Name: Opracowanie urządzenia dielektroforetycznego do elektrod grafenowych 3D (Wideo) | JoVE Journal
Uploaded: 2014-06-22T14:00:00.000+00:00
Duration: 11 min 15 s
Description: Poznaj metodę wytwarzania mikrourządzenia dielektroforetycznego z elektrodami grafenowymi 3D do manipulacji cząsteczkami polistyrenu. Technika ta umożliwia badaczom analizę komórek i cząstek w mikroskali.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

Podziękowania dla XG Sciences za hojne darowizny w postaci papieru grafenowego. Dziękujemy dr C. Friedrichowi za hojne umożliwienie nam korzystania ze sprzętu do mikrowiercenia. Specjalne podziękowania kierujemy do Taylorii Adams za narrację w filmie.

1. Wykonanie laminowanej trójwymiarowej struktury elektroda/izolacja
<ol>
	<li>W przypadku urządzenia z 6 warstwami grafenu i 5 warstwami taśmy, wyciąć skalpelem lub podobnym ostrzem oraz linijką sześć prostokątów z papieru grafenowego o wymiarach 0,7 cm x 1,5 cm, a za pomocą nożyczek wyciąć pięć pasków dwustronnej taśmy wrażliwej na nacisk o wymiarach 1,3 cm x ~5 cm. 
	UWAGA: Jak pokazano na Rysunku 1a, pozwala to na stworzenie urządzenia z 3 elektrodami uziemiającymi i 3 elektrodami sygnału AC. Szerokość warstwy przewodzącej wynosząca 7 mm jest wystarczająco mała, aby zmieścić się na szkiełku przedmiotowym, a jednocześnie wystarczająco duża, aby ułatwić wiercenie. Długość 2 mm zapobiega łatwemu pękaniu przy wielokrotnym użyciu i zapewnia wystarczającą przestrzeń do przyłączenia miedzianych przewodów. Głębokość urządzenia jest ograniczona głębokością freza palca końcowego.</li>
	<li>Położyć pierwszą warstwę papieru grafenowego na czystym szkiełku przedmiotowym. Powoli przykryć jeden koniec papieru grafenowego jednym paskiem taśmy, pozostawiając margines ~2 mm, aby zapewnić izolację między dwiema sąsiednimi warstwami papieru grafenowego (Rysunek 1b).</li>
	<li>Umieścić drugą warstwę papieru grafenowego na górze taśmy, z przesunięciem względem pierwszej warstwy papieru grafenowego (Rysunek 1a). Po dodaniu każdej warstwy przewodzącej przyłożyć umiarkowany nacisk (docisnąć równomiernie kciukiem, ~100 N na powierzchni 0,7 cm2), aby zapewnić dobre uszczelnienie między warstwami.</li>
	<li>Powtarzać kroki 1.2 i 1.3 dla pozostałych warstw, pozostawiając papier grafenowy jako warstwę wierzchnią i dolną. Przeciąć wzdłuż linii przerywanej pokazanej na Rysunku 1b, aby usunąć nadmiar taśmy z krawędzi urządzenia, pozostawiając mały margines ~1 mm, w celu zapewnienia szczelnej izolacji między warstwami papieru grafenowego (Rysunek 1b). 
	UWAGA: Taśmy dwustronnej nie stosuje się jako warstw górnej i dolnej, aby uniknąć gromadzenia się zanieczyszczeń podczas wiercenia tej laminowanej struktury, montowania jej na szkiełku i napełniania próbką.</li>
	<li>Przeprowadzić szybki test izolacji za pomocą multimetru (tryb pomiaru rezystancji). Umieścić sondy dodatnią i ujemną po dwóch różnych stronach urządzenia (A i B na Rysunku 1c); wysoka rezystancja (od kilo- do megaomów) wskazuje na dobrą izolację między warstwami. Zdjąć strukturę warstwową ze szkiełka przedmiotowego w celu przygotowania do wiercenia mikrootworów. 
	UWAGA: Urządzenie zazwyczaj nie przechodzi testu izolacji, gdy sąsiednie warstwy papieru grafenowego stykają się podczas kroków od 1.2 do 1.4. Takie urządzenia należy odrzucić.</li>
</ol>
2. Wywiercenie mikrootworu w strukturze laminowanej
<ol>
	<li>Użyj komputerowo sterowanej mechanicznej mikro-frezarki i wybierz frez z końcem o średnicy 700 µm i długości ostrza 2,1 mm. Unieruchom strukturę laminowaną na stole mikro-frezarki za pomocą odpowiednich zacisków (Rysunki 2a i b). Ustaw obroty wrzeciona frezarki na 8 600 rpm, następnie powoli opuść frez do wnętrza i przez środek struktury laminowanej. Poruszaj obracającym się frezem w górę i w dół w obrębie mikro-dołka, aby wygładzić jego wewnętrzną ściankę.
	<ol>
		<li>Wybierz średnice mikro-dołków, które są ograniczone dostępnymi stosunkami średnicy do długości ostrza frezów. Upewnij się, że wewnętrzna powierzchnia mikro-dołka jest jak najbardziej pionowa i czysta, aby zapewnić optymalne gradienty pola elektrycznego i przejście światła przez mikro-dołek.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Oczyść mikro-dołek z pozostałości materiału za pomocą sprężonego powietrza. Przeprowadź kolejny test izolacji zgodnie z opisem w punkcie 1.5.</li>
</ol>
3. Podłączenie przewodów elektrycznych do struktury laminowanej
<ol>
	<li>Zgiąć dwa miedziane druty 32 G o długości 3 cm pod kątem prostym w punkcie 2 cm. Wymieszać ~1,5 ml części A i B srebrowej żywicy epoksydowej. 
