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Engineering

Desenvolvimento de um dispositivo 3D Grafeno Eletrodo dieletroforética

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

Summary

Um microdispositivo com elevado potencial de transferência é utilizado para demonstrar tridimensional (3D) dieletroforese (DEP) com novos materiais. Papel nanoplatelet grafeno e fita dupla face foram alternadamente empilhados; um micro-poços 700 um foi perfurado transversal às camadas. DEP comportamento de esferas de poliestireno, foi demonstrada em micro-poços.

Abstract

O projeto e fabricação de um romance microdispositivo eletrodo 3D usando 50 mm de espessura e papel grafeno 100 mm fita dupla face é descrito. O protocolo detalha os procedimentos para a construção de um, reutilizável, múltiplas camadas versátil, câmara dieletroforese laminado. Especificamente, seis camadas de 50 mm x 0.7 cm x 2 cm de papel grafeno e cinco camadas de fita adesiva de face dupla foram alternadamente empilhados juntos, em seguida, fixar-se uma lâmina de vidro. Em seguida, um um de diâmetro de micro-poços 700 foi perfurado através da estrutura de laminado utilizando uma máquina de perfuração de micro controlado por computador. Propriedades de isolamento da camada de fita adesiva entre as camadas adjacentes grafene foram asseguradas por testes de resistência. Prata epóxi condutor ligado camadas alternadas de papel grafeno e formaram conexões estáveis ​​entre o papel grafeno e os eletrodos de fio de cobre externas. O dispositivo acabado foi então fixada e selada a uma lâmina de vidro. O gradiente de campo elétrico foi modelado dentro de tele dispositivo multi-camada. Comportamentos dieletroforética de 6 mM esferas de poliestireno foram demonstrados nos 1 mm de espessura micro-Bem, com condutividades médias que variam de 0,0001 S / m para 1,3 S / m, e aplicados frequências de sinal de 100 Hz a 10 MHz. Dielectrof oréticas respostas negativas foram observadas em três dimensões sobre a maior parte do espaço condutividade freqüência e cross-over valores de frequência são consistentes com os valores da literatura anteriormente relatados. O dispositivo não impediu eletroosmose e eletrotérmica fluxos de corrente alternada, que ocorreram nas regiões de baixa e alta freqüência, respectivamente. O papel grafeno utilizado neste dispositivo é versátil e pode posteriormente funcionar como um biossensor após caracterizações dielectrof oréticas estão completas.

Introduction

O grafeno é um novo material conhecido por suas propriedades eletrônicas de alta qualidade e potenciais aplicações de produtos químicos e biossensores 1. Nanoplatelets grafeno têm sido utilizados para suporte de catalisador 2, 3, 4, biossensores super-capacitores 5 e-eletrodos compósitos incluindo grafeno / polianilina e compósitos de nanopartículas de silício / grafeno 6-8. Este manuscrito descreve a utilização de papel grafeno como eletrodos em um único tridimensional (3D), dispositivo micro camadas. Eletrodos papel de grafeno foram laminados com fita dupla face isolante e uma câmara perfurado dentro da qual AC 3D dieletroforese de esferas de poliestireno foi realizada.

Dieletroforese (DEP) refere-se ao movimento de partículas polarizáveis ​​sob campos elétricos não uniformes. DEP positiva (PDEP) ou DEP negativo (PADS) ocorre quando as partículas são mais ou menos polarizável do que o meio, resu circundantelting em movimento na direção do campo elétrico mais forte ou mais fraco, respectivamente. Esta ferramenta electrokinetic não-linear foi utilizada para separação, classificação, prendendo, e identificação de partículas e células biológicas 9-15. A força dieletroforética experimentada por uma partícula polarizado é uma função do gradiente de campo eléctrico, o raio e a forma da partícula, partículas de propriedades dielétricas, incluindo condutividade e permissividade, bem como a meios de condutividade e permitividade. Em bidimensional (2D) DEP tradicional, o movimento das partículas é no plano principal do gradiente do campo eléctrico formado entre os eléctrodos normalmente superfície microfabricados; movimento na direção vertical é desprezível em comparação com em-plano sentidos na maioria dos dispositivos. No entanto, o aproveitamento desta terceira dimensão de gradientes do campo eléctrico para a DEP 3D permite maior rendimento da amostra e aumenta a versatilidade para conceber novas e melhoradas separações dielectrof oréticas em que o fluxo é traverse a gradientes do campo 16, 17. Outros projetos específicos incluem-base isolante 3D DEP 18, carbono-eletrodo 3D DEP 13, 19, e 3D galvanoplastia DEP 10. Como evidenciado pela investigação sobre as estruturas 3D, tais dispositivos podem ser operados no modo de fluxo contínuo para alcançar débitos mais elevados. Observação do movimento de partículas 3D no nosso dispositivo 3D em camadas é obtida como uma função de frequência e condutividade média através de microscopia de luz em diferentes alturas focais.

