三维石墨烯电极介电电泳装置的开发

摘要

采用一种具有高通量潜力的微装置，结合新型材料演示了三维（3D）介电泳（DEP）。将石墨烯纳米片纸与双面胶带交替堆叠，并在垂直于层方向钻出一个700 μm的微孔。在该微孔中展示了聚苯乙烯微球的介电泳行为。

摘要

介绍了一种利用50 µm厚的石墨烯纸和100 µm双面胶带设计与制备新型三维电极微装置的方法。该方案详细描述了构建一种多功能、可重复使用、多层层压介电电泳腔室的步骤。具体而言，将六层50 µm x 0.7 cm x 2 cm的石墨烯纸与五层双面胶带交替堆叠后，夹紧固定于玻璃载片上。随后，使用计算机控制的微钻机在层压结构上钻出直径为700 μm的微孔。通过电阻测试确保相邻石墨烯层之间胶带层的绝缘性能。银导电环氧树脂连接交替的石墨烯纸层，并在石墨烯纸与外部铜导线电极之间形成稳定连接。完成后的装置被夹紧并密封至玻璃载片上。对多层装置内部的电场梯度进行了建模。在深度为1 mm的微孔中，演示了6 μm聚苯乙烯微球在介质电导率范围为0.0001 S/m至1.3 S/m、施加信号频率范围为100 Hz至10 MHz条件下的介电电泳行为。在大部分电导率-频率范围内，观察到三维空间中的负向介电电泳响应，且交叉频率值与先前文献报道的结果一致。该装置未抑制交流电渗和电热流，二者分别出现在低频和高频区域。本装置所用的石墨烯纸具有多功能性，在完成介电电泳表征后，还可进一步用作生物传感器。

引言

石墨烯是一种新型材料，以其优异的电子特性以及在化学和生物传感器应用方面的潜力而著称¹。石墨烯纳米片已被用于催化剂载体^2,3、生物传感器⁴、超级电容器⁵，以及包含石墨烯/聚苯胺和硅纳米颗粒/石墨烯复合材料的复合电极^6-8。本文描述了将石墨烯纸用作一种独特的三维（3D）层状微流控装置中的电极。石墨烯纸电极与绝缘双面胶带层压结合，并在其中钻孔形成腔室，用于进行聚苯乙烯微球的三维交流介电电泳。

介电电泳（DEP）是指可极化粒子在非均匀电场作用下的运动现象。当粒子的极化能力高于或低于周围介质时，分别产生正介电电泳（pDEP）或负介电电泳（nDEP），导致粒子向电场最强或最弱区域移动。这种非线性电动力学工具已被广泛应用于颗粒和生物细胞的分离、分选、捕获与识别^9-15。极化粒子所受的介电电泳力取决于电场梯度、粒子半径与形状、粒子的介电特性（包括电导率和介电常数），以及介质的电导率和介电常数。在传统的二维（2D）介电电泳中，粒子运动主要发生在由微加工表面电极之间形成的电场梯度主平面内；在大多数装置中，垂直方向上的运动相较于平面内方向可忽略不计。然而，利用电场梯度的第三维度实现三维（3D）介电电泳，可提高样品通量，并增强设计新型或改进型介电电泳分离方法的灵活性，其中流体流动方向与电场梯度方向相交^16,17。其他特定结构设计包括基于三维绝缘体的介电电泳¹⁸、三维碳电极介电电泳^13,19以及三维电沉积介电电泳¹⁰。研究表明，采用三维结构的装置可在连续流动模式下运行，从而实现更高的处理通量。在我们所使用的分层三维装置中，通过在不同焦平面上进行光学显微观察，可研究粒子在三维空间中的运动行为，并分析其随频率和介质电导率变化的响应特性。

Fatoyinbo et al. 首次报道了在三维层压电极/绝缘结构中使用交替堆叠的30 μm铝箔和150 μm环氧树脂薄膜实现介电电泳（DEP）²⁰。Hubner et al. 随后设计了类似的三维层压电极，采用35 μm铜带和118 μm聚酰亚胺胶粘剂²¹。本研究借鉴了三维微井结构设计^22,23，并创新性地利用50 μm石墨烯纸作为导电层、100 μm双面胶带作为绝缘层，实现了良好的密封性和充分的电屏蔽。石墨烯纸的多功能性是三维电极微器件的一个显著优势，因为石墨烯纳米片能够同时充当生物传感器，该研究团队此前已对此进行了验证²⁴。

石墨烯纸/聚合物层压三维微装置内的场梯度取决于微孔尺寸、石墨烯纸层数以及施加的电场。关键尺寸包括垂直电极间距（导电层与绝缘层厚度）、微孔直径和高度（由堆叠层数决定）。电信号可通过调节幅值和频率进行优化。当前装置结构适用于批量操作，但也可定制为连续流动装置。本文所述的装置制备技术可通过更换所用的石墨烯纸，灵活适用于开发具有多种石墨烯纳米片特性的三维层压电极。使用石墨烯纸的优势在于其物理和化学性质的多样性、成本较低，且石墨烯纳米片可同时作为生物传感器，用于检测多种生物分析物²⁴。高通量三维介电泳（DEP）系统的长期目标是快速识别细胞类型^25-27，或实现无需标记、通过电学手段将病变细胞从健康细胞群体中分离²⁸。本文展示了材料优化、装置制备与操作流程，并随后对典型实验结果进行了图示与分析。

