Entwicklung eines 3D-Graphen-Elektroden-Dielektrophoretische Geräte

Summary

Eine Mikrovorrichtung mit hoher Durchsatzpotential verwendet wird, um dreidimensionale (3D) Dielektrophorese (DEP) mit neuen Materialien zu demonstrieren. Graphen nanoplatelet Papier und doppelseitiges Klebeband wurden abwechselnd gestapelt; 700 um ein Mikro-Brunnen wurde quer zu den Schichten gebohrt. DEP Verhalten von Polystyrol-Kügelchen in der Mikro-und demonstriert.

Abstract

Das Design und die Herstellung einer neuartigen 3D-Elektrode Kleinst mit 50 um dicke Graphen-Papier und 100 um doppelseitiges Klebeband beschrieben. Das Protokoll beschreibt die Verfahren, die einen vielseitigen, wiederverwendbar, Mehrschicht-, Schicht Dielektrophorese Kammer bauen. Genauer wurden sechs Schichten von 50 um x 0,7 cm x 2 cm Graphen Papier und fünf Schichten aus doppelseitigem Klebeband abwechselnd aufeinander gestapelt, so eingespannt, um einen Objektträger. Dann wird eine 700 &mgr; m Durchmesser Mikro Vertiefung wurde durch den laminierten Struktur unter Verwendung eines computergesteuerten Mikro Bohrmaschine gebohrt. Isolationseigenschaften der Bandschicht zwischen benachbarten Graphitschichten wurden durch Widerstandstests sichergestellt. Silber leitfähige Epoxidharz verbunden abwechselnden Schichten von Graphen gebildet Papier und stabile Verbindungen zwischen dem Graphen-Papier und externe Kupferdraht-Elektroden. Dann wurde die fertige Vorrichtung eingespannt und auf einen Objektträger versiegelt. Die elektrischen Feldgradienten innerhalb t modellierter Mehrschicht-Gerät. Dielektrophoretische Verhaltensweisen von 6 um Polystyrol-Kügelchen wurden in den 1 mm tief Mikro gut, mit mittleren Leitfähigkeiten im Bereich von 0,0001 S / m auf 1,3 S / m demonstriert und angewendet Signalfrequenzen von 100 Hz bis 10 MHz. Negative dielektrophoretische Antworten wurden in drei Dimensionen über den größten Teil der Leitfähigkeit-Frequenz-Raum, und Übergangsfrequenz Werte konsistent mit zuvor berichteten Literatur Werte beobachtet. Die Vorrichtung nicht verhindern, dass AC Elektroosmose und elektroStröme, die in den niedrigen und hohen Frequenzbereichen aufgetreten sind. Die Graphen-Papier in diesem Gerät verwendet wird, ist vielseitig und kann anschließend als Biosensor funktionieren nach dielektrophoretischer Charakterisierungen vollständig sind.

Introduction

Graphen ist ein neuartiges Material für seine qualitativ hochwertigen elektronischen Eigenschaften und mögliche chemische und Biosensor-Anwendungen ¹ bekannt. Graphen-Nanoplättchen sind für Katalysatorträger ^{2, 3, 4} Biosensoren, Superkondensatoren ^5, und Composite-Elektroden, einschließlich Graphen / Polyanilin und Silizium-Nanopartikel / Graphen-Verbundwerkstoffe ^8.6 verwendet. Diese Handschrift beschreibt Ausnutzung Graphen Papier als Elektroden in einer einzigartigen dreidimensionalen (3D), mehrschichtige Mikrofluid-Vorrichtung. Graphen Papier Elektroden wurden mit isolierenden doppelseitigen Klebeband und einer Kammer gebohrt, in dem 3D-AC Dielektrophorese Polystyrolkügelchen durchgeführt wurde laminiert.

Dielektrophorese (DEP) auf die Bewegung von polarisierbaren Teilchen unter nicht-gleichförmige elektrische Felder. Positive DEP (pDEP) oder negative DEP (nDEP) tritt auf, wenn Teilchen sind mehr oder weniger polarisierbar als das umgebende Medium, resulting in Bewegung in Richtung des stärksten oder schwächsten elektrisches Feld auf. Diese nichtlineare elektro Werkzeug für die Trennung verwendet wurde, Sortieren, Trapping, und Identifizierung von biologischen Teilchen und Zellen ^9-15. Dielektrophoretischen Kraft durch einen polarisierten Teilchen erfahren wird, ist eine Funktion des Gradienten des elektrischen Feldes, Partikel-Radius und Form, Partikel dielektrischen Eigenschaften, einschließlich Leitfähigkeit und Dielektrizitätskonstante als auch der Medien Leitfähigkeit und Dielektrizitätskonstante. In herkömmlichen zweidimensionalen (2D) DEP ist Partikelbewegung in der Hauptebene des elektrischen Feldgradienten typischerweise zwischen mikrogefertigten Oberflächenelektroden ausgebildet ist; Bewegung in der vertikalen Richtung ist im Vergleich zu Richtungen in der Ebene in den meisten Geräten. Jedoch die Nutzung dieses dritten Dimension von elektrischen Feldgradienten für 3D DEP ermöglicht höheren Probendurchsatz und erhöht die Flexibilität, neue und verbesserte dielektrophoretische Trennungen, in dem die Strömung trave entwerfenrse in das Feld Gradienten ^{16, 17.} Weitere spezifische Designs gehören 3D-Isolator-basierte DEP ^18, 3D-Kohlenstoff-Elektrode DEP ^{13, 19,} und 3D-Galvanik DEP ^10. Wie durch die Forschung in 3D-Strukturen belegt, können solche Vorrichtungen im Durchlaufbetrieb betrieben werden, um einen höheren Durchsatz zu erzielen. Die Beobachtung der 3D-Partikelbewegung in unserem geschichtet 3D Gerät wird als Funktion der Frequenz und mittlere Leitfähigkeit über Lichtmikroskopie bei verschiedenen Brenn Höhen erreicht.

