3Dグラフェン電極誘電泳動デバイスの開発
Summary
ハイスループット電位を有するマイクロデバイスは、新規の材料と三次元（3D）誘電泳動（DEP）を示すために使用される。グラフェンナノ小板紙や両面テープを交互に積層した。 700ミクロンのマイクロウェルは、層に対して横方向に掘削された。ポリスチレンビーズのDEP挙動は、マイクロウェルにおいて実証された。
Abstract
厚さ50μmのグラフェン紙と100μmの両面テープを用いた新規の3D電極マイクロデバイスの設計および製造が記載されている。プロトコルは、汎用性、再利用可能な、複数層積層誘電泳動槽を構築するための手順を詳しく説明します。具体的には、6つの50ミクロン×0.7センチメートル×2センチメートルグラフェン紙の層と、両面テープ5層が交互に積層されたが、スライドガラスにクランプ。次いで、700μmの直径のマイクロウェルは、コンピュータ制御された微細穿孔機を用いて積層構造を貫通して穿孔した。隣接するグラフェン層の間のテープ層の絶縁性、抵抗性試験によって保証された。銀の導電性エポキシは、グラフェン紙の交互の層を接続し、グラフェン紙と外部銅線電極間の安定した接続を形成した。完成した装置は、クランプされ、スライドガラスに封入した。電場勾配をt内でモデル化された彼は、多層デバイス。 6μmのポリスチレンビーズの誘電泳動挙動は、0.0001〜S / mの1.3 S / mの範囲の導電率を有する媒体ディープウェルマイクロ1mmので実証し、10メガヘルツから100 Hzの信号周波数を適用した。負の誘電泳動応答は、導電周波数空間の大部分にわたって3次元で観察され、クロスオーバー周波数の値は、以前に報告された文献値と一致していた。デバイスはそれぞれ、低周波数および高周波数領域において発生した、交流電気浸透や電熱フローを防ぐことはできませんでした。このデバイスで利用されるグラフェン紙は用途が広く、誘電泳動特性化が完了した後に、その後、バイオセンサーとして機能することができる。
Introduction
グラフェンは、その高品質の電子的性質および潜在的な化学的バイオセンサの用途1で知られる小説素材です。グラフェンナノプレートレットは、触媒支持体2、3、4バイオセンサー、スーパーキャパシタ5、グラフェン/ポリアニリンおよびシリコンナノ粒子/グラフェン複合材料6-8を含む複合電極のために使用されている。この原稿は、ユニークな3次元（3D）内の電極は、層状マイクロ流体デバイスとしてグラフェン紙の利用を説明しています。グラフェン紙の電極は、絶縁性両面テープとポリスチレンビーズの3D AC誘電泳動が行われたチャンバー内に穿孔して積層した。
誘電泳動（DEP）は、不均一な電場下での分極性粒子の移動を指す。粒子は、多かれ少なかれ分極周囲の媒体、RESUよりあるとき、正のDEP（PDEP）または負のDEP（NDEP）が発生それぞれ、最強または最弱電場に向けた動きにlting。この非線形の動電学的ツールは、並べ替えトラッピング、および粒子及び9-15生物細胞の同定、分離のために使用されている。偏粒子によって経験される誘電泳動力は、電場勾配、粒子径および形状、導電率及び誘電率を含む粒子の誘電特性、ならびにメディア伝導性及び誘電率の関数である。従来の2次元（2D）DEPにおいて、粒子の移動は、典型的には、微細加工された表面電極との間に形成される電場勾配の主平面にあり;垂直方向の移動は、ほとんどのデバイスの面内方向に比べて無視できる程度である。しかし、3D DEPのための電場勾配のこの3次元を活用することは、より高いサンプルスループットを可能にし、流れがラーベである新しい改良誘電泳動分離を設計するために汎用性を高めRSEフィールドに16、17を勾配。他の特定の設計は、3D絶縁体ベースのDEP 18、DEP 10を電気3Dカーボン電極DEP 13、19、および3Dが含まれています。 3D構造の研究により証明されるように、そのようなデバイスは、より高いスループットを達成するために、連続フローモードで動作させることができる。我々の3D積層装置における3次元粒子移動の観察は、異なる焦点高さで光学顕微鏡を介して周波数及び導電性媒体の関数として達成される。
Fatoyinbo らは、第交互に積層さ30μmのアルミニウム箔と150μmのエポキシ樹脂膜20を用いて電極/絶縁構造積層3DでDEPを報告した。ヒュブナーらは、その後、35ミクロンの銅テープと118ミクロンのポリイミド接着剤21と同じような3D積層電極を設計しました。この作品は3Dウェルデザイン22、23を借用、および独自に密封し、十分な電気シールドを達成し、絶縁層として、導電層と100μmの両面テープとして50μmのグラフェン紙の利便性を利用しています。グラフェンナノプレートレットが同時にこのグループに以前に24を示したバイオセンサーとして作用する能力を有するため、グラフェン紙の汎用性は、3D電極マイクロデバイスのための明確な利点である。
グラフェン紙/ポリマー内で達成磁場勾配は、3Dマイクロデバイスは、マイクロウェルの寸法は、グラフェン紙層と、印加される電界に依存して積層されている。限界寸法は、縦電極間隔（層の厚さを行い、絶縁膜）とマイクロウェルの直径と高さ（積層によって測定）が挙げられる。電気信号は振幅および周波数を介して調整することができる。現在のデバイス構造は、バッチ操作のためであるが、連続フロー装置に合わせて調整することができる。デバイスFABここで説明rication技術は、単に利用グラフェン紙を交換することにより、グラフェンナノ小板特性の多種多様な3次元積層電極を開発するために適している。グラフェン紙を利用する利点は、物理的および化学的特性の多様性、低減費用であり、バイオセンサーがbioanalytes 24の広い範囲を検出するようにグラフェンナノプレートレットが同時に作用することができる。高スループット3D DEPシステムの長期的な目標は、急速な細胞型を25〜27を特定したり、健康な細胞28の集団からの疾患細胞のラベルフリー電気媒介細胞選別を達成することである。本論文では、材料の最適化とイラストと、典型的な結果の分析に続いて、デバイスの準備と操作を示しています。
Protocol
Representative Results
Discussion
この原稿は、新規6グラフェン層と5テープ層のマイクロデバイスを製造するためのプロトコルの詳細について説明します。さらに、デバイスの動作は、固有の、幾何学的に関連する粒子速度分析手法と共に6.08ミクロンのポリスチレンビーズの観察されたDEP挙動を介して図示されている。同等に信頼できる結果を得ながら、非線形動電デバイスを構築するためのこの多目的なアプローチは、電?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
グラフェン紙の寛大な寄付のためのXG科学に感謝します。寛大に私たちは、マイクロ掘削装置を使用させるための博士でフリードリヒに感謝します。特別な感謝は、ビデオを語るためのTayloriaアダムスに拡張されます。
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 |
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