Développement d'un périphérique 3D graphène électrode diélectrophorétiques

Summary

Un micro-dispositif à fort potentiel de débit est utilisé pour démontrer en trois dimensions (3D) diélectrophorèse (DEP) avec de nouveaux matériaux. papier nanoplatelet de graphène et ruban adhésif double face ont été empilées en alternance; un micro-puits de 700 um a été foré transversalement par rapport aux couches. DEP comportement de billes de polystyrène a été démontrée dans le micro-puits.

Abstract

La conception et la fabrication d'un nouveau micro-dispositif d'électrode de 3D à l'aide de 50 um d'épaisseur papier graphène et 100 um ruban adhésif double face est décrite. Le protocole décrit les procédures pour construire un, réutilisables, couches multiples polyvalent, chambre de diélectrophorèse stratifié. Plus précisément, six couches de 50 pm x 0,7 cm x 2 cm de papier de graphène et cinq couches de ruban adhésif double face ont été alternativement empilées, puis serrés sur une lame de verre. Ensuite, un micro-um de diamètre et 700 a été foré à travers la structure laminée en utilisant une machine de forage commandé par micro-ordinateur. Propriétés isolantes de la couche de ruban adhésif entre les couches de graphène adjacentes ont été assurés par des tests de résistance. Argent époxy conductrice reliée couches alternées de papier graphène et formé des connexions stables entre le papier graphène et des électrodes de fil de cuivre externes. Le dispositif fini est ensuite serré et scellé sur une lame de verre. Le gradient de champ électrique a été modélisé dans til dispositif à couches multiples. Comportements diélectrophorétiques de 6 um billes de polystyrène ont été démontrées dans les 1 mm de profondeur des micro-puits, avec des conductivités moyennes allant de 0,0001 S / m à 1,3 S / m, et appliqués fréquences de signal de 100 Hz à 10 MHz. Réponses diélectrophorétiques négatifs ont été observés en trois dimensions sur la plupart de l'espace conductivité fréquence et cross-over valeurs de fréquence sont conformes aux valeurs de la littérature précédemment rapportés. Le dispositif n'a pas empêché AC électroosmose et électrothermiques flux, qui se sont produits dans les régions basses et hautes fréquences, respectivement. Le document de graphène utilisés dans cet appareil est polyvalent et pourrait ensuite fonctionner comme un biocapteur après caractérisations diélectrophorétiques sont complets.

Introduction

Le graphène est un nouveau matériau connu pour ses propriétés électroniques de haute qualité et chimiques et biocapteurs applications potentielles ^1. nanoplaquettes de graphène ont été utilisés pour support de catalyseur ^{2, 3, 4,} biocapteurs super-condensateurs ⁵ et composites électrodes dont le graphène / polyaniline et composites nanoparticules de silicium / graphène ^6-8. Ce manuscrit décrit l'utilisation de papier de graphène comme électrodes dans un cadre unique en trois dimensions (3D), dispositif microfluidique couches. Électrodes en papier graphène ont été stratifiées avec du ruban adhésif double-face isolante et une chambre percé dans lequel diélectrophorèse 3D AC de billes de polystyrène a été réalisée.

Diélectrophorèse (DEP) se réfère au mouvement des particules polarisables sous champs électriques non-uniformes. DEP positive (pDEP) ou DEP négative (nDEP) se produit quand les particules sont plus ou moins polarisable que le milieu, resu environslting en mouvement vers le champ électrique plus forte ou plus faible, respectivement. Cet outil électrocinétique non linéaire a été utilisée pour la séparation, le tri, le piégeage et l'identification des particules et des cellules biologiques ^9-15. La force diélectrophorétique subie par une particule polarisée est une fonction du gradient de champ électrique, le rayon et la forme de particules, de particules dont les propriétés diélectriques de permittivité et la conductivité, ainsi que la conductivité du support et de la permittivité. En deux dimensions (2D) DEP traditionnelle, le mouvement des particules est dans le plan principal du gradient de champ électrique généralement formé entre des électrodes de surface micro-usinés; déplacement dans la direction verticale est négligeable par rapport à des directions dans le plan dans la plupart des dispositifs. Cependant, l'exploitation de cette troisième dimension de gradients de champ électrique pour 3D DEP permet un débit plus élevé de l'échantillon et augmente la polyvalence de concevoir de nouveaux et améliorés séparations diélectrophorétiques dans lequel le flux est traverse au champ des gradients ^{16, 17.} D'autres conceptions spécifiques comprennent 3D DEP ^isolant-18, carbone-électrode 3D ​​DEP ^{13, 19,} et 3D galvanoplastie DEP ^10. Comme le montre la recherche de structures 3D, de tels dispositifs peuvent être exploités en mode de flux continu d'atteindre des débits plus élevés. Observation du mouvement des particules 3D dans notre dispositif 3D en couches est réalisée en fonction de la fréquence et de la conductivité moyenne par microscopie optique à des hauteurs différentes focales.

