Udvikling af en 3D graphene Elektrode dielektrophoretisk Device

Summary

En microdevice med højt gennemløb potentiale anvendes til at vise tredimensionale (3D) dielektroforese (DEP) med nye materialer. Graphene nanoplatelet papir og dobbeltklæbende tape blev skiftevis stablet; en 700 um mikro-brønd blev boret tværs lagene. DEP adfærd polystyrenkugler blev demonstreret i mikro-godt.

Abstract

Design og fabrikation af en ny 3D elektrode microdevice anvendelse af 50 um tyk graphene papir og 100 um dobbeltklæbende tape er beskrevet. Protokollen beskriver de procedurer til at konstruere en alsidig, kan genbruges, flere lag, lamineret dielektroforese kammer. Konkret blev seks lag af 50 mM x 0,7 cm x 2 cm graphene papir og fem lag af dobbeltklæbende tape skiftevis stablet sammen, så fastspændt på et objektglas. Derefter en 700 um diameter mikro-blev boret gennem den laminerede struktur ved hjælp af en computer-kontrollerede mikro boremaskine. Isolerende egenskaber båndet lag mellem tilstødende graphene lag blev sikret ved modstand tests. Sølv ledende epoxy tilsluttet alternative lag af graphene papir og dannede stabile forbindelser mellem graphene papir og eksterne kobbertråd elektroder. Den færdige enhed blev derpå fastspændt og forseglet til en glasplade. Det elektriske felt gradient blev modelleret i than flerlags-enhed. Dielektrophoretiske adfærd af 6 um polystyrenkugler blev demonstreret i 1 mm dyb mikro-godt, med medium ledningsevne spænder fra 0,0001 S / m til 1,3 S / m, og anvendt signal frekvenser fra 100 Hz til 10 MHz. Negative dielektrophoretiske responser blev observeret i tre dimensioner over det meste af ledningsevne-frekvens plads og cross-over frekvens værdier er i overensstemmelse med tidligere rapporteret litteraturværdier. Enheden forhindrede ikke AC elektroosmose og elektrotermiske strømme, som opstod i de lave og høje frekvensområder, hhv. Graphene papir anvendes i denne enhed er alsidig og kan efterfølgende fungere som en biosensor efter dielektrophoretiske karakteriseringer er komplette.

Introduction

Graphene er en roman materiale kendt for sin høje kvalitet elektroniske egenskaber og potentielle kemiske og biosensor ansøgninger ^1.. Graphene nanoplatelets har været brugt til katalysatorbærer ^{2, 3,} biosensorer ^4, super-kondensatorer ⁵ og komposit-elektrode inklusive graphene / polyanilinen og silicium nanopartikler / graphene kompositter ^6-8. Dette håndskrift beskriver udnyttelsen af ​​graphene papir som elektroder i et unikt tredimensionelt (3D), lagdelt mikrofluid enhed. Graphene papir elektroder blev lamineret med isolerende dobbeltsidet tape og et kammer boret hvori 3D AC dielektroforese polystyrenperler blev udført.

Dielektroforese (DEP) henviser til bevægelsen af ​​polariserbare partikler under uensartede elektriske felter. Positive DEP (pDEP) eller negativ DEP (NDEP) opstår, når partiklerne er mere eller mindre polariserbar end det omgivende medium, resulting i bevægelse mod den stærkeste eller svageste elektrisk felt, hhv. Denne ikke-lineær elektrokinetisk værktøj er blevet brugt til adskillelse, sortering, fældefangst, og identifikation af partikler og biologiske celler ^9-15. Den dielektroforetiske kraft, der opleves af en polariseret partikel er en funktion af det elektriske felt-gradient, partikel radius og form, partikel dielektriske egenskaber, herunder ledningsevne og permitivitet samt medierne ledningsevne og permitivitet. I traditionel todimensional (2D) DEP, partikel bevægelse er i den primære plan elektriske feltgradient typisk er dannet mellem mikrofabrikerede overflade elektroder; bevægelse i lodret retning er ubetydelig i forhold til in-plane retninger i de fleste enheder. Men udnytte denne tredje dimension af elektriske feltgradienter til 3D DEP giver mulighed for højere produktivitet og øger alsidigheden til at designe nye og forbedrede dielektrophoretiske separationer, hvor flowet traveRSE til feltgradienter ^{16, 17.} Andre specifikke design omfatter 3D isolator-baserede DEP ^18, 3D kulstof-elektrode DEP ^{13, 19,} og 3D-galvanisering DEP ^10. Som det fremgår af forskning i 3D-strukturer, kan sådanne anordninger anvendes i kontinuerlig strøm-tilstand for at opnå højere gennemløb. Observation af 3D partikel bevægelse i vores lagdelte 3D enheden er opnået som en funktion af frekvens og ledningsevne i mediet via lysmikroskopi ved forskellige fokale højder.

