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공학

Sviluppo di un dispositivo 3D grafene elettrodi dielettroforetiche

Published: June 22, 2014
doi:
10.3791/51696
, , , , , ,
1Department of Chemical Engineering,Michigan Technological University, 2Department of Mechanical Engineering,Michigan Technological University, 3XG Sciences, Inc.

Summary

Un Microdevice con potenziale elevato throughput serve a dimostrare tridimensionale (3D) dielettroforesi (DEP) con nuovi materiali. Il grafene carta nanoplatelet e nastro biadesivo sono stati alternativamente accatastati; un micro-ben 700 micron è stato perforato trasversale agli strati. Comportamento DEP di perle di polistirene è stata dimostrata nel micro-bene.

Abstract

La progettazione e la realizzazione di un nuovo 3D Microdevice elettrodo con 50 micron di carta grafene spessa e 100 micron nastro biadesivo è descritto. Dettagli Il protocollo le procedure per costruire un versatile, riutilizzabile, a strati multipli, camera dielettroforesi laminato. In particolare, sei strati di 50 pm x 0,7 centimetri x 2 cm carta grafene e cinque strati di nastro biadesivo stati alternativamente accatastati insieme, poi fissati su un vetrino. Poi un micron di diametro micro-e 700 è stato perforato attraverso la struttura laminata con una macchina micro perforazione controllati dal computer. Proprietà isolanti dello strato di nastro tra gli strati di grafene adiacenti sono state garantite da test di resistenza. Argento epossidico conduttivo collegato strati alternati di carta grafene e formò connessioni stabili tra il foglio di grafene e gli elettrodi filo di rame esterni. Il dispositivo finito è stato poi bloccato e sigillato su un vetrino. Il gradiente di campo elettrico è stato modellato entro tegli dispositivo multi-strato. Comportamenti dielettroforetiche di 6 micron perle di polistirene sono state dimostrate nel 1 mm di profondità micro-bene, con una conducibilità medie che vanno da 0,0001 S / m per 1,3 S / m, e applicate frequenze del segnale da 100 Hz a 10 MHz. Risposte dielettroforetiche negative sono state osservate in tre dimensioni su gran parte dello spazio conducibilità frequenza e cross-over valori di frequenza sono coerenti con i valori di letteratura precedentemente riportati. Il dispositivo non ha impedito elettroosmosi e elettrotermici flussi AC, che si sono verificati nelle regioni a bassa e alta frequenza, rispettivamente. La carta grafene utilizzato in questo dispositivo è versatile e, successivamente, potrebbe funzionare come un biosensore dopo caratterizzazioni dielettroforetiche sono completi.

Introduction

Il grafene è un nuovo materiale noto per le sue proprietà elettroniche di alta qualità e potenziali chimici e biosensori domande 1. Nanoplatelets grafene sono stati utilizzati per il supporto di catalizzatore 2, 3, 4, biosensori supercondensatori 5 e compositi-elettrodi compresi grafene / polianilina e compositi nanoparticelle di silicio / grafene 6-8. Questo manoscritto descrive l'utilizzo di carta grafene come elettrodi in un unico tridimensionale (3D), dispositivo microfluidica strati. Elettrodi di carta grafene sono stati stratificati con isolante nastro biadesivo e una camera forato all'interno del quale è stata eseguita dielettroforesi 3D AC di perle di polistirene.

Dielettroforesi (DEP) si riferisce al movimento di particelle polarizzabili sotto campi elettrici non uniformi. DEP positivo (PDEP) o DEP negativo (NDEP) si verifica quando le particelle sono più o meno polarizzabile del mezzo circostante, resulting in movimento verso il campo elettrico forte o debole, rispettivamente. Questo strumento elettrocinetico non lineare è stato utilizzato per la separazione, la cernita, cattura, e l'identificazione delle particelle e cellule biologiche 9-15. La forza dielettroforetica sperimentato da una particella polarizzata è una funzione del gradiente di campo elettrico, raggio della particella e la forma, particelle proprietà dielettriche compresi conducibilità e permittività, nonché la conducibilità media e permettività. Nel tradizionale bidimensionale (2D) DEP, movimento delle particelle è nel piano principale del gradiente di campo elettrico in genere formato tra elettrodi di superficie microfabricated; movimento nella direzione verticale è trascurabile rispetto alle direzioni nel piano in maggior parte dei dispositivi. Tuttavia, sfruttando questa terza dimensione di gradienti di campo elettrico per 3D DEP consente di campioni superiore e aumenta la versatilità per progettare nuove e migliorate separazioni dielettroforetiche in cui il flusso è traveRSE al campo gradienti 16, 17. Altri disegni specifici includono 3D basato isolante-DEP 18, carbonio-elettrodo 3D DEP 13, 19, e 3D placcante DEP 10. Come evidenziato dalla ricerca in strutture 3D, tali dispositivi possono essere azionati in modalità flusso continuo di raggiungere più alti rendimenti. Osservazione del movimento delle particelle 3D nel nostro dispositivo 3D stratificato è realizzato in funzione della frequenza e media conducibilità tramite microscopia ottica a diverse altezze focali.

