Desarrollo de un dispositivo 3D grafeno Electrodo dielectroforéticas

Summary

Un microdispositivo con potencial de alto rendimiento se utiliza para demostrar en tres dimensiones (3D) dielectroforesis (DEP) con nuevos materiales. Papel nanoplatelet grafeno y la cinta de doble cara se apilaban alternativamente; un micro-así 700 micras fue perforado transversal a las capas. DEP comportamiento de perlas de poliestireno se demostró en el micro-así.

Abstract

El diseño y la fabricación de una novela microdispositivo electrodo 3D utilizando 50 micras de espesor de papel de grafeno y 100 micras cinta de doble cara se describe. El protocolo detalla los procedimientos para construir una, reutilizable, de múltiples capas versátil cámara dielectroforesis laminado. Específicamente, seis capas de 50 m x 0,7 cm x 2 cm de papel de grafeno y cinco capas de cinta de doble cara se apilaron alternativamente juntos, a continuación, sujetan a un portaobjetos de vidrio. A continuación, un m de diámetro micro-así 700 fue perforado a través de la estructura laminada usando una máquina de micro perforación controlado por ordenador. Propiedades aislantes de la capa de cinta entre capas de grafeno adyacentes fueron asegurados por las pruebas de resistencia. Plata epoxi conductor conectado capas alternas de papel de grafeno y formó conexiones estables entre el papel de grafeno y los electrodos de alambre de cobre externos. A continuación, el dispositivo acabado se sujeta y se sella a un portaobjetos de vidrio. El gradiente de campo eléctrico fue modelado en tque el dispositivo de múltiples capas. Comportamientos dielectroforéticas de 6 micras perlas de poliestireno se demostraron en los 1 mm de profundidad de micro pocillos, con conductividades medianas que van desde 0,0001 S / m a 1,3 S / m, y se aplican frecuencias de la señal de 100 Hz a 10 MHz. Se observaron respuestas dielectroforéticas negativos en tres dimensiones más de la mayor parte del espacio de la conductividad-frecuencia y de cruce valores de frecuencia son consistentes con valores de la bibliografía se informó anteriormente. El dispositivo no impidió electroósmosis y electrotérmicos flujos de corriente alterna, que se produjeron en las regiones de alta y baja frecuencia, respectivamente. El papel de grafeno utilizado en este dispositivo es muy versátil y, posteriormente, podría funcionar como un biosensor después de caracterizaciones dielectroforéticas son completa.

Introduction

El grafeno es un nuevo material conocido por sus propiedades electrónicas de alta calidad y potenciales químicos y biosensores aplicaciones ^1. Nanoplatelets grafeno se han utilizado para soporte del catalizador ^{2, 3, 4,} biosensores super-condensadores ⁵ y compuestas-electrodos incluidos grafeno / polianilina y compuestos de nanopartículas de silicio / grafeno ^6-8. Este manuscrito describe la utilización de papel de grafeno como electrodos en una única tridimensional (3D), dispositivo de microfluidos de capas. Electrodos de papel de grafeno se laminaron con aislante cinta de doble cara y una cámara perforado dentro de la cual se realizó dielectroforesis AC 3D de perlas de poliestireno.

La dielectroforesis (DEP) se refiere al movimiento de partículas polarizables bajo campos eléctricos no uniformes. DEP Positivo (pDEP) o DEP negativo (nDEP) se produce cuando las partículas son más o menos polarizable que el medio circundante, resulting en movimiento hacia el campo eléctrico más fuerte o más débil, respectivamente. Esta herramienta electrocinético no lineal se ha usado para la separación, clasificación, atrapando, y la identificación de partículas y células biológicas ^9-15. La fuerza dielectroforética experimentada por una partícula polarizada es una función del gradiente de campo eléctrico, radio de la partícula y la forma, propiedades dieléctricas de partículas incluyendo la conductividad y la permitividad, así como la conductividad medios de comunicación y la permitividad. En tradicional de dos dimensiones (2D) de DEP, el movimiento de partículas está en el plano principal de la gradiente de campo eléctrico típicamente formado entre electrodos de superficie microfabricados; movimiento en la dirección vertical es insignificante en comparación con las direcciones en el plano, en la mayoría de los dispositivos. Sin embargo, el aprovechamiento de esta tercera dimensión de gradientes de campo eléctrico para el 3D DEP permite un mayor rendimiento de la muestra y aumenta la flexibilidad para diseñar nuevas y mejores separaciones dielectroforéticas en la que el flujo es traverse al campo gradientes ^{16, 17.} Otros diseños específicos incluyen 3D DEP basado en ¹⁸ aislante, electrodos de carbono 3D DEP ^{13, 19} y 3D galvanoplastia DEP ^10. Como queda de manifiesto por la investigación en las estructuras 3D, tales dispositivos pueden ser operados en modo de flujo continuo para lograr rendimientos más altos. Observación del movimiento de partículas 3D en nuestro dispositivo 3D en capas se logra como una función de frecuencia y conductividad media a través de microscopía de luz a diferentes alturas focales.

