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Articolo metodologico

Sviluppo di un dispositivo 3D grafene elettrodi dielettroforetiche

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DOI:

10.3791/51696

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22 giugno 2014

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

In questo articolo

Sommario

Un Microdevice con potenziale elevato throughput serve a dimostrare tridimensionale (3D) dielettroforesi (DEP) con nuovi materiali. Il grafene carta nanoplatelet e nastro biadesivo sono stati alternativamente accatastati; un micro-ben 700 micron è stato perforato trasversale agli strati. Comportamento DEP di perle di polistirene è stata dimostrata nel micro-bene.

Abstract

La progettazione e la realizzazione di un nuovo 3D Microdevice elettrodo con 50 micron di carta grafene spessa e 100 micron nastro biadesivo è descritto. Dettagli Il protocollo le procedure per costruire un versatile, riutilizzabile, a strati multipli, camera dielettroforesi laminato. In particolare, sei strati di 50 pm x 0,7 centimetri x 2 cm carta grafene e cinque strati di nastro biadesivo stati alternativamente accatastati insieme, poi fissati su un vetrino. Poi un micron di diametro micro-e 700 è stato perforato attraverso la struttura laminata con una macchina micro perforazione controllati dal computer. Proprietà isolanti dello strato di nastro tra gli strati di grafene adiacenti sono state garantite da test di resistenza. Argento epossidico conduttivo collegato strati alternati di carta grafene e formò connessioni stabili tra il foglio di grafene e gli elettrodi filo di rame esterni. Il dispositivo finito è stato poi bloccato e sigillato su un vetrino. Il gradiente di campo elettrico è stato modellato entro tegli dispositivo multi-strato. Comportamenti dielettroforetiche di 6 micron perle di polistirene sono state dimostrate nel 1 mm di profondità micro-bene, con una conducibilità medie che vanno da 0,0001 S / m per 1,3 S / m, e applicate frequenze del segnale da 100 Hz a 10 MHz. Risposte dielettroforetiche negative sono state osservate in tre dimensioni su gran parte dello spazio conducibilità frequenza e cross-over valori di frequenza sono coerenti con i valori di letteratura precedentemente riportati. Il dispositivo non ha impedito elettroosmosi e elettrotermici flussi AC, che si sono verificati nelle regioni a bassa e alta frequenza, rispettivamente. La carta grafene utilizzato in questo dispositivo è versatile e, successivamente, potrebbe funzionare come un biosensore dopo caratterizzazioni dielettroforetiche sono completi.

Introduzione

Il grafene è un nuovo materiale noto per le sue proprietà elettroniche di alta qualità e potenziali chimici e biosensori domande 1. Nanoplatelets grafene sono stati utilizzati per il supporto di catalizzatore 2, 3, 4, biosensori supercondensatori 5 e compositi-elettrodi compresi grafene / polianilina e compositi nanoparticelle di silicio / grafene 6-8. Questo manoscritto descrive l'utilizzo di carta grafene come elettrodi in un unico tridimensionale (3D), dispositivo microfluidica strati. Elettrodi di carta grafene sono stati stratificati con isolante nastro biadesivo e una camera forato all'interno del quale è stata eseguita dielettroforesi 3D AC di perle di polistirene.

Dielettroforesi (DEP) si riferisce al movimento di particelle polarizzabili sotto campi elettrici non uniformi. DEP positivo (PDEP) o DEP negativo (NDEP) si verifica quando le particelle sono più o meno polarizzabile del mezzo circostante, resulting in movimento verso il campo elettrico forte o debole, rispettivamente. Questo strumento elettrocinetico non lineare è stato utilizzato per la separazione, la cernita, cattura, e l'identificazione delle particelle e cellule biologiche 9-15. La forza dielettroforetica sperimentato da una particella polarizzata è una funzione del gradiente di campo elettrico, raggio della particella e la forma, particelle proprietà dielettriche compresi conducibilità e permittività, nonché la conducibilità media e permettività. Nel tradizionale bidimensionale (2D) DEP, movimento delle particelle è nel piano principale del gradiente di campo elettrico in genere formato tra elettrodi di superficie microfabricated; movimento nella direzione verticale è trascurabile rispetto alle direzioni nel piano in maggior parte dei dispositivi. Tuttavia, sfruttando questa terza dimensione di gradienti di campo elettrico per 3D DEP consente di campioni superiore e aumenta la versatilità per progettare nuove e migliorate separazioni dielettroforetiche in cui il flusso è traveRSE al campo gradienti 16, 17. Altri disegni specifici includono 3D basato isolante-DEP 18, carbonio-elettrodo 3D DEP 13, 19, e 3D placcante DEP 10. Come evidenziato dalla ricerca in strutture 3D, tali dispositivi possono essere azionati in modalità flusso continuo di raggiungere più alti rendimenti. Osservazione del movimento delle particelle 3D nel nostro dispositivo 3D stratificato è realizzato in funzione della frequenza e media conducibilità tramite microscopia ottica a diverse altezze focali.