Fatoyinbo et al. Relatada pela primeira vez em um DEP 3D laminado estrutura eletrodo / isolamento usando alternativamente empilhados 30 mm folha de alumínio e 150 mM de resina epóxi filmes 20. Hubner et al. Então projetado eletrodos laminados 3D semelhantes com 35 mM fita de cobre e 118 mM adesiva poliimida 21. Este trabalho toma emprestado o design 3D-bem 22, 23, E utiliza exclusivamente a conveniência de 50 mM papel grafeno como as camadas condutoras e 100 mm de fita dupla face como as camadas de isolamento, que alcançou a vedação e blindagem elétrica suficiente. Grafeno papel versatilidade é uma vantagem distinta para microdevices eletrodo 3D porque os nanoplatelets grafeno tem a capacidade de agir simultaneamente como biossensores, que este grupo já demonstrou 24.

Os gradientes de campo obtidos no grafeno papel / polímero laminado microdevices 3D dependem das dimensões micro-assim, as camadas de papel de grafeno, eo campo elétrico aplicado. Dimensões críticas incluem o espaçamento vertical do eletrodo (condução e isolamento espessuras de camadas) e micro-bem diâmetro e altura (determinada por camadas empilhadas). O sinal elétrico pode ser sintonizada via amplitude e frequência. A estrutura do dispositivo actual é para a operação em lotes, mas pode ser adaptado a um dispositivo de fluxo contínuo. O fab dispositivotécnica rication aqui descrito é adequado para o desenvolvimento de 3D laminado eléctrodos com uma grande variedade de propriedades grafeno nanoplatelet simplesmente trocando o papel grafeno utilizado. Vantagens da utilização de papel grafeno são versatilidade de propriedades físicas e químicas, a despesa reduzida, e os nanoplatelets grafene pode simultaneamente actuar como biosensores para detectar uma grande variedade de bioanalytes 24. Os objetivos a longo prazo de sistemas de DEP 3D alto rendimento são identificar rapidamente os tipos de células 25-27, ou conseguir sem rótulo, separação de células eletricamente mediada de células doentes a partir de populações de células saudáveis ​​28. Este trabalho demonstra a otimização de materiais e preparação de dispositivos e operação seguido de ilustração e análise dos resultados típicos.

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Protocol

1. Fabricar uma estrutura 3D laminado Eletrodo / isolamento

  1. Para uma camada de grafeno 6, 5 dispositivo de camada de fita, corte o papel de grafeno com um bisturi ou lâmina de barbear semelhante e governante com bordas retas em seis 0,7 centímetros x 1,5 cm retângulos e usar uma tesoura para cortar a fita sensível à pressão de dupla face em cinco 1,3 centímetros x ~ 5 centímetros listras.
    NOTA: Como mostrado na Figura 1a, isso gera um eletrodo de 3 chão, 3 dispositivo eletrodo sinal AC. A 7 milímetros realização largura camada é estreito o suficiente para caber em uma lâmina de vidro, mas grande o suficiente para a perfuração fácil. O comprimento de 2 mm não quebrar facilmente sobre o uso repetido e tem espaço suficiente para prender os fios de cobre. A profundidade do dispositivo é limitado pela profundidade de fresa.
  2. Coloque a primeira camada de papel de grafeno sobre uma lâmina de vidro limpa. Lentamente cobrir uma extremidade do papel grafeno com uma tira de fita, deixando uma margem de ~ 2 mm a assegurar o isolamento entre as duas camadas de papel grafene adjacentes (Figura 1b
  3. Coloque a segunda camada de papel grafeno sobre o topo da fita de deslocamento para a primeira camada de papel grafeno (Figura 1a). Aplique pressão moderada (imprensa de maneira uniforme com o polegar, ~ 100 N sobre 0,7 centímetros 2 de área), após a adição de cada camada para garantir a realização de uma boa vedação entre as camadas.
  4. Repita os passos 1.2 e 1.3 para as restantes camadas, deixando ambas as camadas superior e inferior de papel grafeno. O corte ao longo da linha a tracejado mostrado na Figura 1 B para remover o excesso de fita a partir das extremidades do dispositivo, deixando uma pequena margem de ~ 1 milímetro para assegurar o isolamento entre as camadas de papel selado grafene (Figura 1b).
    NOTA: Fita dupla face não é utilizado como as camadas superior e inferior para evitar a coleta de detritos como esta estrutura laminada é perfurado, montado em um slide, e preenchido com amostra.
  5. Realize um teste de isolamento rápido com um multímetro (modo de resistência). Posicione as sondas positivos e negativos em dois lados diferentes do the dispositivo (A e B na Figura 1c); alta resistência (kilo-to mega-Ohms) indica um bom isolamento entre as camadas. Remova a estrutura em camadas da lâmina de vidro para se preparar para micro-perfuração de poços.
    NOTA: Um dispositivo normalmente falha o teste de isolamento quando as camadas de papel de grafeno adjacentes fazer contato durante as etapas de 1.2 a 1.4. Descartar tais dispositivos.