	UWAGA: <img alt="Wzór na oporność elektryczną, miedź i żywica epoksydowa ze srebrem; równanie; stosowane w badaniach przewodności." fo:content-width="3in" src="/files/ftp_upload/51696/51696eq1.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="Równanie 1"></li>
	<li>Ręcznie nanieść wymieszaną żywicę epoksydową na górną powierzchnię i końce wszystkich 3 warstw papieru grafenowego, aby zapewnić dobry kontakt między warstwami po stronie A laminowanej struktury (Rysunek 1c), następnie umieścić 1 cm końcówkę miedzianego drutu w żywicy i pomiędzy dowolnymi dwiema warstwami. Delikatnie ścisnąć warstwy, aby usunąć nadmiar żywicy i zapewnić dobry kontakt elektryczny. Powtórzyć czynność dla strony B laminowanej struktury.</li>
	<li>Umieścić całe urządzenie na półce w piekarniku w celu wysuszenia przez noc w temperaturze 70 °C i pod ciśnieniem 1 atm.</li>
</ol>
4. Przygotowanie próbek i pożywek
<ol>
	<li>Przygotować media izotoniczne o różnych wartościach przewodności, używając konduktometru, roztworu zapasowego mannitolu o stężeniu 290 mM oraz dodając seryjnie izotoniczny bufor fosforanowo-solny (PBS). 
	UWAGA: Istnieje liniowa korelacja między przewodnością a stężeniem objętościowym PBS o osmolarności ~290 mOsm/L (przewodzącego) w roztworze mannitolu o osmolarności ~290 mOsm/L (nieprzewodzącym). W materiale wideo przedstawiono medium o przewodności 0,01 S/m.</li>
	<li>Zmieszać kulek polistyrenowych z przygotowanymi mediami o określonej przewodności lub wodą e-pure (~5 x 10-6 S/m) w stosunku objętościowym 1:50. Protokół ten można łatwo zaadaptować również do komórek biologicznych.</li>
</ol>
5. Przygotowanie eksperymentu i obsługa urządzenia
<ol>
	<li>Przymocuj urządzenie do szkiełka przedmiotowego z umiarkowaną siłą (Rycina 2d), używając zmodyfikowanych zacisków papierowych lub ich odpowiedników. Stopki powinny znajdować się wystarczająco blisko mikrosodczka, aby uszczelnić laminowaną strukturę do szkiełka, zapobiegając wyciekowi próbki. Zacisk powinien mieścić się w obrębie stolika mikroskopu, a nacisk należy zoptymalizować tak, aby a) zapobiec odkształceniu laminowanej struktury oraz b) zapewnić brak wycieku płynu z mikrosodczka. Odkształcenie zmienia geometrię studni i drogę światła, co zmniejsza powtarzalność eksperymentu.</li>
	<li>Używając mikrosstrzykawki lub jej odpowiednika, powoli wstrzyknij ~1 µl próbki do mikrosodczka, unikając wprowadzania pęcherzyków powietrza. W razie potrzeby powtórz wstrzykiwanie, dbając o to, aby nie uszkodzić ścian mikrosodczka ostrzem igły. Napełnij mikrosodczek z lekkim nadmiarem, a następnie natychmiast nasuń szkiełko nakrywkowe na mikrosodczek, aby usunąć nadmiar płynu, zapobiec parowaniu i zapewnić powtarzalne objętości dla każdego eksperymentu. 
	UWAGA: Do nacinania i dopasowania rozmiaru szkiełka nakrywkowego dobrze sprawdza się diamentowy przecinak do szkła.</li>
	<li>Zamocuj gotowe laminowane mikrourządzenie do stolika mikroskopu i podłącz przewody elektrod generatora funkcji do dwóch miedzianych wyprowadzeń urządzenia. W programie AxioVision (oprogramowanie Zeiss) kliknij przycisk, aby rozpocząć nagrywanie obrazu w trybie akwizycji wielowymiarowej. Uruchom sygnał generatora funkcji w stałym odstępie czasu po rozpoczęciu nagrywania kamerą CCD, aby udokumentować odpowiedzi z zastosowaniem i bez zastosowania pola elektrycznego. 
	UWAGA: W tym przypadku zastosowano częstotliwość od 100 Hz do 10 MHz z sygnałem 15 Vpeak-peak ; eksperymenty obserwowano przy powiększeniu 10X w odległości od 1 do 200 nad powierzchnią szkiełka przedmiotowego przez 2 sec bez pola i ~5 min z zastosowanym polem. Obrazy zapisywano cyfrowo z częstotliwością od 1 do 5 klatek na sekundę (fps) do dalszej analizy.</li>
	<li>Po zakończeniu eksperymentu usuń urządzenie i zdejmij zaciski. Zanurz szkiełko przedmiotowe oraz urządzenie w wodzie z mydłem, a następnie dokładnie wypłucz. Urządzenia można ponownie wykorzystać około 30 razy przy zachowaniu stałej wydajności.</li>
</ol>
6. Analiza danych i przetwarzanie obrazów
<ol>
	<li>Przeanalizuj dane obrazowe za pomocą preferowanego oprogramowania, takiego jak ImageJ. Oblicz prędkość na podstawie przemieszczenia cząsteczek między kolejnymi obrazami w danym kroku czasowym.</li>
	<li>Oblicz eksperymentalną siłę DEP oraz natężenie pola na podstawie prędkości, aby zestawić trendy i porównać je z teorią29.</li>
	<li>Zmierz prędkość cząsteczek radialnie w geometrii mikroskrutku, zgodnie z kształtem gradientu pola elektrycznego. Od krawędzi mikroskrutku do jego centrum wyznacz 8 koncentrycznych konturów izoelektrycznych (350, 300,…50, 0 µm), co daje 7 obszarów. 
	UWAGA: Do obliczenia prędkości wykorzystano czas przejścia cząsteczek przez odległość 50 µm. W przypadku konieczności wynikającej z wariacji geometrycznych, kontury izoelektryczne były nieznacznie korygowane.</li>
</ol>

