Utveckling av en 3D Grafen elektrod dielektroforetisk Device

Summary

En mikroanordning med hög genomströmning potential användes för att demonstrera tredimensionella (3D) dielektrofores (DEP) med nya material. Grafen nanoplatelet papper och dubbelhäftande tejp var omväxlande staplas; en 700 ìm mikro borrades tvärs skikten. DEP beteende polystyren pärlor visades i mikro-bra.

Abstract

Utformning och tillverkning av en ny 3D-elektrodmikroanordning med hjälp av 50 nm tjockt grafen papper och 100 nm dubbelhäftande tejp beskrivs. Protokollet detaljer förfaranden för att bygga en mångsidig, återanvändbara, i flera skikt, laminerat dielektrofores kammaren. Specifikt sex skikt av 50 ^ m x 0,7 cm x 2 cm grafen papper och fem skikt av dubbelsidig tejp ades växelvis staplade tillsammans, fastklämmes sedan till en glasplatta. Därefter gjordes en 700 um diameter mikro-brunn borras genom den laminerade strukturen med användning av en datorkontrollerad mikro borrmaskin. Isolerande egenskaper hos tejpskikt mellan intilliggande grafen lager försäkrades av resistenstester. Silver ledande epoxi anslutna alternerande lager av grafen papper och bildade stabila anslutningar mellan grafen papper och yttre koppartrådelektroder. Den färdiga anordningen därefter fastspänd och tätad mot en glasplatta. Det elektriska fältet lutning modellerades inom than flerskiktsanordning. Dielektroforetiska beteenden av 6 um polystyren pärlor visades på 1 mm djupa mikro-Tja, med medel konduktivitet varierar från 0,0001 S / m till 1,3 S / m, och tillämpad signalfrekvenser från 100 Hz till 10 MHz. Negativa dielektroforetiska svar observerades i tre dimensioner än de flesta av utrymme konduktiviteten-frekvens och cross-over frekvensvärden överensstämmer med tidigare rapporterade litteraturvärden. Enheten hindrade inte AC elektroosmos och elektroflöden, som inträffade i de låga och höga regioner frekvens, respektive. I grafen papper som används i den här enheten är mångsidig och kan sedan fungera som en biosensor efter dielektroforetiska karakteriseringar är klar.

Introduction

Grafen är ett nytt material som är känt för sin elektroniska egenskaper av hög kvalitet och potentiella kemiska och biosensor ansökningar ^1. Grafen nanoplatelets har använts för katalysatorbärare ^{2, 3,} biosensorer ^4, superkondensatorer ⁵ och kompositelektroder inklusive grafen / polyanilin och kisel nanoparticle / grafen kompositer ^6-8. Detta manuskript beskriver användning av grafen papper som elektroder i en unik tredimensionell (3D), skiktad mikroflödessystem enhet. Grafen pappers elektroder laminerade med isolerande dubbelhäftande tejp och en kammare borrad inom vilken 3D AC dielektrofores av polystyrenpärlor utfördes.

Dielectrophoresis (DEP) avser förflyttning av polariserbara partiklar under icke-likformiga elektriska fält. Positiv DEP (PDEP) eller negativ DEP (NDEP) uppstår när partiklar som är mer eller mindre polariserbara än det omgivande mediet, resulting i rörelse mot den starkaste eller svagaste elektriska fält, respektive. Denna icke-linjära elektrokinetiskt verktyg har använts för separering, sortering, fånga, och identifiering av partiklar och biologiska celler ^9-15. Den dielektroforetiska kraften som upplevs av en polariserad partikel är en funktion av det elektriska fältets gradient, partikel radie och form, partikel dielektriska egenskaper inklusive konduktivitet och permittivitet, liksom media konduktivitet och permittivitet. I traditionell två-dimensionell (2D) DEP är partikelrörelsen i det primära planet för det elektriska fältet lutning typiskt bildad mellan mikrofabricerade ytelektroder; rörelse i vertikal riktning är försumbar jämfört med i planet riktningar i de flesta enheter. Men att utnyttja denna tredje dimension av elektriska fältgradienter för 3D DEP möjliggör högre provkapacitet och ökar mångsidigheten för att utforma nya och förbättrade dielektroforetiska separationer där flödet är traverse till fältgradienter ^{16, 17.} Andra specifika mönster inkluderar 3D-isolator-baserade DEP ^18, 3D-kol-elektrod DEP ^{13, 19,} och 3D galvanisering DEP ^10. Som framgår av den forskning om 3D-strukturer, kan sådana anordningar användas i kontinuerligt flöde läge för att uppnå en större försäljning. Observation av 3D partikelrörelse i vårt skiktat 3D anordning uppnås som en funktion av frekvens och medel ledningsförmåga via Ijusmikroskopi vid olika fokala höjder.