方案

1. 制备层压电极/绝缘三维结构

1. 对于一个6层石墨烯、5层胶带的器件，使用手术刀或类似的剃刀片配合直边尺，将石墨烯纸切割成六个尺寸为0.7 cm × 1.5 cm的矩形，并使用剪刀将双面压敏胶带裁剪成五条尺寸为1.3 cm × ~5 cm的条状。
   注：如图1a所示，该设计构成一个包含3个接地电极和3个交流信号电极的器件。7 mm的导电层宽度足以适配载玻片，同时又足够宽以便于后续钻孔操作；2 mm的留边长度在反复使用时不易断裂，并有足够的空间用于连接铜线。器件的深度受限于端铣刀的加工深度。
2. 将第一层石墨烯纸平铺在洁净的载玻片上。缓慢地用一条胶带覆盖石墨烯纸的一端，保留约2 mm的边缘，以确保相邻两层石墨烯纸之间实现绝缘（图1b）。
3. 将第二层石墨烯纸放置在胶带之上，并相对于第一层石墨烯纸进行错位排列（图1a）。每次添加导电层后，施加适度压力（用拇指均匀按压，压力约为100 N，作用面积为0.7 cm²），以确保各层之间良好密封。
4. 对剩余各层重复步骤1.2和1.3，最顶层和最底层仍为石墨烯纸。沿图1b中所示虚线裁切，去除器件边缘多余的胶带，保留约1 mm的小边距，以确保石墨烯纸层之间的绝缘完全密封（图1b）。
   注：最顶层和最底层不使用双面胶带，以避免在钻孔、安装至载玻片以及样品填充过程中吸附杂质。
5. 使用万用表（电阻模式）进行快速绝缘测试。将正负探针分别置于器件两侧不同位置（图1c中的A和B）；若测得高电阻（千欧至兆欧级别），则表明各层之间绝缘良好。将多层结构从载玻片上取下，准备进行微孔钻孔。
   注：若在步骤1.2至1.4过程中相邻石墨烯纸层发生接触，器件通常会无法通过绝缘测试，此类器件应予以废弃。

2. 在层压结构中钻制微孔

1. 使用计算机控制的机械微铣削机，并选择直径为 700 µm、切削长度为 2.1 mm 的端铣刀。使用适当的夹具将层压结构固定在微铣削机的工作台上（图 2a 和 b）。将铣削机主轴转速设为 8,600 rpm，然后缓慢将端铣刀向下切入并穿过层压结构的中心。上下移动旋转的端铣刀，以修整微孔内部壁面。
   1. 微孔直径的选择受限于可用端铣刀的直径与切削长度之间的比例关系。应确保微孔内表面尽可能垂直且清洁，以实现最佳的电场梯度和光线在微孔中的透过效果。
2. 用加压空气清除微孔中的碎屑。按照步骤 1.5 所述进行另一次绝缘测试。

3. 将电极引线连接到层压结构

1. 将两根3 cm长的32 G铜线在2 cm处弯成直角。取约1.5 ml的导电银环氧树脂组分A和B，混合均匀。
   注意：
2. 手动将混合好的导电银环氧树脂涂覆在所有三层石墨烯纸的顶部和端部，以确保层压结构A侧各层之间具有良好的接触（图1c），然后将1 cm长的铜线末端插入环氧树脂中并置于任意两层之间。轻轻挤压各层，以去除多余的环氧树脂并确保良好的电接触。对层压结构的B侧重复此操作。
3. 将整个器件置于烘箱中的支架上，在70 °C、1 atm条件下干燥过夜。

4. 准备样品和培养基

1. 使用电导率仪、290 mM 甘露醇储备液以及等渗磷酸盐缓冲液（PBS）的逐级添加，配制一系列不同电导率的等渗培养基。
   注意：在约 290 mOsm/L 的甘露醇溶液（非导电）中，电导率与约 290 mOsm/L PBS（导电）的体积浓度之间存在线性相关关系。本视频中使用的培养基电导率为 0.01 S/m。
2. 将聚苯乙烯微球与已配制的电导率培养基或超纯水（~5 x 10^-6 S/m）按 1:50 的体积比混合。该方案也可轻松适用于生物细胞。

