एक 3 डी ग्राफीन इलेक्ट्रोड Dielectrophoretic डिवाइस के विकास

Summary

उच्च throughput क्षमता के साथ एक microdevice उपन्यास सामग्री के साथ तीन आयामी (3 डी) dielectrophoresis (रवानगी) प्रदर्शित करने के लिए प्रयोग किया जाता है. ग्राफीन nanoplatelet कागज और दो तरफा टेप बारी – बारी से खड़ी कर रहे थे; एक 700 माइक्रोन सूक्ष्म अच्छी तरह परतों को अनुप्रस्थ drilled किया गया था. Polystyrene मनकों की रवानगी व्यवहार सूक्ष्म कुएं में प्रदर्शन किया गया.

Abstract

50 माइक्रोन मोटी graphene कागज और 100 माइक्रोन दो तरफा टेप का उपयोग कर एक उपन्यास 3D इलेक्ट्रोड microdevice के डिजाइन और निर्माण में वर्णित है. प्रोटोकॉल एक बहुमुखी, पुन: प्रयोज्य, कई परत, टुकड़े टुकड़े में dielectrophoresis कक्ष के निर्माण के लिए प्रक्रियाओं का विवरण. विशेष रूप से, एक्स 0.7 सेमी x 2 सेमी graphene कागज 50 माइक्रोन और दो तरफा टेप के पांच परतों के छह परतों बारी – बारी से एक साथ खड़ी कर रहे थे, तो एक गिलास स्लाइड पर clamped. फिर एक 700 माइक्रोन व्यास सूक्ष्म अच्छी तरह से एक कंप्यूटर नियंत्रित सूक्ष्म ड्रिलिंग मशीन का उपयोग कर टुकड़े टुकड़े संरचना के माध्यम से drilled किया गया था. आसन्न graphene परतों के बीच टेप की परत इन्सुलेट गुणों प्रतिरोध परीक्षण द्वारा आश्वासन दिया गया था. चांदी प्रवाहकीय epoxy graphene कागज के वैकल्पिक परतों जुड़े और graphene कागज और बाहरी तांबा तार इलेक्ट्रोड के बीच स्थिर कनेक्शन का गठन. समाप्त डिवाइस तो clamped और एक गिलास स्लाइड को सील किया गया. बिजली के क्षेत्र ढाल टी के भीतर मॉडलिंग की थीवह बहु परत डिवाइस. 6 माइक्रोन polystyrene मनकों की Dielectrophoretic व्यवहार 0.0001 से एस / एम 1.3 एस / एम से लेकर मध्यम conductivities साथ गहरी सूक्ष्म अच्छी तरह से 1 मिमी, में प्रदर्शन किया, और 10 मेगाहर्ट्ज के लिए 100 हर्ट्ज से संकेत आवृत्तियों लागू किया गया. नकारात्मक dielectrophoretic प्रतिक्रियाओं आवृत्ति मूल्यों जैसा कि पहले बताया साहित्य मूल्यों के साथ संगत कर रहे हैं चालकता आवृत्ति अंतरिक्ष और क्रॉस ओवर की सबसे अधिक तीन आयामों में मनाया गया. डिवाइस एसी electroosmosis और electrothermal निम्न और उच्च आवृत्ति क्षेत्रों में हुई बहती है,, क्रमशः रोकने नहीं किया. इस डिवाइस में उपयोग graphene कागज बहुमुखी है और dielectrophoretic अभिलक्षण पूरा कर रहे हैं के बाद बाद में एक biosensor के रूप में कार्य कर सके.