Fatoyinbo et al. Primo riferito DEP in 3D laminato struttura di elettrodo / isolamento utilizzando alternativamente accatastati 30 micron foglio di alluminio e 150 film di resina epossidica 20 micron. Hubner et al. Poi creata simili elettrodi laminati 3D con 35 micron nastro di rame e 118 micron adesivo poliimmide 21. Questo lavoro prende in prestito la progettazione 3D ben 22, 23, E utilizza unicamente la convenienza di carta 50 micron grafene come gli strati conduttivi e 100 pm nastro biadesivo come gli strati isolanti, che ha raggiunto la sigillatura e sufficiente schermatura elettrica. Grafene carta versatilità è un netto vantaggio per microdispositivi elettrodi 3D perché le nanoplatelets grafene hanno la capacità di agire contemporaneamente come biosensori, che questo gruppo precedentemente dimostrato 24.

I gradienti di campo ottenuti nel grafene carta / polimero laminato microdispositivi 3D dipendono dalle dimensioni micro-bene, gli strati di carta grafene, e il campo elettrico applicato. Dimensioni critiche includono la spaziatura verticale elettrodo (conduzione e spessori isolanti) e il diametro micro-bene e l'altezza (determinato da strati sovrapposti). Il segnale elettrico può essere sintonizzato con ampiezza e frequenza. La struttura del dispositivo attuale è quella di funzionamento discontinuo, ma può essere adattato ad un dispositivo a flusso continuo. Il favoloso dispositivotecnica rication qui descritto è adatto per lo sviluppo 3D laminato elettrodi con un'ampia varietà di proprietà grafene nanoplatelet semplicemente scambiando la carta grafene utilizzato. Vantaggi di utilizzare carta grafene sono la versatilità delle proprietà fisiche e chimiche, spesa ridotta, e le nanoplatelets grafene può contemporaneamente agire come biosensori per rilevare una vasta gamma di bioanalytes 24. Obiettivi a lungo termine dei sistemi DEP 3D ad alto rendimento sono di identificare rapidamente i tipi di cellule 25-27, o raggiungere label-free, mediata elettricamente ordinamento cellulare delle cellule malate da popolazioni di cellule sane 28. Questo documento dimostra ottimizzazione del materiale e la preparazione e il funzionamento seguito da illustrazione e l'analisi dei risultati tipici.

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Protocollo

1. Realizzare un laminato elettrodo / isolamento Struttura 3D

  1. Per uno strato di grafene 6, 5 dispositivo di strato di nastro, tagliare la carta grafene con un bisturi o simili lama di rasoio e righello dritto taglio in sei 0,7 centimetri x 1,5 centimetri rettangoli e usare le forbici per tagliare il nastro biadesivo sensibile alla pressione in cinque 1,3 centimetri x ~ 5 centimetri strisce.
    NOTA: Come mostrato nella Figura 1a, questo produce un elettrodo 3 terra, 3 dispositivo elettrodo di segnale AC. Il 7 millimetri di larghezza condurre strato è abbastanza stretto per adattarsi su un vetrino, ma abbastanza largo per una facile foratura. La lunghezza di 2 millimetri non rompere facilmente dopo l'uso ripetuto e ha spazio sufficiente per collegare i fili di rame. La profondità del dispositivo è limitata dalla profondità fresa.
  2. Disporre il primo strato di carta grafene su un vetrino pulito. Lentamente coprire una estremità della carta grafene con una striscia di nastro, lasciando un margine ~ 2 mm a garantire l'isolamento tra i due strati di carta grafene adiacenti (Figura 1b ).
  3. Il secondo strato di carta grafene sulla parte superiore del nastro offset al primo strato di carta grafene (Figura 1a). Applicare una pressione moderata (pressione uniforme con il pollice, ~ 100 N oltre lo 0,7 cm 2 area) dopo l'aggiunta di ogni strato condurre per garantire una buona tenuta tra gli strati.
  4. Ripetere i punti 1.2 e 1.3 per i restanti strati, lasciando sia la parte superiore e strati inferiori della carta grafene. Tagliare lungo la linea tratteggiata mostrata in Figura 1b per rimuovere il nastro in eccesso dai bordi del dispositivo lasciando un piccolo margine ~ 1 mm per assicurare isolamento sigillato tra strati di carta di grafene (Figura 1b).
    NOTA: Double-sided tape non è utilizzata come gli strati superiore e inferiore per evitare la raccolta di detriti come questa struttura laminata è forato, montato su una slitta, e riempito con il campione.
  5. Eseguire un test di isolamento veloce con un multimetro (modalità di resistenza). Posizionare le sonde positivi e negativi su due lati diversi di the dispositivo (A e B nella figura 1c); ad alta resistenza (kilo-to mega-ohm) indica un buon isolamento tra gli strati. Rimuovere la struttura stratificata dal vetrino per preparare micro-perforazione di pozzi.
    NOTA: Un dispositivo in genere non supera il test di isolamento quando adiacenti strati di carta di grafene in contatto durante le fasi di 1.2 a 1.4. Eliminare tali dispositivi.