Autorzy nie mają żadnych konfliktów do ujawnienia.

Manuskrypt ten szczegółowo opisuje protokoły wytwarzania nowatorskiego mikrourządzenia z 6 warstwami grafenu i 5 warstwami taśmy. Co więcej, działanie urządzenia jest zilustrowane za pomocą obserwowanych zachowań DEP kulek polistyrenowych o średnicy 6,08 μm wraz z unikalnym, geometrycznie istotnym podejściem do analizy prędkości cząstek. To wszechstronne podejście do konstruowania nieliniowych urządzeń elektrokinetycznych jest mniej kosztowne niż techniki mikrowytwarzania elektrod i warstw płynnych, a jednocześnie daje r...

Grafen to nowy materiał znany ze swoich wysokiej jakości właściwości elektronicznych oraz potencjalnych zastosowań chemicznych i biosensorów1. Nanopłytki grafenu zostały wykorzystane do nośnika katalizatora 2,3, biosensorów4, superkondensatorów5 i elektrod kompozytowych, w tym kompozytów grafen/polianilina i nanocząstek krzemu/grafenu6-8. Manuskrypt ten opisuje wykorzystanie papieru grafenowego jako elektrod w unikalnym trójwymiarowym (3D), warstwowym urządzeniu mikroprzepływowym. Elektrody z papieru grafenowego zostały zalaminowane izolacyjną taśmą dwustronną oraz wywiercono komorę, w której wykonano dielektroforezę 3D AC kulek polistyrenowych.
Dielektroforeza (DEP) odnosi się do ruchu polaryzowalnych cząstek pod wpływem niejednorodnych pól elektrycznych. Dodatni DEP (pDEP) lub ujemny DEP (nDEP) występuje, gdy cząstki są mniej lub bardziej polaryzowalne niż otaczający je ośrodek, co powoduje ruch w kierunku odpowiednio najsilniejszego lub najsłabszego pola elektrycznego. To nieliniowe narzędzie elektrokinetyczne zostało użyte do separacji, sortowania, pułapkowania i identyfikacji cząstek i komórek biologicznych9-15. Siła dielektroforetyczna doświadczana przez spolaryzowaną cząstkę jest funkcją gradientu pola elektrycznego, promienia i kształtu cząstek, właściwości dielektrycznych cząstek, w tym przewodności i przenikalności, a także przewodności i przenikalności elektrycznej. W tradycyjnym dwuwymiarowym (2D) DEP ruch cząstek odbywa się w pierwotnej płaszczyźnie gradientu pola elektrycznego, zwykle tworzonego między mikrofabrykowanymi elektrodami powierzchniowymi; Ruch w kierunku pionowym jest znikomy w porównaniu z kierunkami w płaszczyźnie w większości urządzeń. Jednak wykorzystanie tego trzeciego wymiaru gradientów pola elektrycznego dla 3D DEP pozwala na większą przepustowość próbki i zwiększa wszechstronność projektowania nowych i ulepszonych separacji dielektroforetycznych, w których przepływ jest przesyłany do gradientów pola16,17. Inne specyficzne konstrukcje obejmują DEP18 na bazie izolatora 3D, elektrodę węglową 3D DEP 13,19 i galwanizację 3D DEP10. Jak dowiodły badania nad strukturami 3D, takie urządzenia mogą pracować w trybie ciągłego przepływu, aby osiągnąć wyższą przepustowość. Obserwacja ruchu cząstek 3D w naszym warstwowym urządzeniu 3D odbywa się w funkcji częstotliwości i przewodności ośrodka za pomocą mikroskopii świetlnej na różnych wysokościach ogniskowych.
Fatoyinbo et al. po raz pierwszy zgłosili DEP w laminowanej elektrodzie/izolacji 3D przy użyciu alternatywnie ułożonej folii aluminiowej 30 μm i folii z żywicy epoksydowej 150 μm20. Następnie Hübner i wsp. zaprojektowali podobne elektrody laminowane 3D z taśmą miedzianą 35 μm i klejem poliimidowym 118 μm21. Ta praca zapożycza projekt 3D-well 22,23 i w unikalny sposób wykorzystuje wygodę papieru grafenowego 50 μm jako warstw przewodzących i taśmy dwustronnej 100 μm jako warstw izolacyjnych, które osiągnęły uszczelnienie i wystarczające ekranowanie elektryczne. Wszechstronność papieru grafenowego jest wyraźną zaletą dla mikrourządzeń elektrod 3D, ponieważ nanopłytki grafenu mają zdolność do jednoczesnego działania jako bioczujniki, co grupa ta wykazała wcześniej24.
Gradienty pola osiągnięte w mikrourządzeniach 3D z papieru grafenowego/polimeru zależą od wymiarów mikrostudzienki, warstw papieru grafenowego i przyłożonego pola elektrycznego. Krytyczne wymiary obejmują pionowe odstępy między elektrodami (grubości warstwy przewodzącej i izolacyjnej) oraz średnicę i wysokość mikrostudzienki (określone przez warstwy ułożone w stos). Sygnał elektryczny można dostroić za pomocą amplitudy i częstotliwości. Obecna struktura urządzenia jest przeznaczona do pracy wsadowej, ale można ją dostosować do urządzenia o ciągłym przepływie. Opisana tutaj technika wytwarzania urządzenia nadaje się do opracowywania laminowanych elektrod 3D o szerokiej gamie właściwości nanopłytek grafenu po prostu poprzez wymianę użytego papieru grafenowego. Zaletami wykorzystania papieru grafenowego są wszechstronność właściwości fizycznych i chemicznych, zmniejszone koszty, a nanopłytki grafenu mogą jednocześnie działać jako bioczujniki do wykrywania szerokiej gamy bioanalitów24. Długoterminowym celem wysokowydajnych systemów 3D DEP jest szybka identyfikacja typów komórek25-27 lub osiągnięcie bezznacznikowego, elektrycznie zapośredniczonego sortowania chorych komórek z populacji zdrowych komórek28. W artykule przedstawiono optymalizację materiałów oraz przygotowanie i eksploatację urządzeń, a następnie zilustrowano i przeanalizowano typowe wyniki.