Introduction

ग्राफीन अपने उच्च गुणवत्ता इलेक्ट्रॉनिक गुणों और संभावित रासायनिक और biosensor आवेदनों ¹ के लिए जाना जाता है एक उपन्यास सामग्री है. ग्राफीन nanoplatelets उत्प्रेरक समर्थन ^{2, 3,} biosensors ^4, सुपर capacitors ^5, और graphene / polyaniline और सिलिकॉन nanoparticle / graphene कंपोजिट ^6-8 सहित समग्र इलेक्ट्रोड के लिए इस्तेमाल किया गया है. इस पांडुलिपि एक अद्वितीय तीन आयामी (3 डी) में इलेक्ट्रोड, स्तरित microfluidic डिवाइस के रूप में graphene कागज के उपयोग का वर्णन करता है. ग्राफीन कागज इलेक्ट्रोड रोधन दो तरफा टेप और polystyrene मनकों की 3 डी एसी dielectrophoresis प्रदर्शन किया गया था, जो भीतर drilled एक कक्ष के साथ टुकड़े टुकड़े किए गए थे.

Dielectrophoresis (रवानगी) गैर वर्दी बिजली क्षेत्र के अंतर्गत polarizable कणों के आंदोलन को दर्शाता है. कणों अधिक या कम polarizable मध्यम आसपास, resu से कर रहे हैं जब सकारात्मक रवानगी (pDEP) या नकारात्मक रवानगी (nDEP) होता हैक्रमशः, मजबूत या सबसे कमजोर बिजली के क्षेत्र की ओर आंदोलन में lting. इस nonlinear electrokinetic उपकरण, छँटाई फँसाने, और कणों और जैविक कोशिकाओं ^9-15 की पहचान, अलग होने के लिए इस्तेमाल किया गया है. एक polarized कण द्वारा अनुभवी dielectrophoretic बल बिजली के क्षेत्र ढाल, कण त्रिज्या और आकार, चालकता और permittivity सहित कण ढांकता हुआ गुण, साथ ही मीडिया चालकता और permittivity के एक समारोह है. परंपरागत दो आयामी (2 डी) रवानगी में, कण आंदोलन आम तौर पर microfabricated सतह इलेक्ट्रोड के बीच का गठन बिजली के क्षेत्र ढाल के प्राथमिक विमान में है; ऊर्ध्वाधर दिशा में आंदोलन सबसे उपकरणों में में विमान दिशाओं की तुलना में नगण्य है. हालांकि, 3 डी रवानगी के लिए बिजली के क्षेत्र ढ़ाल के इस तीसरे आयाम दोहन उच्च throughput नमूना के लिए अनुमति देता है और प्रवाह trave है जिसमें नए और बेहतर dielectrophoretic विभाजन डिजाइन करने के लिए बहुमुखी प्रतिभा बढ़ जाती हैक्षेत्र को RSE ^{16, 17} gradients. अन्य विशिष्ट डिजाइन 3 डी इन्सुलेटर आधारित रवानगी ^18, 3 डी कार्बन इलेक्ट्रोड रवानगी ^{13, 19,} और रवानगी ¹⁰ विद्युत 3 डी में शामिल हैं. 3 डी संरचनाओं में अनुसंधान से सबूत के रूप में, इस तरह के उपकरणों उच्च throughputs प्राप्त करने के लिए सतत प्रवाह मोड में संचालित किया जा सकता है. हमारे स्तरित 3 डी डिवाइस में 3 डी कण आंदोलन के अवलोकन से अलग फोकल ऊंचाइयों पर प्रकाश माइक्रोस्कोपी के माध्यम आवृत्ति और मध्यम चालकता के एक समारोह के रूप में हासिल की है.

Fatoyinbo एट अल. पहले वैकल्पिक रूप से खड़ी 30 माइक्रोन एल्यूमीनियम पन्नी और 150 माइक्रोन epoxy राल फिल्मों ^{में 20} का उपयोग कर इलेक्ट्रोड / इन्सुलेशन संरचना टुकड़े टुकड़े में एक 3 डी में रवानगी की सूचना दी. Hübner एट अल. तो 35 माइक्रोन तांबे टेप और 118 माइक्रोन Polyimide चिपकने वाला ²¹ के साथ इसी तरह 3 डी टुकड़े टुकड़े में इलेक्ट्रोड बनाया गया. यह काम 3 डी अच्छी तरह से डिजाइन ^{22, 23} उधार लेता है, और विशिष्ट सील और पर्याप्त बिजली के परिरक्षण हासिल की जो इन्सुलेट परत के रूप में आयोजित करने परतों और 100 माइक्रोन डबल पक्षीय टेप के रूप में 50 माइक्रोन graphene कागज की सुविधा का इस्तेमाल करता. Graphene nanoplatelets समवर्ती इस समूह पहले ²⁴ जो प्रदर्शन biosensors के रूप में कार्य करने की क्षमता है क्योंकि ग्राफीन कागज बहुमुखी प्रतिभा 3D इलेक्ट्रोड microdevices के लिए एक विशिष्ट लाभ है.

