-8, 879-886 (2003).
  36. Park, S., Zhang, Y., Wang, T. H., Yang, S. Continuous dielectrophoretic bacterial separation and concentration from physiological media of high conductivity. Lab on a Chip. 11 (17), 2893-2900 (2011).
  37. Sun, T., Holmes, D., Gawad, S., Green, N. G., Morgan, H. High speed multi-frequency impedance analysis of single particles in a microfluidic cytometer using maximum length sequences. Lab on a Chip. 7 (8), 1034-1040 (2007).
  38. Hughes, M. P., Morgan, H. Dielectrophoretic Characterization and Separation of Antibody-Coated Submicrometer Latex Spheres. Analytical Chemistry. 71 (16), 3441-3445 (1999).
  39. Liang, W. F., et al. Simultaneous separation and concentration of micro- and nano-particles by optically induced electrokinetics. Sensors and Actuators a-Physical. 193, 103-111 (2013).
  40. White, C. M., Holland, L. A., Famouri, P. Application of capillary electrophoresis to predict crossover frequency of polystyrene particles in dielectrophoresis. Electrophoresis. 31 (15), 2664-2671 (2010).
  41. Wu, J., Ben, Y. X., Battigelli, D., Chang, H. C. Long-range AC electroosmotic trapping and detection of bioparticles. Industrial & Engineering Chemistry Research. 44 (8), 2815-2822 (2005).
  42. Zhou, H., White, L. R., Tilton, R. D. Lateral separation of colloids or cells by dielectrophoresis augmented by AC electroosmosis. J Colloid Interface Sci. 285 (1), 179-191 (2005).
  43. Green, N. G., Ramos, A., Gonzalez, A., Morgan, H., Castellanos, A. Fluid flow induced by nonuniform ac electric fields in electrolytes on microelectrodes I. Experimental measurements. Phys Rev E Stat Phys Plasmas Fluids Relat Interdiscip Topics. 61 (4 Pt B), 4011-4018 (2000).
  44. Green, N. G., Ramos, A., Gonzalez, A., Castellanos, A., Morgan, H. Electrothermally induced fluid flow on microelectrodes. Journal of Electrostatics. 53 (2), 71-87 (2001).
  45. Gonzalez, A., Ramos, A., Morgan, H., Green, N. G., Castellanos, A. Electrothermal flows generated by alternating and rotating electric fields in microsystems. Journal of Fluid Mechanics. 564, 415-433 (2006).
  46. Park, S., Koklu, M., Beskok, A. Particle trapping in high-conductivity media with electrothermally enhanced negative dielectrophoresis. Anal Chem. 81 (6), 2303-2310 (2009).
  47. Sin, M. L., Gau, V., Liao, J. C., Wong, P. K. Electrothermal Fluid Manipulation of High-Conductivity Samples for Laboratory Automation Applications. JALA Charlottesv Va. 15 (6), 426-432 (2010).
  48. Liao, S. -. H., Cheng, I. F., Chang, H. -. C. Precisely sized separation of multiple particles based on the dielectrophoresis gradient in the z-direction. Microfluidics and Nanofluidics. 12 (1-4), 201-211 (2012).
  49. Gencoglu, A., Minerick, A. Chemical and morphological changes on platinum microelectrode surfaces in AC and DC fields with biological buffer solutions. Lab on a Chip. 9 (13), 1866-1873 (2009).
  50. Bocchi, M., et al. Dielectrophoretic trapping in microwells for manipulation of single cells and small aggregates of particles. Biosensors & Bioelectronics. 24 (5), 1177-1183 (2009).
  51. Li, P., Stratton, Z. S., Dao, M., Ritz, J., Huang, T. J. Probing circulating tumor cells in microfluidics. Lab on a Chip. , (2013).
  52. Rimmele, T., Kellum, J. A. Clinical review: Blood purification for sepsis. Critical Care. 15 (1), (2011).

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Citer Cet Article
Xie, H., Tewari, R., Fukushima, H., Narendra, J., Heldt, C., King, J., Minerick, A. R. Development of a 3D Graphene Electrode Dielectrophoretic Device. J. Vis. Exp. (88), e51696, doi:10.3791/51696 (2014).

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