<table><tbody><tr><td>Koraliki polistyrenowe</td><td>Spherotech, Inc.</td><td>PP-60-10</td><td>6.08 &mu; m średnica</td></tr><tr><td>Papier grafenowy</td><td>XG Sciences, Inc.</td><td>XG Liść B-072</td><td></td></tr><tr><td>Taśma dwustronna</td><td>3M</td><td>N/A</td><td>136 taśma biurowa</td></tr><tr><td>Srebrna przewodząca żywica epoksydowa</td><td>MG chemikalia</td><td>8331-14G</td><td>Część A i B w zestawie</td></tr><tr><td>Mannitol</td><td>Sigma Aldrich</td><td>091M0020V</td><td></td></tr><tr><td>Bufor fosforanowy sól fizjologiczna</td><td>OmniPur</td><td>0381C490</td><td></td></tr><tr><td>Mikroskop (kamera CCD)</td> <td>Zeiss</td><td>Axiovert 200M</td><td></td></tr><tr><td>Generator funkcji/przebiegów</td><td>Agilent</td><td>33250A</td><td></td></tr><tr><td>Strzykawka</td><td>Hamilton</td><td>84505</td><td></td></tr><tr><td>Zacisk do papieru</td><td>ADAMS</td><td>3300-50-3848</td><td></td></tr><tr><td>Piekarnik</td><td>Fisher Scientific</td><td>280A</td><td></td></tr><tr><td>Multimetr</td><td>OMEGA</td><td>HHM25</td><td></td></tr><tr><td>Mikrofrezarka</td><td>AEROTECH</td><td>ABL1500 stopni/A3200 Sterownik</td><td></td>Npaq</tr><tr><td>Frez palcowy</td><td>ULTRATOOL</td><td>708473</td><td></td></tr><tr><td>AxioVision</td><td>Zeiss</td><td>Wersja 4.8</td><td></td></tr></tbody></table>

opracowanie urządzenia dielektroforetycznego do elektrod grafenowych 3d

Development of a 3D Graphene Electrode Dielectrophoretic Device

Opisano projekt i wykonanie nowatorskiego mikrourządzenia elektrodowego 3D przy użyciu papieru grafenowego o grubości 50 μm i dwustronnej taśmy 100 μm. Protokół szczegółowo opisuje procedury budowy wszechstronnej, wielowarstwowej, laminowanej komory do dielektroforezy wielokrotnego użytku. W szczególności sześć warstw papieru grafenowego o wymiarach 50 μm x 0,7 cm x 2 cm i pięć warstw taśmy dwustronnej było naprzemiennie układanych razem, a następnie mocowanych do szkiełka podstawowego. Następnie w laminowanej strukturze przewiercono mikrostudnię o średnicy 700 μm za pomocą sterowanej komputerowo mikrowiertarki. Właściwości izolacyjne warstwy taśmy pomiędzy sąsiadującymi warstwami grafenu zostały potwierdzone testami wytrzymałościowymi. Epoksyd przewodzący srebro łączył naprzemienne warstwy papieru grafenowego i tworzył stabilne połączenia między papierem grafenowym a zewnętrznymi elektrodami z drutu miedzianego. Gotowe urządzenie zostało następnie zaciśnięte i uszczelnione do szklanego szkiełka. Gradient pola elektrycznego został zamodelowany w urządzeniu wielowarstwowym. Wykazano zachowania dielektroforetyczne kulek polistyrenowych o grubości 6 μm w mikrostudzience o głębokości 1 mm, o przewodności medium w zakresie od 0,0001 S/m do 1,3 S/m, i zastosowano częstotliwości sygnału od 100 Hz do 10 MHz. Ujemne odpowiedzi dielektroforetyczne zaobserwowano w trzech wymiarach w większości przestrzeni przewodność-częstotliwość, a wartości częstotliwości skrzyżowania są zgodne z wcześniej podawanymi wartościami literaturowymi. Urządzenie nie zapobiegało elektroosmozie prądu przemiennego i przepływom elektrotermicznym, które występowały odpowiednio w obszarach niskiej i wysokiej częstotliwości. Papier grafenowy wykorzystany w tym urządzeniu jest wszechstronny i może następnie działać jako bioczujnik po zakończeniu charakterystyki dielektroforetycznej.

Eksperymenty dielektroforetyczne na kulkach polistyrenowych o średnicy 6 µm przeprowadzono w cylindrycznym mikrodobku o objętości 0,38 mm3. Wyniki wykazują, że urządzenie oparte na 3D laminowanym papierze grafenowym może wykazywać sygnatury dielektroforetyczne podobne do urządzeń z laminowaną folią metalową 3D20,21, tradycyjnych elektrod metalowych 2D26,27 oraz urządzeń izolacyjnych 2D25. W poniższych eksperymentach zastosowano sygnał...

Mikrourządzenie o wysokim potencjale przepustowości jest używane do demonstracji trójwymiarowej (3D) dielektroforezy (DEP) z wykorzystaniem nowych materiałów. Papier z nanopłytek grafenu i taśma dwustronna były na przemian układane w stosy; Wykonano mikrostudnię o średnicy 700 μm w kierunku poprzecznym do warstw. W mikrostudzience wykazano zachowanie DEP kulek polistyrenowych.

