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Article de méthode

Développement d'un périphérique 3D graphène électrode diélectrophorétiques

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DOI :

10.3791/51696

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22 juin 2014

 ,  ,  ,  ,  ,  , 
1Department of Chemical Engineering, Michigan Technological University, 2Department of Mechanical Engineering, Michigan Technological University, 3XG Sciences, Inc.

Dans cet article

Résumé

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.

Résumé

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.

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Protocole

1. Fabriquer une structure 3D laminé électrode / isolant

  1. 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 7 mm mener largeur de couche est suffisamment étroite pour tenir sur une lame de verre, mais assez large pour le forage facile. La longueur de 2 mm ne rompt pas facilement à une utilisation répétée et a suffisamment d'espace pour attacher des fils de cuivre. La profondeur de l'appareil est limitée par des profondeurs d'usines de fin.
  2. Poser la première couche de papier de graphène sur une lame de verre propre. Couvrir lentement une extrémité du papier de graphène avec une bande de ruban adhésif, laissant une marge mm ~ 2 pour assurer l'isolation entre les deux couches de papier adjacentes de graphène (Figure 1b ).
  3. Placer la deuxième couche de papier de graphène sur le dessus de la bande de décalage à la première couche de papier de graphène (Figure 1a). Appliquer une pression modérée (de la presse uniformément avec le pouce, ~ 100 N sur 0,7 cm 2) après l'addition de chaque couche conductrice pour assurer une bonne étanchéité entre les couches.
  4. Répéter les étapes 1.2 et 1.3 pour les couches restantes, en laissant à la fois les couches supérieure et inférieure de papier de graphène. Coupez le long de la ligne pointillée montre la figure 1b pour éliminer l'excès de bande à partir des bords de l'appareil en laissant un petit ~ 1 mm de marge pour la scellé isolation entre les couches de papier de graphène (Figure 1b).
    REMARQUE: Ruban adhésif double face n'est pas utilisé comme les couches supérieure et inférieure pour éviter la collecte de débris de cette structure stratifiée est percé, monté sur une glissière, et rempli avec l'échantillon.
  5. Effectuer un test d'isolation rapide avec un multimètre (mode de résistance). Placez les sondes positives et négatives sur deux côtés différents de eDispositif de courrier (A et B sur la figure 1c); haute résistance (kilo-de méga-ohms) indique une bonne isolation entre les couches. Retirer la structure en couches de la lame de verre pour préparer les micro-puits de forage.
    REMARQUE: Un dispositif échoue généralement le test d'isolation lorsque les couches de papier adjacentes de graphène en contact pendant les étapes 1.2 à 1.4. Jeter ces dispositifs.

2. Percer Micro-bien dans la structure stratifiée

  1. Utilisez une machine mécanique de micro-fraisage assisté par ordinateur et de choisir une fraise avec un pm 700 de diamètre et de 2,1 mm de longueur de coupe. Immobiliser la structure stratifiée de l'étape de micro-fraisage à l'aide des pinces appropriées (Figures 2a et b). Exécuter la broche de la machine de fraisage à 8600 tours par minute, puis abaisser la fraise en bout lentement dans et à travers le centre de la structure stratifiée. Déplacez le moulin de fin de rotation de haut en bas à travers la micro-et de lisser la paroi intérieure.
    1. Choisissez micro-biendiamètres, qui sont contraints par la disposition moulin à fin diamètre / longueur de rapports d'aspect de coupe. Assurez-vous que la surface interne de micro-puits est aussi vertical et propre que possible pour des gradients de champ électrique optimales et passage de la lumière à travers les micro-bien.
  2. Nettoyez les débris de micro-bien à l'air sous pression. Effectuer un autre test d'isolation tel que décrit dans 1.5.

3. Fixez les fils électriques de la structure laminée

  1. Plier deux 3 cm de long 32 g de fils de cuivre à un angle droit à 2 cm. Mélanger à environ 1,5 ml de la partie A et B de la résine époxy conductrice d'argent.
    NOTE: figure-protocol-1
  2. Appliquer manuellement époxy d'argent mélangé vers le haut et les conseils de tous les 3 couches de papier de graphène pour assurer un bon contact entre les couches sur la face A de la structure stratifiée (figure 1c), puis placez l'extrémité du fil de cuivre de 1 cm à l'époxy et entre deux couches. Doucement m²ueeze les couches pour enlever l'excédent d'époxy et assurer un bon contact électrique. Répétez l'opération pour la face B de la structure stratifiée.
  3. Placer l'ensemble du dispositif dans la grille du four, à sécher pendant une nuit à 70 ° C et 1 atm.

4. Préparer l'échantillon et des médias

  1. Préparer des milieux isotoniques d'un spectre de conductivité en utilisant l'appareil de mesure de conductivité, le mannitol solution mère de 290 mM et additions de série de la solution saline isotonique tamponnée au phosphate (PBS).
    REMARQUE: Une corrélation linéaire entre la conductivité et le volume concentration de ~ 290 mOsm / L PBS (conducteur) dans ~ 290 solution mOsm / L mannitol (non conductrice). La vidéo présente une moyenne de 0,01 S / m conductivité.
  2. Mélanger des billes de polystyrène avec les médias préparés de conductivité ou e-eau pure (~ 5 x 10 -6 S / m) à un vol 1h50: rapport de vol. Ce protocole est facilement adaptable à des cellules biologiques ainsi.