2. Broca Micro-bem na estrutura laminada

  1. Use uma máquina de micro-moagem mecânica controlada por computador e escolher uma fresa de topo com um mM 700 de diâmetro e 2,1 mm de comprimento de corte. Imobilizar a estrutura laminada na fase de micro-moagem usando braçadeiras apropriadas (figuras 2a e b). Executar o fuso da máquina de fresagem de 8600 rpm, em seguida, baixar a fresa lentamente para dentro e através do centro da estrutura laminada. Mova a fresa girando para cima e para baixo através do micro-bem para suavizar a parede interna.
    1. Escolha de micro-poçosdiâmetros, que são limitados por disponível fresa de topo diâmetro / comprimento de proporções corte. Certifique-se de que a superfície interna do micro-bem é tão vertical e limpo possível para ótimas gradientes de campo elétrico e passagem de luz através do micro-bem.
  2. Limpo de detritos a partir de micro-poços com ar pressurizado. Execute outro teste de isolamento, conforme descrito no 1.5.

3. Fixe fios elétricos à estrutura laminada

  1. Dobre as duas 3 cm de comprimento 32 G fios de cobre em um ângulo direito a 2 cm. Misturar ~ 1,5 ml de partes A e B de prata epóxi condutora.
    NOTA: Equação 1
  2. Aplique manualmente epóxi prata misturada ao topo e as pontas de todos os 3 camadas de papel de grafeno para garantir um bom contato entre as camadas do lado A da estrutura laminada (Figura 1c), em seguida, coloque a ponta do fio de cobre de 1 cm de epóxi e entre quaisquer dois camadas. Suavemente squeeze as camadas para remover o excesso de epóxi e assegurar um bom contato elétrico. Repetir para o lado B da estrutura laminada.
  3. Colocar todo o dispositivo na prateleira do forno, para secar durante a noite de 70 ° C a 1 atm e.

4. Prepare Sample e Mídia

  1. Prepare a mídia isotónica de um espectro de condutividade utilizando o medidor de condutividade, a solução de manitol 290 mM e adições de série dos isotónica salina de tampão fosfato (PBS).
    NOTA: Existe uma correlação linear entre a condutividade eo volume de concentração de ~ 290 mOsm / L PBS (condução) em ~ 290 solução mOsm / L de manitol (não condutores). O vídeo apresenta uma média de 0,01 S / m de condutividade.
  2. Misture esferas de poliestireno com meios preparados condutividade ou e-pura água (~ 5 x 10 -6 S / m) para uma relação de 01:50 vol: vol. Este protocolo é facilmente adaptável às células biológicas bem.