Fatoyinbo et al. Først rapporteret DEP i en 3D lamineret elektrode / isolering struktur ved hjælp af alternativt stablet 30 um aluminiumsfolie og 150 um epoxy harpiks film ^20. Hubner et al. Derefter designet lignende 3D ​​laminerede elektroder med 35 um kobberbånd og 118 um polyimid klæbemiddel ^21. Dette arbejde låner 3D godt design ^{22, 23}Og entydigt udnytter bekvemmeligheden af ​​50 mM graphene papir som de ledende lag og 100 um dobbeltklæbende tape, som de isolerende lag, som opnåede tætning og tilstrækkelig elektrisk afskærmning. Graphene papir alsidighed er en klar fordel for 3D-elektrode microdevices fordi graphene nanoplatelets har evnen til samtidigt fungere som biosensorer, som denne gruppe tidligere demonstreret ^24.

De feltgradienter opnået inden graphene papir / polymer lamineret 3D microdevices afhænger af mikro-såvel dimensioner, graphene papirlagene og den anvendte elektriske felt. Kritiske dimensioner omfatter den lodrette elektrode afstand (ledende og isolerende lagtykkelser) og mikro-godt diameter og højde (bestemt af lag stablet). Det elektriske signal kan indstilles via amplitude og frekvens. Den aktuelle enhed struktur er for holddrift, men kan skræddersys til et kontinuerligt flow-enhed. Enheden fabrication her beskrevne teknik er egnet til udvikling af 3D lamineret elektroder med en bred vifte af graphene nanoplatelet egenskaber simpelthen ved at udskifte graphene papir anvendes. Fordele ved at bruge graphene papir er alsidighed fysiske og kemiske egenskaber, reduceret udgift, og graphene nanoplatelets kan samtidig fungere som biosensorer til påvisning af en bred vifte af bioanalytes ^24. Langsigtede mål for high throughput 3D DEP systemer til hurtigt at identificere celletyper ^25-27, eller opnå etiket-fri, elektrisk medieret celle sortering af syge celler fra populationer af raske celler ^28. Dette papir demonstrerer materiale optimering og forberedelse enhed og drift efterfulgt af illustration og analyse af typiske resultater.

Protocol

1.. Fabricate en lamineret Elektrode / isolering 3D Struktur For en 6 graphene lag, 5 tape lag enhed, skåret graphene papir med en skalpel eller lignende barberblad og lige kanter lineal i seks 0,7 cm x 1,5 cm rektangler og bruge en saks til at klippe dobbeltsidet trykfølsomme bånd i fem 1,3 cm x ~ 5 cm striber. BEMÆRK: Som vist i figur 1a, giver dette en 3 jordelektrode 3 AC-signal elektrodeanordning. Den 7 mm ledende lag bredden er smal nok til at passe på en glasplade, men bred…

Representative Results

Dielektrophoretiske eksperimenter på 6 ìm polystyrenkugler blev udført i en 0,38 mm 3 cylindrisk mikro-godt. Resultaterne viser, at en 3D lamineret graphene papirbaserede enhed kan illustrere lignende dielektrophoretiske underskrifter 3D metalfolie laminerede indretninger 20, 21, traditionel 2D metal-elektrode 26, 27, og 2D isolator enheder 25. I de følgende eksperimenter blev en 15 V spids-spids AC-signal anvendes, og frekvensen blev varieret fra 100 Hz til 10 …

Discussion

Dette håndskrift detaljer protokoller for opdigte en roman 6 graphene lag og 5 tape lag microdevice. Endvidere er enhedens drift illustreret via observerede DEP adfærd af 6,08 um polystyrenkugler sammen med en unik, geometrisk relevant partikelhastighed analyse tilgang. Denne alsidige tilgang til at konstruere lineære elektrokinetiske enheder er billigere end elektrode og fluidiske lag microfabrication teknikker, mens giver lige så pålidelige resultater.

Endvidere denne roman 3D graphen…

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