graphene कागज / बहुलक के भीतर प्राप्त क्षेत्र ढ़ाल 3D microdevices सूक्ष्म अच्छी तरह आयाम, graphene कागज परतों, और आवेदन बिजली क्षेत्र पर निर्भर टुकड़े टुकड़े में. महत्वपूर्ण आयाम खड़ी इलेक्ट्रोड रिक्ति (परत मोटाई का आयोजन और इन्सुलेट) और सूक्ष्म अच्छी तरह व्यास और ऊंचाई (खड़ी परतें द्वारा निर्धारित) शामिल हैं. बिजली संकेत आयाम और आवृत्ति के माध्यम से देखते जा सकता है. वर्तमान डिवाइस संरचना बैच ऑपरेशन के लिए है, लेकिन एक सतत प्रवाह डिवाइस के अनुरूप किया जा सकता है. डिवाइस फैबयहाँ वर्णित rication तकनीक 3 डी बस उपयोग graphene कागज का आदान प्रदान से graphene nanoplatelet संपत्तियों की एक विस्तृत विविधता के साथ इलेक्ट्रोड टुकड़े टुकड़े के विकास के लिए उपयुक्त है. Graphene कागज के उपयोग के लाभ भौतिक और रासायनिक गुणों की चंचलता, कम खर्च कर रहे हैं, और biosensors bioanalytes ²⁴ की एक विस्तृत श्रृंखला का पता लगाने के रूप में graphene nanoplatelets समवर्ती कार्य कर सकते हैं. उच्च throughput 3D रवानगी सिस्टम की लंबी अवधि के लक्ष्यों को तेजी से सेल प्रकार ^25-27 की पहचान, या स्वस्थ कोशिकाओं ²⁸ की आबादी से रोगग्रस्त कोशिकाओं के लेबल से मुक्त, विद्युत मध्यस्थता सेल छँटाई प्राप्त करने के लिए कर रहे हैं. इस कागज सामग्री अनुकूलन और चित्रण और ठेठ परिणामों के विश्लेषण के बाद डिवाइस तैयार करने और आपरेशन को दर्शाता है.

Protocol

1. एक टुकड़े टुकड़े में इलेक्ट्रोड / इन्सुलेशन 3 डी संरचना निर्माण करना एक 6 graphene परत के लिए, 5 टेप परत डिवाइस, छह 0.7 सेमी x 1.5 सेमी आयतों में एक छुरी या इसी तरह की धार और सीधे धार शासक के साथ graphene कागज काटने और पा…

Representative Results

6 माइक्रोन polystyrene मनकों पर Dielectrophoretic प्रयोगों एक 0.38 एमएम 3 बेलनाकार सूक्ष्म कुएं में आयोजित की गई. परिणाम एक 3 डी graphene कागज आधारित डिवाइस 3D धातु पन्नी टुकड़े टुकड़े में उपकरणों के 20, 21, पारंपरिक 2D धातु इलेक?…

Discussion

इस पांडुलिपि एक उपन्यास 6 graphene परत और 5 टेप परत microdevice fabricating के लिए प्रोटोकॉल का विवरण. इसके अलावा, डिवाइस आपरेशन एक अनूठा, ज्यामितीय प्रासंगिक कण वेग विश्लेषण दृष्टिकोण के साथ 6.08 माइक्रोन polystyrene मोती मनाया रवान…

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