5. Experiência de Instalação e Operação Dispositivo

  1. Prenda o dispositivo onto uma lâmina de vidro com pressão moderada (Figura 2d) usando grampos de papel modificados ou equivalente. Os fundamentos deve ser perto o suficiente para o micro-bem para selar a estrutura laminada para a lâmina de vidro impedindo o vazamento da amostra. O grampo deve caber dentro do estágio do microscópio com pressão otimizado para a) evitar a deformação da estrutura laminada, e b) garantir o fluido micro-bem não vaza. Deformação altera a geometria bem e caminho da luz reduzindo experimento reprodutibilidade.
  2. Usando uma seringa de micro ou equivalente, injectar lentamente ~ 1 ul da amostra num micro-poços e evitar a introdução de quaisquer bolhas. Repetir a injecção, se necessário, e utilizar o cuidado de não danificar as paredes de micro-poços, com a agulha afiada. Ligeiramente sobrecarregue o micro-bem e deslize imediatamente tampa de vidro sobre o micro-bem para remover o excesso de líquido, evitar a evaporação, e garantir volumes reprodutíveis para cada experimento.
    NOTA: A ponta de diamante glasscutter funciona bem para SCORe de crack e tampa de vidro de tamanho.
  3. Fixe o microdispositivo laminado preenchido para o estágio do microscópio e anexar os fios de eletrodo gerador de função para os dois de cobre leva no dispositivo. Em AxioVision (software Zeiss), clique no botão para iniciar a gravação da câmera em modo de aquisição multidimensional. Iniciado sinal gerador de função em um período de tempo fixo após o início da gravação da câmera CCD para documentar as respostas com e sem campo elétrico aplicado.
    NOTA: Aqui 100 Hz a 10 MHz com um sinal de pico a pico de 15 V foram aplicados e os experimentos foram observados em aumento de 10x em 1 a 200 acima da superfície da lâmina de vidro por 2 segundos sem campo e ~ 5 min com o campo aplicado. As imagens foram digitalmente salvo no 1 a 5 frames por segundo (fps) para análise posterior.
  4. Ao final do experimento, remover o dispositivo e desmontar as pinças. Mergulhe tanto a lâmina de vidro e dispositivo com água e sabão, em seguida, enxágüe bem. Reutilizar dispositivos cerca de 30 horas com um desempenho consistente.

6. Análise de Dados e Processamento de Imagem

  1. Analisar dados de imagem com software preferido, como o ImageJ. Calcule a velocidade do deslocamento da partícula entre imagens consecutivas em um determinado intervalo de tempo.
  2. Calcule a força força DEP e campo experimental com base na velocidade de compilar as tendências e comparar com a teoria 29.
  3. Velocidade da partícula medida radialmente no micro-geometria bem consistente com a forma do gradiente de campo eléctrico. A partir do bordo de micro-poços para o centro, identificar oito contornos concêntricos isoeléctricos (350, 300, ... 50, 0 um), o que resulta em sete regiões.
    NOTA: O tempo de partículas para atravessar a distância 50 mm foi utilizada para calcular a velocidade. Quando variações geométricas exigiu ele, os contornos isoelétrico foi ligeiramente alterado.

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Representative Results

Experimentos dieletroforética em 6 um esferas de poliestireno foram conduzidos em um 0,38 milímetros 3 cilíndrico micro-poços. Os resultados demonstram que um dispositivo 3D laminado à base de papel grafeno pode ilustrar assinaturas dielectrof oréticas semelhantes como dispositivos de folha de metal laminado 3D 20, 21, tradicional 2D metal eletrodo 26, 27, e dispositivos isolantes 2D 25. Nas experiências que se seguem, um sinal AC de 15 V pico a pico e foi aplicado foi variado de frequência de 100 Hz a 10 MHz. 30. DEP resultados qualitativos são mostrados na Figura 3, no tempo 0, antes da aplicação de campo (primeira coluna) e depois de 5 min (segunda coluna) no campo eléctrico. Quando não há campo elétrico estava presente, as partículas de sedimento lentamente para o fundo do dispositivo via gravidade (Figuras 3a e b) Figura 3c. Ed demonstrar típico PDEP resulta em 1 kHz, comoindicado por partículas agrupando na direcção dos bordos de micro-poços. Figura 3e e f ilustram PADS a 10 MHz, tal como indicado pela orientação das partículas, no centro.