5. Expérience d'installation et d'exploitation d'appareil

  1. Fixer le dispositif onto une lame de verre avec une pression modérée (figure 2d) par des colliers de papier modifiés ou équivalent. Les semelles doivent être assez proche de la micro-puits pour sceller la structure stratifiée de la lame de verre à empêcher une fuite de l'échantillon. La pince doit s'adapter à l'intérieur de la platine de microscope à pression optimisée à: a) empêcher la déformation de la structure stratifiée, et b) assurer la micro-puits de fluide ne fuit pas. Déformation modifie la géométrie de puits et le chemin de la lumière réduisant reproductibilité des expériences.
  2. Utilisation d'une micro seringue ou équivalent, injecter lentement ~ 1 ul de l'échantillon dans la micro-puits et d'éviter d'introduire des bulles. Répéter l'injection si nécessaire et faire attention à ne pas endommager les parois des micro-et avec l'aiguille pointu. Un peu trop remplir le micro-bien et faites glisser immédiatement couvercle en verre sur le micro-bien pour enlever l'excès de liquide, empêcher l'évaporation, et d'assurer des volumes reproductibles pour chaque expérience.
    REMARQUE: Une pointe de diamant glasscutter fonctionne bien pour score et le crack couvercle en verre de la taille.
  3. Fixez le micro-dispositif stratifié terminé à la platine du microscope et attacher les fils d'électrode de générateur de fonction pour les deux cuivre conduit sur l'appareil. En AxioVision (logiciel Zeiss), cliquez sur le bouton pour démarrer l'enregistrement de la caméra en mode d'acquisition multidimensionnelle. Initier signal du générateur de fonction à une période de temps fixe après le début de l'enregistrement de la caméra CCD afin de documenter les réponses avec et sans champ électrique appliqué.
    Remarque: ici 100 Hz à 10 MHz avec un signal de 15 V crête à crête ont été appliqués et les expériences ont été observées à un grossissement de 10X à 1 à 200 ci-dessus la surface de la lame de verre pendant 2 secondes sans champ et ~ 5 min avec le champ appliqué. Les images ont été enregistrées numériquement à 1 à 5 images par seconde (fps) pour une analyse plus approfondie.
  4. Dès expérience avez terminé, retirez le dispositif et de démanteler les pinces. Plongez à la fois la lame de verre et appareil dans l'eau savonneuse, puis rincez bien. dispositifs de réutilisation environ 30 foiss avec une performance constante.

6. Analyse des données et traitement d'image

  1. Analyser les données d'image avec le logiciel préféré, comme ImageJ. Calculer la vitesse à partir du déplacement des particules entre des images consécutives, dans un pas de temps donné.
  2. Calculer la force expérimentale de la force DEP et champ en fonction de la vitesse de compiler les tendances et comparer avec la théorie 29.
  3. la vitesse des particules de mesure dans le sens radial de la géométrie des micro-puits conforme à la forme du gradient de champ électrique. A partir du bord de la micro-puits au centre, d'identifier huit contours concentriques isoélectriques (350, 300, ... 50, 0 um), ce qui résulte en des régions 7.
    NOTE: Le temps des particules à parcourir la distance de 50 um a été utilisé pour calculer la vitesse. Lorsque variations géométriques nécessitait, les contours isoélectrique ont été ajustés légèrement.

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Résultats

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 alternatif de 15 V

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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 fluidiques, tout e...

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Déclarations de divulgation

Les auteurs n'ont aucun conflit de divulguer.

Remerciements

Merci à Sciences XG pour les dons généreux de papier graphène. Merci au Dr C. Friedrich pour laisser généreusement nous utilisons de l'équipement micro-forage. Un merci spécial est porté à Tayloria Adams pour raconter la vidéo.

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Matériaux

Liste des matériaux utilisés dans cet article
NomEntrepriseNuméro de catalogueCommentaires
Perles de polystyrèneSpherotech, Inc.PP-60-106.08 &mu ; Papier
graphènem XG Sciences, Inc.XG Leaf B-072
Ruban adhésif double face3MN/A136 ruban de bureau
Époxy conducteur d’argentMG chemicals8331-14GPartie A & B inclus
MannitolSigma Aldrich091M0020V
Tampon phosphate salinOmniPur0381C490
Microscope (caméra CCD)ZeissAxiovert 200M
Générateur de fonctions/formes d’ondeAgilent33250A
SeringueHamilton84505
Pince à papierADAMS3300-50-3848
FourFisher Scientific280A
MultimètreOMEGAHHM25
Micro-fraiseuseAEROTECHABL1500 étages/A3200 Npaq Contrôleur
FraiseULTRATOOL708473
AxioVisionZeissVersion 4.8
de diamètre

Références

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