Opracowanie urządzenia dielektroforetycznego do elektrod grafenowych 3D

The design and fabrication of a novel 3D electrode microdevice using 50 &#181;m thick graphene paper and 100 &#181;m double sided tape is described. The ...

Niniejszy protokół przedstawia procedury wytwarzania trójwymiarowego laminowanego papieru grafenowego oraz mikro urządzenia elektrodowego, a także metody eksperymentalne służące do manipulowania koralikami polistyrenowymi lub komórkami biologicznymi za pomocą elektroforezy DI lub DEP wewnątrz urządzenia. Od tego momentu będziemy określać dielektroforezę jako DEP. Wytwarzanie urządzeń odbywa się poprzez naprzemienne układanie warstw papieru grafenowego o grubości 50 µm oraz N minus jednej warstwy polimerowej taśmy czułej na nacisk o grubości 100 µm, co pozwala uzyskać elektrody sygnałowe i masowe w proporcji pół na pół.Warstwy są prasowane, przycinane, a następnie przez całą strukturę wiercona jest mikrootwór. Na koniec, za pomocą srebrnego epoksydu, do dwóch końców urządzenia przymocowuje się dwa miedziane wyprowadzenia. Drugim krokiem jest przygotowanie pożywki do DEP o pożądanej przewodności.Kuleczki polistirenowe są następnie zawieszane w tym roztworze medium przy określonym stosunku objętości. Trzecim i ostatnim krokiem jest załadowanie przygotowanej zawiesiny kuleczek do urządzenia, zamocowanie go na stoliku mikroskopu, podłączenie urządzenia do generatora funkcji i ostatecznie zainicjowanie DEP. Na koniec należy użyć mikroskopu do zarejestrowania odpowiedzi DEP oraz zbadania właściwości komórek lub cząsteczek poprzez dalszą analizę.Grafen jest wszechstronnym materiałem wykorzystywanym ze względu na swoją wytrzymałość oraz właściwości termiczne i elektryczne. Niniejszy protokół wykorzystuje niedrogi papier grafenowy jako przewodzącą warstwę elektrody w trójwymiarowym mikro urządzeniu dielektroforetycznym, które jest w stanie rozróżniać cząsteczki i komórki w zastosowaniach takich jak określanie grupy krwi czy diagnostyka medyczna komórek chorobowych. Do zalet tego mikro urządzenia z elektrodą z papieru grafenowego należą łatwiejszy proces wytwarzania, wyższa przepustowość próbek oraz wszechstronność geometryczna.Trójwymiarowe niejednorodne pole elektrokinetyczne umożliwia manipulowanie dużymi objętościami próbek za pomocą sił dielektroforetycznych (DP), które wyróżniają się zdolnością do rozróżniania polaryzowalnych cząstek i komórek na podstawie ich wewnętrznych właściwości chemicznych i morfologicznych. Zmontuj laminowane urządzenie, używając papieru grafenowego oraz taśmy. W tym przypadku zastosowano hydrofobowy papier grafenowy o grubości 75 µm od komercyjnego producenta oraz dwustronną taśmę wrażliwą na nacisk o grubości 100 µm.Najpierw należy wyciąć z papieru grafenowego za pomocą skalpela i linijki prostokąty o wymiarach 6,7 cm na 1,5 cm, a następnie za pomocą nożyczek pociąć dwustronną taśmę wrażliwą na nacisk na pięć pasków o wymiarach 1,3 cm na około 5 cm. Połóż pierwszą warstwę papieru grafenowego na czystym szkiełku przedmiotowym. Powoli przykryj jeden koniec papieru grafenowego jednym paskiem taśmy, pozostawiając około 2 mm marginesu, aby zapewnić izolację między dwiema sąsiednimi warstwami papieru grafenowego.Umieść drugą warstwę papieru grafenowego na górze taśmy. Przesuń ją względem pierwszej warstwy papieru grafenowego. Wywrzyj umiarkowany nacisk z góry, aby zapewnić dobre przyleganie między warstwami.Powtórz powyższe dwa kroki dla pozostałych warstw, upewniając się, że