Figura 4a ilustra as respostas DEP experimentais para condutividade entre 0,0001 S / m e 1,3 S / m em uma faixa de freqüência de 100 Hz a 10 MHz. Negativo DEP (PADS) ou DEP positivo (PDEP) foi tipicamente determinada pela observação de grânulos que se deslocam em direcção ao centro ou nas extremidades das micro-poços. No entanto, esta é complicada pela recirculação de fluxo (20-50 um) de diâmetro próximo das extremidades do micro-poços que aconteceram simultaneamente com um comportamento DEP em duas regiões no espaço de frequências de condutividade como mostrado por símbolos abertos na figura 4a. Um tipo de fluxo de recirculação foi observada abaixo ~ 10 kHz a todas as condutividades testadas, enquanto o outro tipo foi observada a alta condutividade e alta frequência. Os fluxos de recirculação alterar PADS ou PDEP talão motiões em graus variados. Estas forças simultâneas são ilustrados no espaço de parâmetros na Figura 4a.

Velocidades dieletroforética estão tabulados como uma função da posição radial, o uso de contadores concêntricas (Figura 5a) na micro-poços. Tendências de velocidade com posição está mostrada na Figura 5c. Como esperado, as maiores velocidades são observados perto da extremidade de micro-poços, que corresponde a região de maior densidade de campo eléctrico (Figura 5b). As partículas se movem verticalmente dentro e para fora do plano focal durante um 1 minuto de gravação. No entanto, esta velocidade de magnitude vertical é estimada para ser e, por conseguinte, é insignificante em comparação com o 5 ~ 100 mm / seg velocidade concêntrica medido. No plano velocidades variam de 5 mm / seg a 36 mM / seg, o que corresponde a mobilidades DEP de ≈ 1,07 x 10 -16 m 4 / (V ⋅ s) sobre a região de densidade de campo eléctricos de 5 x 10 4 V / m para 3 x 10 5 V / m. As velocidades são consistentes com os relatados em sistemas 3D 31, 32, 33 sistemas de eléctrodos em 2D, e os sistemas de DEP DC isolador 34.

Figura 1
Processo de fabricação Figura 1. Do dispositivo laminado. a) empilhar Alternadamente seis camadas de papel de grafeno e 5 camadas de fita dupla face para impedir a ligação entre as camadas de grafeno adjacentes. b) camadas de imprensa juntos e corte o excesso de fita dupla face ao longo da linha vermelha tracejada. c) Faça um micro-bem em o centro através de micro-moagem, como mostrado nas Figuras 2a e b. d) Aderir dois cobre conduz para o lado A e lado B com epóxi prata. e) dispositivo fabricado final.


Figura 2. A) máquina de micro-perfuração controlada por computador. B) estrutura de laminado é imobilizado no palco com grampos. O ar pressurizado é usado para fundir detritos fora da fresa de topo. C) experimentos microdispositivo são realizadas com um microscópio, câmera CCD, gerador de funções e um computador para aquisição de dados. D) Opinião do Close-up de microdispositivo preso numa lâmina de vidro no palco microscópio . AC do sinal eléctrico a partir do gerador de função é aplicada ao dispositivo através dos condutores de cobre.

Figura 3
Figura 3. Respostas dieletroforese típicos dentro do 3D laminado microdispositivo. A 15 V pico a pico foi aplicado com uma condutividade média de 1,3 x 10-4 S / m. A primeira coluna ilustra as partículas no experimento começar com o campo eléctrico fora, e a segunda coluna mostra a resposta após 5 min ab) partículas de sedimentos para o fundo de micro-poços, cd.) A 1 kHz, as partículas recolhidas perto da ponta de micro-poços , indicando PDEP. ef) a 10 MHz, as partículas focado para o centro da micro-bem, indicando PADS.

Figura 4
Figura 4. Uma) comportamento Experimental DEP de 6,08 mM esferas de poliestireno como uma função da condutividade (0,0001-1,3 S / m) e de frequência (100 Hz, 10 MHz) em PBS ajustado solução de manitol. Pequenos recirculações foram observados em simultâneo com o comportamento DEP perto bordas micro-bem para baixas frequências (<1 kHz) e todas as condutividades médias testadas, bem como em altas freqüências e maior condutividade médio. Símbolos abertos representar DEP DEP negativa e positiva com recirculação, enquanto o símbolo sólido representa PADS sem recirculação. Abaixo ~ 100 Hz, bolhas de eletrólise foram observados e são representados por Δ. B) Previsão de freqüências de crossover de 0,0001 S / m para 1,3 S / m. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 5
Figura 5. A) Imagens de esferas de poliestireno experimentando PADS em um pico a pico de 15 V, campo de 1MHz. Os círculos concêntricos rastrear o movimento de partículas, enquanto atravessam a microplaca. B) simulação COMSOL de gradiente de campo elétrico (V / m2) de uma secção transversal de micro-bem. C) velocidades dieletroforética de grupos de contas em função da posição radial dentro do micro-bem. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