Fatoyinbo et al. Först rapporterade DEP i en 3D-laminerad elektrod / isolering struktur med hjälp alternativt staplas 30 um aluminiumfolie och 150 ìm epoxiharts filmer ^20. Hubner et al. Sedan utformat liknande 3D ​​laminerade elektroder med 35 um kopparband och 118 ìm polyimid lim ^21. Detta arbete lånar 3D-bra konstruktion ^{22, 23}Och som är entydigt utnyttjar bekvämligheten xm grafen papper 50 som de ledande skikten och 100 ^ m dubbelhäftande tejp som de isolerande skikten, vilka uppnås tätning och tillräcklig elektrisk skärmning. Grafen papper mångsidighet är en klar fördel för 3D-elektrodmicrodevices eftersom grafen nanoplatelets har förmågan att samtidigt fungera som biosensorer, som denna grupp tidigare visat ^24.

De fältgradienter uppnås inom den grafen papper / polymerlamin 3D mikrokomponenter beror på de mikro-brunnsdimensioner, grafen papperskikt och det pålagda elektriska fältet. Kritiska mått inkluderar det vertikala elektrodavståndet (ledande och isolerande skikttjocklek) och mikro väl diameter och höjd (bestäms av lager staplade). Den elektriska signalen kan avstämmas via amplitud och frekvens. Den aktuella anordningsstruktur är för satsvis drift, men kan anpassas till en kontinuerlig flödesenhet. Anordningen fabsmörjning teknik som beskrivs här är lämpliga för utveckling av 3D laminerade elektroder med en bred variation av grafen nanoplatelet egenskaper helt enkelt genom utbyte av grafen papper utnyttjas. Fördelar med användning av grafen papper är mångsidigheten hos de fysiska och kemiska egenskaper, minskad kostnad, och grafen nanoplatelets kan samtidigt fungera som biosensorer för att detektera ett brett spektrum av bioanalytes ^24. Långsiktiga mål med hög genomströmning 3D DEP system är att snabbt identifiera celltyper ^25-27, eller uppnå etikett-fri, elektriskt medierad cellsortering av sjuka celler från populationer av friska celler ^28. Detta dokument visar materialoptimering och enhet förberedelse och drift följt av illustration och analys av typiska resultat.

Protocol

1. Tillverka en laminerad elektrod / isolering 3D Structure För en 6 grafen skikt, 5 tejpskikt anordningen, skär grafen papper med en skalpell eller liknande rakblad och raka kanter linjal i sex 0,7 cm x 1,5 cm rektanglar och använda sax för att klippa dubbelsidiga, tryckkänsliga band i fem 1,3 cm x ~ 5 cm ränder. OBS: Som visas i figur 1a, ger detta en 3 jordelektroden, 3 AC-signalelektrodanordningen. Den 7 mm ledande skikt bredden är tillräckligt smal för att passa på en gl…

Representative Results

Dielektroforetiska experiment på 6 ìm polystyren pärlor utfördes i en 0,38 mm 3 cylindriska mikro väl. Resultaten visar att en 3D lamin grafen pappersbaserad enhet kan illustrera liknande dielektroforetiska signaturer som 3D metallfolie laminerade enheter 20, 21, traditionell 2D metallelektrod 26, 27, och 2D isoleringsanordningar 25. I följande experiment användes en 15 V topp-topp-AC-signal appliceras och frekvensen varierades från 100 Hz till 10 MHz 3…

Discussion

Detta manuskript detaljer protokoll för att tillverka en ny 6 grafenlager och 5 band lager mikroanordning. Vidare är enhetens funktion illustreras via observerade DEP beteenden av 6.08 um polystyren pärlor tillsammans med en unik, geometriskt relevanta partikelhastighet perspektiv. Denna mångsidiga tillvägagångssätt för att konstruera icke-linjära elektrokinetiska apparater är billigare än elektroden och fluidskiktet mikrotillverkningstekniker Och ändå ge lika tillförlitliga resultat.

<p class="jove_co…

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