Utvikling av en 3D Graphene elektrode Dielectrophoretic Device

Summary

En microdevice med høy gjennomstrømning potensial anvendes for å demonstrere tre-dimensjonale (3D) dielectrophoresis (DEP) med nye materialer. Graphene nanoplatelet papir og dobbeltsidig tape ble vekselvis stablet; en 700 mikrometer mikro-brønn ble boret på tvers av lagene. DEP oppførsel av polystyren-perler ble vist i mikro-brønn.

Abstract

Design og fabrikasjon av en roman 3D elektrode microdevice bruker 50 mikrometer tykt graphene papir og 100 mikrometer dobbeltsidig tape er beskrevet. Protokollen beskriver prosedyrer for å konstruere en allsidig, gjenbrukbare, flere lag, laminert dielectrophoresis kammer. Nærmere bestemt, ble seks lag 50 mikrometer x 0,7 cm x 2 cm graphene papir og fem lag med dobbeltsidig tape vekselvis stablet sammen, deretter festet til et glass lysbilde. Så en 700 mikrometer diameter mikro-brønnen ble boret gjennom laminert struktur ved hjelp av en datastyrt mikro boring maskin. Isolerende egenskaper av båndlaget mellom tilstøtende graphene lag ble sikret ved motstandstester. Silver ledende epoxy koblet alternative lag av graphene papir og dannet stabile forbindelser mellom graphene papir og eksterne kobbertråd elektroder. Den ferdige enheten ble deretter festet og forseglet til en glass-slide. Den elektriske feltet gradient ble modellert innenfor tHan flerlags enhet. Dielectrophoretic atferd av 6 mikrometer isopor perler ble demonstrert i en mm dypt mikro-Vel, med middels ledningsevne i området fra 0,0001 S / m til 1,3 S / m, og anvendt signalfrekvenser fra 100 Hz til 10 MHz. Negative dielectrophoretic responser ble observert i tre dimensjoner over det meste av den ledningsevne-frekvensplass og cross-over frekvensverdier er i overensstemmelse med tidligere rapporterte litteraturverdier. Enheten har ikke hindre AC electroosmosis og elektrostrømmer, som skjedde i lav og høy frekvens regioner, henholdsvis. Graphene papir benyttes i denne enheten er allsidig og kan deretter fungere som en biosensor etter dielectrophoretic characterizations er fullført.

Introduction

Graphene er en roman materiale som er kjent for sin høye kvalitet elektroniske egenskaper og potensielle kjemiske og biosensor applikasjoner ^en. Graphene nanoplatelets har blitt brukt for katalysator støtte ^{2, 3,} biosensorer ^4, super-kondensatorer ^fem, og kompositt-elektroder inkludert graphene / polyaniline og silisium nanopartikkel / graphene kompositter ^6-8. Denne manuskriptet beskriver utnyttelse av graphene papir som elektroder i en unik tredimensjonal (3D), lagdelte mikrofluidenhet. Graphene papir elektroder ble laminert med isolerende dobbeltsidig tape og et kammer boret innen hvilke 3D AC dielectrophoresis av isopor perler ble utført.

Dielectrophoresis (DEP) refererer til bevegelse av polariser partikler under ikke-uniform elektriske felt. Positive DEP (pDEP) eller negativ DEP (NDEP) oppstår når partiklene er mer eller mindre polariserbar enn det omgivende medium, resulting i bevegelse mot den sterkeste og svakeste elektriske felt, henholdsvis. Denne ikke-lineære elektrokine verktøyet har blitt brukt for separasjon, sortering, fangst, og identifisering av partikler og biologiske celler ^9-15. Den dielectrophoretic kraft som oppleves av en polarisert partikkel er en funksjon av det elektriske felt gradient, partikkelradius og form, partikkel dielektriske egenskaper, inkludert konduktivitet og permittivitet, så vel som medie konduktivitet og permittivitet. I tradisjonell to-dimensjonale (2D) DEP, er partikkelbevegelsen i det primære planet av det elektriske felt gradient typisk dannet mellom microfabricated overflateelektrodene; bevegelse i vertikalretningen er neglisjerbar i forhold til in-plane retninger i de fleste enheter. Men å utnytte denne tredje dimensjonen av elektriske felt gradienter for 3D DEP tillater høyere prøvekapasitet og øker allsidigheten til å utforme nye og forbedrede dielectrophoretic separasjoner der strømmen er traveRSE til feltet bakker ^{16, 17.} Andre spesifikke design inkluderer 3D isolator basert DEP ^18, 3D karbon-elektrode DEP ^{13, 19,} og 3D galvanisering DEP ^10. Som dokumentert av forskning på 3D-strukturer, kan slike enheter brukes i kontinuerlig flyt-modus for å oppnå høyere hastigheter. Observasjon av 3D partikkelbevegelse i vårt lagdelte 3D-enhet oppnås som en funksjon av frekvens og middels ledningsevne via lysmikroskopi ved forskjellige brenn høyder.