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Discussion

Este manuscrito detalhes protocolos para fabricar uma camada de grafeno novela 6 e 5 camada de fita microdispositivo. Além disso, a operação do dispositivo é ilustrada através de comportamentos DEP observados de 6,08 mM esferas de poliestireno, juntamente com uma abordagem de análise de velocidade da partícula única, geometricamente relevante. Esta abordagem versátil para construir dispositivos eletrocinéticos não-lineares é menos onerosa do que eletrodo e técnicas de microfabricação camada fluídicos, enquanto produzindo resultados igualmente confiáveis.

Além disso, este novo papel grafeno microdispositivo 3D rendeu resultados experimentais dielectrof oréticas que concordam tanto com o comportamento previsto teoricamente e anteriormente relatados resultados experimentais 35. Para frequências de sinal de 100 Hz até 10 MHz e condutividade de mídia a partir de 1 x 10 -4 S / m para 1,3 S / m, experimentos verificou-se a existência de uma frequência de crossover, abaixo do qual PDEP foi observado e acima do qual PADS foi observada. Como esperado,PADS foi observada sobre a maioria do espaço condutividade-frequência, como mostrado na Figura 4a. A teoria prevê que 6,08 mM esferas de poliestireno homogêneas (ε ρ = 2.55, σ ρ = 1,3 x 10 -3 S / m 36) tem uma frequência de crossover quando σ m <σ ρ = 1,3 x 10 -3 S / m. No espaço restante parâmetro de 1 x 10 -4 S / m para cerca de 1,3 x 10 -3 S / m, foram observadas frequências de transição (f co da ordem de ≈ 1 kHz. Por exemplo, co f é 1 kHz numa 3,9 x 10 -4 S / m média, enquanto que um resultado experimental anterior relatada em 1,0 x 10 -3 S / m foi f co = 5 kHz 35, e com base em modelo previu o valor foi de 168 kHz 37-39. Estes três resultados são considerado de acordo áspero dada a sensibilidade da freqüência de cruzamento de mudar em co médionductivity na região específica 40, bem como outros factores de composição de carga induzidas e variações do equipamento. Tal como mostrado na Figura 4b, como media condutividade muda ligeiramente a partir de 1 x 10 4 S / m a 1,3 x 10 -3 S / m, frequências de corte correspondentes diminuir duas ordens de grandeza ou mais. Usando 168 kHz como a frequência de transição no modelo, com parâmetros fixos, conforme especificado acima, pode-se resolver para a condutividade da partícula e que é para ser 1,00 x 10 -3 S / M em comparação com o valor real de 1,3 x 10 -3 S / m (23% de diferença).

Observações de dois tipos de recirculação flui no espaço condutividade freqüência foram observados e atribuídos a eletroosmose e eletrotérmica fluxos AC nas regiões de baixa e alta freqüência, respectivamente. Para baixas freqüências (<10 kHz) em todas as condutividades médias testadas, as velocidades das partículas de recirculação locais aumentaram a freqüênciadiminuiu com ligeiras alterações, devido à condutividade médio. Ambas as condições condutividade freqüência e tamanho dos rolos de recirculação (20-50 um) concordam com estudos anteriores electrosmótico AC fluxo 41-43. Para altas freqüências relativas (> 100 kHz) a relativa alta condutividade média (> 0,01 S / m), PADS começa a ser dominado por recirculação. Velocidades de recirculação de partículas aumentou com o aumento da condutividade média e frequência aumentada. Mais uma vez, tanto as condições de condutividade frequência eo tamanho das recirculações concordam com os achados anteriores 44-47.

Em DEP 3D, as partículas também experimentam forças dielectrof oréticas que empurram as partículas entre camadas de papel grafeno adjacentes em várias posições verticais em micro-poços. A observação de microscópio óptico deste é parcialmente comprometida, porque a luz é dispersa pelas partículas DEP focadas acima e abaixo do plano de interesse. Devido à sedimentação por gravidade ao longo do tempo, more partículas foram observadas perto dos planos de focagem inferior DEP que nos planos superior mais DEP focagem (dados não mostrados) 48.

