三维石墨烯电极介电电泳装置的开发

本方案展示了制备三维层压石墨烯纸、微电极器件，以及在器件内通过介电泳（DI electrophoresis）或介电电泳（DEP）操控聚苯乙烯微珠或生物细胞的实验方法。此后，我们将把介电电泳简称为 DEP。器件的制备首先通过交替堆叠多层 50 微米厚的石墨纸和 N 减 1 层 100 微米厚的压力敏感聚合物胶带实现，从而形成一半为信号电极、一半为接地电极的结构。

将各层压合在一起，修整边缘，然后在结构上钻出微孔。最后，使用银环氧树脂将两根铜导线分别连接到器件的两端。第二步是制备具有所需电导率的介电泳介质。

随后将多聚星形微珠以特定的体积比悬浮于该介质溶液中。第三步也是最后一步，是将制备好的微珠悬液加载到装置中，将装置固定在显微镜载物台上，连接函数发生器，最终启动介电电泳（DEP）。最后利用显微镜记录DEP响应，并通过进一步分析研究细胞或颗粒的特性。

石墨烯是一种多功能材料，因其强度以及热学和电学特性而被广泛应用。本方案利用一种低成本的石墨烯纸作为三维介电泳微装置中的导电电极层，该装置能够分辨颗粒和细胞，适用于血型鉴定或疾病细胞的医学诊断等应用。这种石墨烯纸电极微装置的优势包括更简便的制备工艺、更高的样品处理效率以及几何结构的灵活性。

三维非均匀电场能够利用介电泳力操控大体积样品，这种力可基于颗粒和细胞固有的化学和形态学特性对其进行区分。使用石墨烯纸和胶带组装层压装置。本实验采用商业供应商提供的厚度为75微米的疏水性石墨烯纸和厚度为100微米的压敏双面胶带。

首先用手术刀和直尺将石墨烯纸切割成 6.7 厘米 × 1.5 厘米的矩形，再用剪刀将双面压敏胶带剪成五条长约 1.3 厘米、约 5 厘米长的条状。将第一层石墨烯纸平铺在洁净的玻璃载玻片上。缓慢用一条胶带覆盖石墨烯纸的一端，留出约 2 毫米的边缘，以确保任意两层相邻石墨烯纸之间保持绝缘。

将第二层石墨烯纸放置在胶带顶部，使其与第一层石墨烯纸错开。施加适度压力，以确保层间良好接触。

对剩余的各层重复上述两个步骤，确保最顶层和最底层均为石墨烯纸。使用剪刀剪去器件边缘多余的胶带，保留约一毫米的微小边缘，以确保石墨烯纸层之间的密封绝缘。使用万用表进行快速绝缘测试，将正极和负极探针分别放置在器件两侧的电极引线上。

数百千欧姆的高电阻表明各层之间具有良好的绝缘性。现在，该层压结构已准备好进行微孔钻孔。我们使用微型铣床在层压结构上钻出微孔。

此处我们使用直径为700微米、刃长接近2.1毫米的微型立铣刀。微型立铣刀的选择依据是微孔的直径和装置的厚度。使用夹具将层压结构固定在微钻孔平台上，通过计算机控制将立铣刀准确定位在结构上方，同时对装置施加加压空气。启动立铣刀旋转，然后缓慢将其下降并穿过层压结构的中心。

停止钻孔的深度应略大于层压结构的厚度，以确保彻底清除新孔中的碎屑。通过多次上下移动立铣刀穿过微孔，以修整孔内壁。

微孔的内表面应尽可能保持垂直和清洁，以获得最佳的电场梯度并使光线顺利通过。将标准32号铜线剪成两段，每段三厘米长，并在距一端两厘米处折成两个直角。手动混合约0.75毫米的导电银环氧树脂A组分与约0.75毫米的B组分。

在一个小型容器中，将导线通过小心地涂抹银环氧树脂至三层石墨烯纸的末端及层间，以确保各层之间具有良好的接触。接着，将一厘米长的导线置于任意两层之间，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。对层压结构的另一侧重复此操作。

将整个装置置于支架上，放入烘箱中，在70摄氏度和一个大气压下过夜干燥。从烘箱中取出装置，并检测电极引线之间的电气绝缘性。在此，我们通过混合不同比例的预先配制的290毫渗摩尔/升明胶溶液与PBS，制备一系列不同电导率的溶液介质。

这些溶液经过简单配制，用于粗略模拟细胞培养缓冲液。这两种溶液的体积比与所得到溶液的电导率之间存在线性关系。通过移液方式，将混合的聚苯乙烯微球或生物细胞与配制好的电导率介质按 1:100 的体积比混合。取 10 微升聚苯乙烯微球和 1 毫升介质溶液加入样品瓶中。

通过涡旋充分混匀样品。使用改良的纸质夹子或等效工具，以适中的压力将装置固定在玻璃载玻片上。支架应紧靠微孔，以使层压结构与玻璃载玻片密封，防止任何样品泄漏。

应控制夹具的松紧度，避免装置发生形变，从而对微孔几何形状和光路造成不利影响。使用足够宽的金刚石刀尖玻璃切割器，在0.5毫米厚的盖玻片上切割出略大于微孔的裂口，将盖玻片裁切至合适尺寸后备用。使用该微量注射器，缓慢向微孔中注入约1微升的聚苯乙烯微球悬浮液。为避免引入气泡，若出现气泡应重复注射操作，并注意避免锋利的针头损伤微孔壁。略微过量填充微孔后，立即盖上预先准备好的玻璃盖片，以去除多余液体、防止蒸发，并确保体积的可重复性。

每次实验时，将完整的层压微装置固定在显微镜载物台上，并连接信号发生器。使用鳄鱼夹将装置与铜导线相连，并通过显微镜软件调节焦距，以清晰观察微孔。屏幕中央显示参数为100赫兹至10兆赫兹，15伏特。

将峰值顶点信号施加到设备上。在玻璃载片表面以上1至200微米处，以10倍放大倍率观察微孔中的微珠。点击按钮以开始相机记录与数据采集。

在开始相机记录后两秒启动函数发生器信号。图像以每秒一到五帧的速度进行数字化保存，持续约五分钟，用于后续强度分析。实验结束后，移除装置并拆下夹具。

用肥皂水清洗载玻片和装置。然后充分冲洗。在无电场的情况下，颗粒仅因重力作用沉降到装置底部。在约一千赫兹的电场下，正向介电泳行为表现为颗粒沿电场梯度向上移动，靠近石墨烯纸。

当电场频率高于100千赫兹并进入兆赫兹范围时，可在微孔边缘观察到电极现象。观察到的负向介电电泳（DEP）表现为微珠沿电场梯度向微孔中心移动。该三维石墨烯纸电极微装置所得实验结果与理论预测行为及先前报道的实验结果均高度一致。

器件制备具有极高的通用性。所提供的方案可轻松适用于层数更多或使用其他材料的器件。本视频详细展示了批量制备三维介电泳微器件的过程。

然而，在未来的应用中，可以通过连续流动粒子或细胞悬浮液穿过该装置的微孔，以实现更高的通量。介电泳（DEP）分选具有多种应用灵活性，其中一个例子是：吸水性石墨烯纸可同时作为粒子或细胞浓缩装置的电极和滤膜，甚至可用作电动力学生物化学传感器。观看本视频后，观众应能够充分理解如何制备多层石墨烯纸、电极微装置，以及如何操作该装置进行粒子或细胞实验。