zarówno warstwa górna, jak i dolna stanowią papier grafenowy. Użyj nożyczek, aby usunąć nadmiar taśmy z krawędzi urządzenia, pozostawiając niewielki margines około jednego milimetra, aby zapewnić szczelną izolację między warstwami papieru grafenowego. Przeprowadź szybki test izolacji za pomocą multimetru, umieszczając sondy dodatnią i ujemną na wyprowadzeniach elektrycznych po przeciwnych stronach urządzenia.Wysoka rezystancja rzędu setek kiloomów wskazuje na dobrą izolację między warstwami. Laminowana struktura jest teraz gotowa do wiercenia mikrootworu. Używamy mikrofrezarki do wykonania mikrootworu w laminowanej strukturze.W tym przypadku używamy freza mikro z średnicą 700 micron i długością ostrza bliską 2,1 millimeter. Wybór freza mikro zależy od średnicy mikro-otworu oraz grubości urządzenia. Unieruchom strukturę laminowaną na stole do mikro-wiercenia za pomocą zacisków, ustaw frez bezpośrednio nad strukturą za pomocą sterowania komputerowego, a następnie skieruj sprężone powietrze na urządzenie. Rozpocznij obrót freza, a następnie powoli opuść go do i przez środek struktury laminowanej.Zatrzymaj się na głębokości nieco większej niż głębokość struktury laminowanej, aby zapewnić dokładne usunięcie pozostałości z nowego otworu. Poruszaj frezem w górę i w dół kilkakrotnie przez mikro otwór, aby wygładzić wewnętrzną ściankę.Wewnętrzna powierzchnia mikrosodka powinna być jak najbardziej pionowa i czysta. Aby uzyskać optymalne gradienty pola elektrycznego i przepuszczalność światła przez mikrosodek, należy pociąć standardowe miedziane druty o rozmiarze 32 gauge na dwa odcinki o długości trzech centymetrów i zagiąć dwa kąty proste w odległości dwóch centymetrów. Ręcznie wymieszać około 0,75 mm srebrnej epoksydy przewodzącej składnika A oraz około 0,75 mm składnika B.W niewielkim pojemniku przytwierdź przewody, ostrożnie nakładając epoksyd srebrowy na końcówki oraz pomiędzy wszystkie trzy warstwy papieru grafenowego, aby zapewnić dobry kontakt między warstwami. Następnie umieść jednocentymetrowy odcinek przewodu pomiędzy dowolnymi dwiema warstwami i lekko je ściśnij, aby usunąć nadmiar epoksydu i zapewnić dobry kontakt elektryczny. Powtórz czynność po drugiej stronie laminowanej struktury.Umieść całe urządzenie na stojaku i wstaw do suszarki w celu wysuszenia przez noc w temperaturze 70 °C i pod ciśnieniem jednego atmosfery. Wyjmij urządzenie z suszarki i sprawdź izolację elektryczną pomiędzy przewodami elektrod. Następnie przygotowujemy roztwory o różnym zakresie przewodności, mieszając w różnych proporcjach gotowy roztwór mannitolu o stężeniu 290 mOsm/L oraz PBS.Są to proste roztwory dobrane w celu przybliżonego naśladowania buforu do hodowli komórkowych. Istnieje liniowa korelacja między stosunkiem objętości tych dwóch roztworów a przewodnością wynikowego roztworu. W celu przygotowania mediów o określonej przewodności, należy zmieszać kuleczki Polystar lub komórki biologiczne z roztworem mediów w stosunku objętościowym od 1:100, pipetując 10 µL kuleczek Polystar oraz 1 mL roztworu mediów do fiolki z próbką.Dokładnie wymieszaj próbkę za pomocą vortexera. Przymocuj urządzenie do szkiełka przedmiotowego z umiarkowanym naciskiem, używając zmodyfikowanych klamer papierowych lub odpowiednika. Podstawa powinna znajdować się wystarczająco blisko mikrootworu, aby uszczelnić laminowaną strukturę ze szkiełkiem przedmiotowym, zapobiegając wyciekowi próbki.Należy kontrolować siłę docisku zacisku, aby nie odkształcić