2. Praticare Micro-bene nella struttura laminata

  1. Usare una macchina di micro-fresatura meccanico controllato da computer e scegliere una fresa con 700 micron di diametro e 2,1 mm di lunghezza di taglio. Immobilizzare la struttura laminata sulla scena micro-fresatura utilizzando appositi ganci (figure 2a e b). Eseguire la macchina mandrino di fresatura a 8.600 rpm, quindi abbassare la fresa lentamente e per il centro della struttura laminata. Spostare la fresa rotante su e giù attraverso il micro-bene per lisciare la parete interna.
    1. Scegli micro-benediametri, che sono vincolati dalla disposizione fresa del diametro / lunghezza di proporzioni taglio. Assicurarsi che la superficie interna del micro-bene è più verticale e pulito possibile per gradienti di campo elettrico ottimali e passaggio della luce attraverso il micro-bene.
  2. Pulire i detriti dalla micro-bene con aria compressa. Eseguire un altro test di isolamento come descritto in 1.5.

3. Fissare i cavi elettrici alla struttura laminata

  1. Piegare due tre centimetri lunghe 32 fili di rame G ad angolo retto a 2 cm. Mescolare ~ 1,5 ml di parte A e B di argento epossidico conduttivo.
    NOTA: figure-protocol-1
  2. Applicare manualmente resina argento misto verso l'alto e le punte di tutti i 3 strati di carta di grafene per assicurare un buon contatto tra strati sul lato A della struttura laminata (Figura 1c), quindi inserire l'estremità del filo di rame 1 centimetro nella resina epossidica e tra due strati. Softly squeeze gli strati per eliminare l'eccesso di resina epossidica e assicurare un buon contatto elettrico. Ripetere l'operazione per il lato B della struttura laminata.
  3. Posizionare l'intero dispositivo in cremagliera forno, essicca per una notte a 70 ° C e 1 atm.

4. Preparare campione e media

  1. Preparare i media isotonica di uno spettro di conducibilità utilizzando il misuratore di conduttività, mannitolo soluzione stock di 290 mm e aggiunte di serie dei isotonica tampone fosfato salino (PBS).
    NOTA: Esiste una correlazione lineare tra la conducibilità e concentrazione del volume di circa 290 mOsm / L PBS (conduzione) in ~ 290 soluzione mOsm / L mannitolo (non conduttore). Il video presenta un mezzo di 0,01 S / m conducibilità.
  2. Mescolare perle di polistirene con i media pronti conducibilità o e-acqua pura (~ 5 x 10 -6 S / m) ad un rapporto 01:50 vol: vol. Questo protocollo è facilmente adattabile a cellule biologiche.