Fatoyinbo et al. Primero informó DEP en un 3D laminado estructura del electrodo / aislamiento utilizando apilados alternativamente 30 micras papel de aluminio y 150 películas de resina epoxi ²⁰ micras. Hubner et al. Diseñaron electrodos laminados 3D similares con 35 m de cinta de cobre y 118 micras de poliamida adhesivo ^21. Este trabajo toma prestado el diseño en 3D, bueno ^{22, 23}, Y utiliza de forma exclusiva la comodidad de 50 micras de papel grafeno como las capas conductoras y 100 m de cinta de doble cara como las capas aislantes, que logró sellar y con suficiente blindaje eléctrico. El grafeno papel versatilidad es una clara ventaja para microdispositivos electrodos 3D porque los nanoplatelets grafeno tienen la capacidad de actuar al mismo tiempo como biosensores, que este grupo previamente demostrada ^24.

Los gradientes de campo logrados en el grafeno papel / polímero laminado microdispositivos 3D dependen de las dimensiones micro-así, las capas de papel de grafeno, y el campo eléctrico aplicado. Las dimensiones críticas incluyen la separación vertical del electrodo (conductor y aislante espesores de capa) y el diámetro micro pocillos y altura (determinado por capas apiladas). La señal eléctrica se puede ajustar a través de la amplitud y la frecuencia. La estructura del dispositivo actual es para el funcionamiento por lotes, pero se puede adaptar a un dispositivo de flujo continuo. El fabuloso dispositivotécnica rication descrito aquí es adecuado para el desarrollo de 3D laminado electrodos con una amplia variedad de propiedades nanoplatelet grafeno simplemente intercambiando el papel de grafeno utilizado. Ventajas de la utilización de papel de grafeno son versatilidad de propiedades físicas y químicas, gasto reducido, y los nanoplatelets de grafeno simultáneamente pueden actuar como biosensores para detectar una amplia gama de bioanalytes ^24. Las metas a largo plazo de los sistemas de DEP en 3D de alto rendimiento son identificar rápidamente los tipos de células ^25-27, o lograr sin etiquetas, clasificación de células eléctricamente mediada de las células enfermas de las poblaciones de células sanas ^28. En este trabajo se demuestra la optimización del material y preparación de equipo y el servicio seguido de la ilustración y el análisis de los resultados típicos.

Protocol

1. Fabrique una estructura 3D laminado Electrodo / aislamiento Para una capa de grafeno 6, 5 dispositivo de capa de cinta, cortar el papel de grafeno con un bisturí o cuchilla de afeitar similares y una regla de borde recto en seis 0,7 cm x 1,5 cm rectángulos y usar las tijeras para cortar la cinta de doble cara sensible a la presión en cinco 1.3 cm x ~ 5 cm rayas. NOTA: Como se muestra en la Figura 1a, esto produce un electrodo de 3 planta, 3 dispositivo de electrodo de señal de C…

Representative Results

Experimentos dielectroforéticas en 6 perlas de poliestireno micras se llevaron a cabo en un 0,38 mm 3 cilíndrico micro pocillos. Los resultados demuestran que un 3D laminado dispositivo basado en el papel de grafeno puede ilustrar firmas dielectroforéticas similares como dispositivos de laminado de hoja metálica 3D 20, 21, tradicional 2D de metal-electrodo 26, 27, y los dispositivos aisladores 2D 25. En los siguientes experimentos, se aplicó una señal de CA 15 V pic…

Discussion

Este manuscrito detalla los protocolos para fabricar una capa de grafeno novela 6 y 5 capas de cinta microdispositivo. Además, el funcionamiento del dispositivo se ilustra a través de los comportamientos observados DEP de 6,08 m perlas de poliestireno junto con un enfoque de análisis de velocidad de la partícula única, geométricamente relevante. Este enfoque versátil para construir dispositivos electrocinéticos no lineales es menos costoso que el electrodo y técnicas de microfabricación capa de fluidos, mientr…

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