urządzenia, co mogłoby negatywnie wpłynąć na geometrię studni i drogę światła. Przeciąć szkiełko przedmiotowe o grubości 0,5 mm za pomocą diamentowego przecinaka do szkła, dobierając szerokość tak, aby ledwo przykrywało mikrostudnię. Przyciąć szkiełko do odpowiedniego rozmiaru i odłożyć na bok. Używając mikroszydrzyki, powoli wstrzyknąć około 1 µL zawiesiny kulek polistyrenowych do mikrostudni. Aby uniknąć wprowadzenia pęcherzyków powietrza, powtórzyć wstrzykiwanie w przypadku ich pojawienia się, dbając o to, by nie uszkodzić ostrym igłami ścianek mikrostudni. Napełnić mikrostudnię z niewielkim nadmiarem i natychmiast nasunąć przygotowane szkiełko przykrywowe na mikrostudnię, aby usunąć nadmiar cieczy, zapobiec odparowaniu i zapewnić powtarzalność objętości.Dla każdego eksperymentu przymocuj kompletne laminowane urządzenie mikroprzepływowe do stolika mikroskopu i podłącz generator funkcji. Za pomocą klipsów krokodylkowych połącz urządzenia z miedzianymi przewodami, a następnie za pomocą oprogramowania mikroskopu dostrój ostrość, aby wyraźnie widzieć mikrowsadkę. W centrum ekranu ustaw wartości od 100 Hz do 10 MHz oraz 15 V.Do urządzenia przyłożono sygnał szczytowy. Kuleczki obserwowano w mikrododatku przy 10-krotnym powiększeniu, w odległości od 1 do 200 mikronów nad powierzchnią szkiełka przedmiotowego. Kliknij przycisk, aby rozpocząć nagrywanie i akwizycję obrazu z kamery.Uruchom sygnał generatora funkcji dwie sekundy po rozpoczęciu nagrywania obrazu z kamery. Obrazy są zapisywane cyfrowo w częstotliwości od jednej do pięciu klatek na sekundę przez około pięć minut w celu późniejszej analizy intensywności. Po zakończeniu eksperymentu usuń urządzenie i zdemontuj zaciski.Oczyść zarówno szkiełko przedmiotowe, jak i urządzenie w wodzie z mydłem. Następnie dokładnie wypłucz. W przypadku braku pola elektrycznego cząstki osiadają na dnie urządzenia wyłącznie pod wpływem grawitacji. W polu elektrycznym o częstotliwości około jednego kilohertza dodatnie zachowanie DEP objawia się ruchem w górę gradientu pola, w kierunku papieru grafenowego.Elektrody na krawędziach mikrootworów obserwuje się przy polach elektrycznych powyżej 100 kHz oraz w zakresie megahertzowym. Odnotowano ujemną dielektroforezę (DEP), objawiającą się ruchem kulek w dół gradientu pola elektrycznego w kierunku centrum mikrootworu. To trójwymiarowe mikro urządzenie z elektrodą z papieru grafenowego dostarczyło wyników eksperymentalnych w bliskiej zgodności zarówno z teoretycznie przewidywanym zachowaniem, jak i z wcześniej raportowanymi wynikami eksperymentalnymi.Wytwarzanie urządzeń jest niezwykle wszechstronne. Przedstawione protokoły można łatwo dostosować do urządzeń z większą liczbą warstw lub z zastosowaniem innych materiaów. Niniejszy film szczegółowo opisuje seryjną produkcję trójwymiarowego mikro urządzenia DEP.Jednak w przyszłych zastosowaniach zawiesiny cząstek lub komórek mogłyby być stale przepływać przez mikrootwór urządzenia, aby uzyskać większą wydajność. Przykładem wszechstronności sortowania DEP jest fakt, że chłonący wodę papier grafenowy mógłby jednocześnie pełnić funkcję elektrody i filtra w koncentratorach cząstek lub komórek, a nawet służyć jako elektrokinetyczne czujniki biochemiczne. Po obejrzeniu tego filmu widzowie powinni posiadać dobrą wiedzę na temat tego, jak wykonać wielowarstwowy papier grafenowy oraz mikro urządzenie z elektrodą, a także jak obsługiwać to urządzenie w celu przeprowadzenia eksperymentów z cząstkami lub komórkami.