Fabricação de dispositivos é extremamente versátil; os protocolos fornecidos pode ser facilmente adaptado para dispositivos com mais camadas ou outros materiais. Como um material de camada de isolamento alternativo, polidimetilsiloxano (PDMS) filmes finos podem ser spincoated a uma espessura controlável e bastante uniforme. PDMS foi bem caracterizado propriedades elétricas e químicas de superfície, mas lidar com tais filmes finos frágeis era problemático. Fita dupla face tem espessura mais uniforme, era mais fácil de manusear, com melhor vedação camada-a-camada e, assim, rendeu maior taxa de sucesso de dispositivos de forma otimizada funcionais. O papel grafeno Ciências XG (Folha B-072) funcionou bem como um material de eletrodo e fabricação sob medida oferecido qualidades elétricas e mecânicas versáteis. As concentrações mais elevadas nanoplatelet reduzida resistividade papel 24 e Polymeric suporta impedido de adsorção de água, enquanto suportes celulósicos permitir a difusão de água (dados não apresentados).

Complicações com a funcionalidade do dispositivo pode incluir aumento da resistividade na superfície bem, conexões elétricas quebrados, bolhas eletrolíticos, introdução de bolhas durante o carregamento da amostra, e enviesada bem geometria. O teste de isolamento no processo de passo de 1,5 deve ser utilizado antes de cada experiência para avaliar a integridade do dispositivo. A superfície do papel utilizado XG grafeno exposta ao micropoços desgastou fora após ~ 30 experimentos. Resultados inconsistentes DEP foram facilmente reconhecidos através de fluxo global errático através do micro-bem ou nenhuma resposta a um potencial aplicado. Lado A e Lado B (Figura 1c) camadas de grafeno do dispositivo pode quebrar se não for tratada com cuidado. Nesses casos, são necessários dispositivos de substituição. Em freqüências igual ou inferior a 100 Hz, os eletrodos de grafeno 3D catalisada eletrólise da água para produzir O 2 e H 2 bolhas. Thé limite de freqüência é de 2 ordens de grandeza menor do que os resultados anteriores deste grupo com eletrodos microfabricados tradicionais em 2D 49, o que amplia o espaço de manobra na qual as partículas ou células biológicas podem ser interrogados. As bolhas de ar da seringa amostra deve ser evitado devido a forma do campo elétrico e interferências ópticas. Por fim, perfeitamente verticais micro-perfuração de poços é fundamental para a iluminação óptica consistente e observação de comportamentos DEP. Micro-bem inclinação torna-se mais difícil de gerir como o número de camadas estratificadas aumenta. A maioria dos microscópios confocais e leve têm de trabalho distâncias inferiores a 1 mm, de modo comportamentos DEP não pode ser facilmente observado a espessura acima deste. No entanto, aumentando a terceira dimensão seria vantajoso para o processamento de DEP grande escala.

A estrutura de grafeno de papel / fita laminada simples tem sido demonstrada como um DEP 3D microdispositivo por lotes. Em aplicações futuras, partícula ou cell suspensão pode fluir continuamente através do dispositivo para a obtenção da maior rendimento DEP triagem 50. Aplicações biomédicas específicas que exigem a classificação de grandes volumes para separar e identificar células raras incluem a detecção de células tumorais circulantes 51 e sepse 52. Além disso, o papel de grafeno de absorção de água pode funcionar simultaneamente como um eletrodo e meio de difusão para concentradores de partícula / celulares. Finalmente, o papel grafeno tem sido demonstrada como um biossensor viável 24. O aparelho descrito aqui pode ser utilizado para a concentração DEP simultânea e detecção biológica na superfície do grafeno. Assim, diferentes tipos de papel grafeno pode ser eletrodos úteis em alto rendimento sistemas microfluídicos empregando electrocinética e / ou biossensores.

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Disclosures

Os autores não têm conflitos de divulgar.

Acknowledgments

Graças ao XG Ciências de doações generosas de papel grafeno. Graças ao Dr. C. Friedrich para generosamente nos deixar usar o equipamento de micro-perfuração. Um agradecimento especial é estendido para Tayloria Adams para narrar o vídeo.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Polystyrene Beads Spherotech, Inc. PP-60-10 6.08 μm 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
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 Version 4.8

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

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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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