5. 设置实验并操作设备

1. 使用改良的纸夹或等效装置，以适中压力将设备夹紧在玻璃载片上（图2d）。夹具支脚应靠近微孔，以使层压结构与玻璃载片密封，防止样品泄漏。夹具应适配显微镜载物台，压力需优化至：a）避免层压结构变形；b）确保微孔中的液体不泄漏。变形会改变孔的几何形状和光路，降低实验的可重复性。
2. 使用微量注射器或等效工具，缓慢将约 1 µl 样品注入微孔中，避免引入气泡。如有必要可重复注射，并注意避免尖锐针头损伤微孔壁。略微过量填充微孔后，立即盖上盖玻片以去除多余液体、防止蒸发，并确保每次实验的体积一致。
   注意：使用金刚石尖头玻璃刀可有效划痕并切割盖玻片至所需尺寸。
3. 将组装完成的层压微装置固定在显微镜载物台上，并将信号发生器的电极导线连接至装置上的两个铜电极。在 AxioVision（蔡司软件）中，点击按钮以多维采集模式启动相机记录。在CCD相机开始记录后的固定时间点启动信号发生器，以记录施加与不施加电场条件下的响应情况。
   注意：本实验中施加了频率为 100 Hz 至 10 MHz、峰峰值电压为 15 V_peak-peak 的信号，在玻璃载片表面以上 1 至 200 倍放大倍数下进行观察，无电场条件下持续 2 秒，施加电场条件下持续约 5 分钟。图像以每秒 1 至 5 帧（fps）的速率进行数字保存，用于后续分析。
4. 实验完成后，取下装置并拆除夹具。将玻璃载片和装置均浸入肥皂水中，然后充分冲洗。该装置可重复使用约 30 次，且性能保持稳定。

6. 数据分析与图像处理

1. 使用首选软件（如 ImageJ）分析图像数据。根据给定时间步长内连续图像中颗粒位移计算其速度。
2. 基于速度计算实验中的介电泳力（DEP 力）和电场强度，以汇总趋势并与理论进行比较²⁹。
3. 在与电场梯度形状一致的微孔结构中，沿径向测量颗粒速度。从微孔边缘到中心，确定 8 条同心的等电位线（350、300、…、50、0 µm），形成 7 个区域。
   注意：使用颗粒通过 50 µm 距离所需的时间来计算速度。当几何形状变化需要时，可对等电位线进行微调。

结果

在体积为 0.38 mm³ 的圆柱形微孔中，对直径 6 µm 的聚苯乙烯微球进行了介电泳实验。结果表明，基于三维层状石墨烯纸的装置能够呈现出与三维金属箔层压装置^20,21、传统二维金属电极装置^26,27 以及二维绝缘体装置²⁵ 相似的介电泳特征。在后续实验中，施加了 15 V_peak-peak 的交流信号，并将频率从 100 Hz 扫描至 10 MHz³⁰。定性介电泳结果如 图 3 所示，分别为施加电场前（第一列）0 时刻和施加电场 5 分钟后（第二列）的图像。当无电场存在时，颗粒在重力作用下缓慢沉降到装置底部（图 3a 和 b）。图 3c 和 d 显示了在 1 kHz 下典型的正介电泳（pDEP）现象，表现为颗粒向微孔边缘聚集。图 3e 和 f 则展示...

讨论

本文详细描述了一种新型微器件的制备方案，该器件包含6层石墨烯和5层胶带层。此外，通过观察6.08 µm聚苯乙烯微球的介电泳行为，并结合一种独特的、与几何结构相关的颗粒速度分析方法，展示了器件的工作原理。这种构建非线性电动力学器件的通用方法，相较于传统的电极和微流控层微加工技术成本更低，同时可获得同样可靠的结果。

此外，这种新型三维石墨烯纸微装置产生的实验介电泳结果与理论预测的行为以及先前报道的实验结果均相符³⁵. 对于信号频率从100 Hz到10 MHz，以及介质电导率从1 × 10^-4 S/m 到 1.3 S/m，实验验证了交叉频率的存在：在该频率以下观察到 pDEP，而在该频率以上观察到 nDEP。如图所示，在大部分电导率-频率范围内，观察到的是 nDEP。 图4a理论预测，6.08 µm 均匀的聚苯乙烯微球（ε_ρ = 2.55, σ_ρ = 1.3 × 10^-3 S/m ³⁶具有交叉频率当 σ<...

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
聚苯乙烯微球	Spherotech, Inc.	PP-60-10	6.08 μm 直径
石墨烯纸	XG Sciences, Inc.	XG 叶片 B-072
双面胶带	3M	N/A	136 办公胶带
银导电环氧树脂	MG chemicals	8331-14G	A 部分 &和 B 包括
甘露醇	Sigma Aldrich	091M0020V
磷酸盐缓冲液	OmniPur	0381C490
显微镜（CCD相机）	Zeiss	Axiovert 200M
函数/波形发生器	安捷伦	33250A
注射器	Hamilton	84505
纸夹	ADAMS	3300-50-3848
烘箱	Fisher Scientific	280A
万用表	OMEGA	HHM25
微型铣床	AEROTECH	ABL1500 载物台/A3200 Npaq 控制器
立铣刀	ULTRATOOL	708473
AxioVision	蔡司	版本 4.8