Fatoyinbo et al. Berichtete zuerst DEP in einer 3D-laminiert Elektrode / Isolationsstruktur mit abwechselnd gestapelt 30 um Aluminiumfolie und 150 um Epoxyharzfilme ^20. Hubner et al. Dann ähnliche 3D laminierten Elektroden mit 35 um Kupferband und 118 um Polyimid-Klebstoff ²¹ ausgelegt. Diese Arbeit leiht das 3D-Design sowie ^{22, 23}Und eindeutig nutzt die Vorteile von 50 um Graphen Papier als die leitenden Schichten und 100 um doppelseitige Klebeband als die isolierenden Schichten, die eine Abdichtung und eine ausreichende elektrische Abschirmung erzielt. Graphen-Papier Vielseitigkeit ist ein deutlicher Vorteil für die 3D-Elektrodenmikrobauelementen, weil die Graphennanoplättchen haben die Fähigkeit, gleichzeitig als Biosensoren, die diese Gruppe zuvor gezeigt, ²⁴ zu handeln.

Die Feldgradienten innerhalb der Graphen-Papier / Polymer erreicht laminiert 3D-Mikrobauelementen, hängt von den Mikroabmessungen, der Graphenpapierschichten und des angelegten elektrischen Feldes. Kritische Dimensionen sind die vertikalen Elektrodenabstand (leitenden und isolierenden Schichtdicken) und Mikro-sowie Durchmesser und Höhe (von Schichten gestapelt bestimmt). Das elektrische Signal kann über Amplitude und Frequenz abgestimmt werden. Die aktuelle Vorrichtungsstruktur ist für Chargenbetrieb, sondern kann auf einer kontinuierlichen Strömungsvorrichtung angepasst werden. Das Gerät fabhier beschriebenen rication Technik ist geeignet für die Entwicklung von 3D-Schichtelektroden mit einer Vielzahl von Graphen nanoplatelet Eigenschaften durch einfachen Austausch des Graphen-Papier verwendet. Vorteile der Verwendung von Graphen-Papier sind Vielseitigkeit der physikalischen und chemischen Eigenschaften, reduzierte Kosten und die Graphen-Nanoplättchen können gleichzeitig agieren als Biosensoren eine breite Palette von Bioanalyten ²⁴ zu erkennen. Langfristige Ziele der Hochdurchsatz-3D-DEP-Systeme sind schnell zu identifizieren Zelltypen ^25-27, oder erreichen markierungsfreie, elektrisch vermittelte Zellsortierung von kranken Zellen aus Populationen von gesunden Zellen ^28. Dieses Papier zeigt die Materialoptimierung und Geräte Vorbereitung und Betrieb, gefolgt von Darstellung und Analyse von typischen Ergebnisse.

Protocol

1. Fertigen Sie ein Verbund Elektrode / Isolierung 3D-Struktur Bei einem 6 Graphenschicht, 5-Band-Schicht-Gerät, schneiden Graphen-Papier mit einem Skalpell oder ähnliche Rasierklinge und dem Lineal in sechs 0,7 cm x 1,5 cm Rechtecke und mit einer Schere doppelseitige Haftklebeband in fünf 1,3 cm geschnitten ~ x 5 cm Streifen. HINWEIS: Wie in 1a gezeigt, ergibt dies eine Masseelektrode 3, 3 AC-Signal Elektrodeneinrichtung. Die 7 mm Breite leitende Schicht ist schmal genug, um auf ei…

Representative Results

Dielektrophoretische Experimente auf 6 um Polystyrol-Kügelchen wurden in einem 0,38 mm 3 zylindrische Mikro gut durchgeführt. Die Ergebnisse zeigen, dass ein 3D-Graphen laminiert Papier-basierten Gerät kann ähnlich dielektrophoretischer Signaturen als 3D-Metallfolie laminiert Vorrichtungen 20, 21, traditionellen 2D-Metall-Elektrode 26, 27 2D-Isolator-Vorrichtungen 25 veranschaulichen, und. In den folgenden Versuchen wurde eine 15 V Spitze-Spitze-AC-Signal angele…

Discussion

Dieses Manuskript Details Protokolle für die Herstellung eines neuartigen Graphenschicht 6 und 5 Bandschicht Kleinst. Weiterhin ist die Bedienung über Geräte beobachteten DEP Verhaltensweisen von 6,08 um Polystyrol-Kügelchen mit einem einzigartigen, geometrisch relevanten Partikelgeschwindigkeit Analyseansatz veranschaulicht. Dieses vielseitige Ansatz zur nichtlinearen elektrokinetische Geräte konstruieren, ist weniger kostspielig als Elektrode und fluidische Schicht Mikrofabrikationstechniken, während was gleiche…

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