Fatoyinbo et al. Primo riferito DEP in 3D laminato struttura di elettrodo / isolamento utilizzando alternativamente accatastati 30 micron foglio di alluminio e 150 film di resina epossidica 20 micron. Hubner et al. Poi creata simili elettrodi laminati 3D con 35 micron nastro di rame e 118 micron adesivo poliimmide 21. Questo lavoro prende in prestito la progettazione 3D ben 22, 23, E utilizza unicamente la convenienza di carta 50 micron grafene come gli strati conduttivi e 100 pm nastro biadesivo come gli strati isolanti, che ha raggiunto la sigillatura e sufficiente schermatura elettrica. Grafene carta versatilità è un netto vantaggio per microdispositivi elettrodi 3D perché le nanoplatelets grafene hanno la capacità di agire contemporaneamente come biosensori, che questo gruppo precedentemente dimostrato 24.

I gradienti di campo ottenuti nel grafene carta / polimero laminato microdispositivi 3D dipendono dalle dimensioni micro-bene, gli strati di carta grafene, e il campo elettrico applicato. Dimensioni critiche includono la spaziatura verticale elettrodo (conduzione e spessori isolanti) e il diametro micro-bene e l'altezza (determinato da strati sovrapposti). Il segnale elettrico può essere sintonizzato con ampiezza e frequenza. La struttura del dispositivo attuale è quella di funzionamento discontinuo, ma può essere adattato ad un dispositivo a flusso continuo. Il favoloso dispositivotecnica rication qui descritto è adatto per lo sviluppo 3D laminato elettrodi con un'ampia varietà di proprietà grafene nanoplatelet semplicemente scambiando la carta grafene utilizzato. Vantaggi di utilizzare carta grafene sono la versatilità delle proprietà fisiche e chimiche, spesa ridotta, e le nanoplatelets grafene può contemporaneamente agire come biosensori per rilevare una vasta gamma di bioanalytes 24. Obiettivi a lungo termine dei sistemi DEP 3D ad alto rendimento sono di identificare rapidamente i tipi di cellule 25-27, o raggiungere label-free, mediata elettricamente ordinamento cellulare delle cellule malate da popolazioni di cellule sane 28. Questo documento dimostra ottimizzazione del materiale e la preparazione e il funzionamento seguito da illustrazione e l'analisi dei risultati tipici.

Protocol

1. Realizzare un laminato elettrodo / isolamento Struttura 3D Per uno strato di grafene 6, 5 dispositivo di strato di nastro, tagliare la carta grafene con un bisturi o simili lama di rasoio e righello dritto taglio in sei 0,7 centimetri x 1,5 centimetri rettangoli e usare le forbici per tagliare il nastro biadesivo sensibile alla pressione in cinque 1,3 centimetri x ~ 5 centimetri strisce. NOTA: Come mostrato nella Figura 1a, questo produce un elettrodo 3 terra, 3 dispositivo elettrod…

Representative Results

Esperimenti dielettroforetiche su 6 micron sferette di polistirene sono stati condotti in un micro-ben cilindrico 0,38 millimetri 3. I risultati dimostrano che un 3D laminato grafene dispositivo cartaceo può illustrare le firme dielettroforetiche simili dispositivi lamina di metallo 3D laminati 20, 21, tradizionale 2D metal-elettrodo 26, 27, e dispositivi di isolante 2D 25. Nei seguenti esperimenti, un segnale AC 15 V picco-picco è stato applicato e la frequenza ?…

Discussion

Dettagli Questo manoscritto protocolli per la fabbricazione di uno strato di grafene romanzo di 6 e 5 strati di nastro Microdevice. Inoltre, il funzionamento del dispositivo è illustrato tramite osservati comportamenti DEP 6,08 micron perle di polistirene con un geometricamente pertinente approccio unico, analisi di velocità delle particelle. Questo approccio versatile per costruire dispositivi elettrocinetiche non lineari è meno costoso di elettrodi e le tecniche di microfabbricazione strato fluidici, pur ottenendo …

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Grazie a Scienze XG per le donazioni generose di carta grafene. Grazie al Dr. C. Friedrich generosamente per averci permesso di usare l'apparecchiatura micro-perforazione. Un ringraziamento particolare viene esteso a Tayloria Adams per raccontare il video.

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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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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