5. Esperimento configurare e utilizzare periferiche

  1. Bloccare il dispositivo onto un vetrino con una pressione moderata (Figura 2d) con fascette di carta modificati o equivalente. Le fondazioni devono essere sufficientemente vicino al micro-bene per sigillare la struttura laminata al vetrino evita la fuoriuscita del campione. La pinza deve rientrare palco microscopio con la pressione ottimizzato per a) impedire la deformazione della struttura lamellare, e b) garantire il fluido micro-bene non perde. La deformazione altera la geometria bene e il percorso della luce riducendo esperimento riproducibilità.
  2. Utilizzando una micro siringa o equivalente, iniettare lentamente ~ 1 ml del campione nella micro-bene e non introdurre bolle. Ripetere l'iniezione, se necessario, e fare attenzione a non danneggiare le pareti micro-e con l'ago tagliente. Leggermente riempire troppo il micro-bene e far scorrere subito copertura in vetro sopra il micro-bene per eliminare il liquido in eccesso, evitare l'evaporazione, e di garantire i volumi riproducibili per ogni esperimento.
    NOTA: Una punta di diamante tagliavetro funziona bene per SCORe crepa e copertura in vetro a misura.
  3. Fissare il Microdevice stratificato completato la fase di microscopio e collegare i fili degli elettrodi generatore di funzione per i due di rame conduce sul dispositivo. In AxioVision (software Zeiss), fare clic sul pulsante per avviare la registrazione della videocamera in modalità di acquisizione multidimensionale. Iniziare segnale del generatore di funzioni in un periodo di tempo fisso dopo l'avvio della registrazione telecamera CCD per documentare risposte con e senza il campo elettrico applicato.
    NOTA: Qui 100 Hz a 10 MHz con un segnale 15 V picco-picco sono stati eseguiti esperimenti sono stati osservati ingrandimento 10X a 1 a 200 sopra la superficie del vetrino per 2 sec senza campo e ~ 5 min con il campo applicato. Le immagini sono state salvate in digitale a 1-5 fotogrammi al secondo (fps) per ulteriori analisi.
  4. Al termine dell'esperimento, rimuovere il dispositivo e smontare le pinze. Immergere sia il vetrino e il dispositivo in acqua saponata, quindi risciacquare bene. Dispositivi di riutilizzo circa 30 tempos con prestazioni costanti.

6. Analisi dei dati e di elaborazione delle immagini

  1. Analizzare i dati di immagine con il software preferito, come ImageJ. Calcolare la velocità di spostamento delle particelle tra immagini consecutive in un dato intervallo temporale.
  2. Calcola sperimentale forza DEP e di campo di forza basata sulla velocità di compilare le tendenze e confrontare con la teoria 29.
  3. Misura velocità delle particelle radialmente nella geometria micro-ben coerente con la forma del gradiente di campo elettrico. Dal bordo micro-bene al centro, identificare 8 contorni concentrici isoelettrico (350, 300, ... 50, 0 micron), che si traduce in 7 regioni.
    NOTA: Il tempo per particelle a percorrere la distanza di 50 micron è stato utilizzato per calcolare la velocità. Quando le variazioni geometriche necessitavano di esso, i contorni isoelettrici erano leggermente modificate.

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Risultati

Esperimenti dielettroforetiche su 6 micron sferette di polistirene sono stati condotti in un micro-ben cilindrico 0,38 millimetri 3. I risultati dimostrano che un 3D laminato grafene dispositivo cartaceo può illustrare le firme dielettroforetiche simili dispositivi lamina di metallo 3D laminati 20, 21, tradizionale 2D metal-elettrodo 26, 27, e dispositivi di isolante 2D 25. Nei seguenti esperimenti, un segnale AC 15 V picco-picco è stato applicato e la frequenza è s...

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Discussione

Dettagli Questo manoscritto protocolli per la fabbricazione di uno strato di grafene romanzo di 6 e 5 strati di nastro Microdevice. Inoltre, il funzionamento del dispositivo è illustrato tramite osservati comportamenti DEP 6,08 micron perle di polistirene con un geometricamente pertinente approccio unico, analisi di velocità delle particelle. Questo approccio versatile per costruire dispositivi elettrocinetiche non lineari è meno costoso di elettrodi e le tecniche di microfabbricazione strato fluidici, pur ottenendo ris...

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Dichiarazioni

Gli autori non hanno conflitti da dichiarare.

Ringraziamenti

Grazie a Scienze XG per le donazioni generose di carta grafene. Grazie al Dr. C. Friedrich generosamente per averci permesso di usare l'apparecchiatura micro-perforazione. Un ringraziamento particolare viene esteso a Tayloria Adams per raccontare il video.

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Materiali

Elenco dei materiali utilizzati in questo articolo
NomeAziendaNumero di catalogoCommenti
Perline di polistireneSpherotech, Inc.PP-60-106.08 μ m diametro
carta grafeneXG Sciences, Inc.XG Leaf B-072
Nastro biadesivo3MN/A136 nastro per ufficio
Epossidico conduttivo argentoMG chemicals8331-14GParte A & B incluso
MannitolSigma Aldrich091M0020V
Soluzione salina tampone fosfatoOmniPur0381C490
Microscopio (CCD Camera)ZeissAxiovert 200M
Generatore di funzioni/forme d'ondaAgilent33250A
SiringaHamilton84505
Paper ClampADAMS3300-50-3848
FornoFisher Scientific280A
MultimetroOMEGAHHM25
MicrofresatriceAEROTECHABL1500 stadi/A3200 Controllore
FresaULTRATOOL708473
AxioVisionZeissVersione 4.8
Npaq

Riferimenti

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