Fatoyinbo et al. Premier DEP rapporté dans une structure de stratifié 3D électrode / isolant en utilisant alternativement empilés 30 um feuille d'aluminium et 150 um époxy films de résine ^20. Hubner et al. Ont ensuite conçu électrodes stratifiés similaires 3D avec 35 um ruban de cuivre et 118 um polyimide adhésif ^21. Ce travail emprunte la conception 3D et ^{22, 23}, Et utilise uniquement la commodité de 50 um papier de graphène comme les couches conductrices et 100 um scotch double-face que les couches isolantes, qui ont réalisé étanchéité et protection électrique suffisante. Le graphène papier polyvalence est un avantage certain pour microdevices d'électrodes 3D parce que les nanoplaquettes de graphène ont la capacité d'agir en même temps comme biocapteurs, qui ce groupe déjà démontré ^24.

Les gradients de champ obtenus dans le graphène papier / polymère laminées microsystèmes 3D dépendent des dimensions micro-puits, les couches de papier de graphène, et le champ électrique appliqué. Dimensions critiques comprennent l'espacement vertical de l'électrode (conducteur et isolant des épaisseurs de couche) et le diamètre des micro-puits et la hauteur (déterminée par couches superposées). Le signal électrique peut être réglé par l'intermédiaire de l'amplitude et de la fréquence. La structure du dispositif est en cours de fonctionnement par lots, mais peut être adaptée à un dispositif à écoulement continu. L'usine de fabrication de dispositiftechnique de rication décrit ici est approprié pour le développement 3D stratifiée électrodes avec une grande variété de propriétés de graphène nanoplatelet simplement en échangeant le papier de graphène utilisés. Avantages de l'utilisation du papier de graphène sont la polyvalence des propriétés physiques et chimiques, frais réduits, et les nanoplaquettes de graphène peuvent simultanément agir comme biocapteurs pour détecter un large éventail de bioanalytes ^24. Les objectifs à long terme des systèmes de DEP 3D à haut débit sont d'identifier rapidement les types de cellules ^25-27, ou d'atteindre sans étiquette, tri cellulaire médiée électriquement des cellules malades de populations de cellules saines ^28. Cet article démontre l'optimisation des matériaux et la préparation de l'appareil et de l'exploitation suivie par l'illustration et l'analyse des résultats typiques.

Protocol

1. Fabriquer une structure 3D laminé électrode / isolant Pour une couche 6 de graphène, 5 dispositif de couche de bande, coupe papier graphène avec un scalpel ou une lame de rasoir similaire et une règle à bord droit en six 0,7 cm x 1,5 rectangles cm et utiliser des ciseaux pour couper un ruban double face sensible à la pression en cinq 1,3 cm x ~ 5 cm rayures. NOTE: Comme le montre la figure 1a, on obtient une électrode 3 au sol, 3 dispositif d'électrode de signal AC. Le …

Representative Results

Expériences diélectrophorétiques sur 6 um billes de polystyrène ont été menées dans un 0,38 mm 3 cylindrique micro-bien. Les résultats démontrent que 3D laminé dispositif à base de papier graphène peut illustrer signatures diélectrophorétiques similaires en tant que dispositifs feuille de métal 3D de stratifiés 20, 21, 2D métal-électrode traditionnelle 26, 27, et des dispositifs d'isolateurs 2D 25. Dans les expériences suivantes, un signal de courant alt…

Discussion

Ce manuscrit détails des protocoles de fabrication d'une couche de graphène roman 6 et 5 couches de ruban microdispositif. En outre, le fonctionnement du dispositif est illustré par des comportements observés DEP de 6,08 um billes de polystyrène avec une approche d'analyse de la vitesse des particules unique, géométriquement pertinente. Cette approche polyvalente pour construire des dispositifs électrocinétiques non linéaires est moins coûteuse que l'électrode et techniques couche de micro fluidi…

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