Fatoyinbo et al. Først rapportert DEP i en 3D laminert elektrode / isolasjon struktur ved hjelp av alternativt stablet 30 mikrometer aluminiumsfolie og 150 mikrometer epoksyresinprodukter filmer ^20. Hubner et al. Deretter utviklet lignende 3D ​​laminerte elektroder med 35 mikrometer kobber tape og 118 mikrometer polyimid limet ^21. Dette arbeidet låner 3D-brønndesign ^{22, 23}, Og unikt utnytter fordelene med 50 mikrometer graphene papir som de ledende lagene og 100 mikrometer dobbeltsidig tape som isolerende lag, som oppnådde tetting og tilstrekkelig elektrisk skjerming. Graphene papir allsidighet er en klar fordel for 3D-elektrode Microdevices fordi graphene nanoplatelets har muligheten til å samtidig opptre som biosensorer, som denne gruppen tidligere demonstrert ^24.

Felt gradienter oppnådd innenfor graphene papir / polymer laminert 3D Microdevices avhenge av mikrobrønn dimensjoner, graphene papir lag, og anvendt elektriske feltet. Kritiske dimensjoner er den vertikale avstand mellom elektroden (ledende og isolerende lag-tykkelsene) og mikro-brønn diameter og høyde (bestemt av lagene stablet). Det elektriske signalet kan være innstilt via amplitude og frekvens. Den aktuelle enhetsstruktur er for satsvis drift, men kan tilpasses til en kontinuerlig strømningsenhet. Enheten fabfabrikasjonstjenester teknikk som er beskrevet her er egnet til utvikling av 3D laminert elektroder med et bredt utvalg av graphene nanoplatelet egenskaper ganske enkelt ved å skifte ut graphene papir anvendes. Fordeler av å utnytte graphene papir er allsidigheten av fysiske og kjemiske egenskaper, redusert utgift, og graphene nanoplatelets kan samtidig fungere som biosensorer til å oppdage et bredt spekter av bioanalytes ^24. Langsiktige mål av høy gjennomstrømming 3D DEP systemer er å raskt identifisere celletyper ^25-27, eller oppnå label-fri, elektrisk mediert celle sortering av syke celler fra populasjoner av friske celler ^28. Dette papiret demonstrerer materialet optimalisering og forberedelse enhet og drift fulgt av illustrasjon og analyse av typiske resultater.

Protocol

En. Lag en laminert elektrode / isolasjon 3D Structure For en 6 graphene lag, 5 tape lag enhet, skjære graphene papir med en skalpell eller lignende barberblad og rettkantet hersker i seks 0,7 cm x 1,5 cm rektangler og bruke saks til å klippe tosidige trykkfølsom tape i fem 1,3 cm x ~ 5 cm striper. MERK: Som vist i figur 1a, og dette gir da en 3 jordelektroden, 3 AC signal elektrode-enheten. Den 7 mm ledende laget bredden er smal nok til å passe inn i en glass-slide, og bred nok fo…

Representative Results

Dielectrophoretic eksperimenter på 6 mikrometer polystyren perler ble gjennomført i en 0,38 mm 3 sylindrisk mikro-brønnen. Resultatene viser at en 3D laminert graphene papirbasert enhet kan illustrere lignende dielectrophoretic signaturer som 3D metallfolie laminert enheter 20, 21, tradisjonelle 2D metall-elektroden 26, 27 og 2D isolator-enheter 25.. I de følgende eksperimenter, var en 15 V spiss-peak vekselstrømsignalet tilført, og frekvensen ble variert fra …

Discussion

Dette manuskriptet detaljer protokoller for å fabrikkere en roman seks graphene lag og 5 tape lag microdevice. Videre er bruken av enheten illustrert via observerte DEP atferd av 6,08 mikrometer isopor perler sammen med en unik, geometrisk relevant partikkelhastighet analyse tilnærming. Denne allsidige metode for å konstruere ikke-lineære elektrokine enheter er mindre kostbart enn elektroden og fluidic sjikt microfabrication teknikker, samtidig som gir like pålitelige resultater.

Videre…

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