development-of-a-3d-graphene-electrode-dielectrophoretic-device

Research

JoVE Journal

Engineering

Inżynieria

Opracowanie urządzenia dielektroforetycznego z elektrodą z grafenu 3D

Ten artykuł szczegółowo opisuje proces produkcji urządzenia grafenowego z możliwością przestrajania bramki, ozdobionego zanieczyszczeniami kulombowskimi do skanowania badań mikroskopią tunelową. Mapowanie przestrzennie zależnej struktury elektronowej grafenu w obecności naładowanych zanieczyszczeń ujawnia unikalne zachowanie jego relatywistycznych nośników ładunku w odpowiedzi na lokalny potencjał kulombowski.

Wytwarzanie urządzeń grafenowych z funkcją gate-tunable do badań skaningowej mikroskopii tunelowej z zanieczyszczeniami kulombowskimi

Badanie pokazuje wzrost cienkich warstw nanohybrydowych cienkich warstw z tlenku grafenu o obniżonej zawartości tlenku irydu (IrO 2-RGO) na nieregularnym i szorstkim podłożu węglowym drukowanym sitodrukiem poprzez zieloną syntezę elektrochemiczną oraz ich implementację jako czujnika pH z wzorzystą platformą papierowo-fluidyczną.

Tlenek grafenu o obniżonej zawartości tlenku irydu Nanohybrydowe cienkowarstwowe modyfikowane elektrody z sitodrukiem jako jednorazowe elektrochemiczne papierowe mikroprzepływowe czujniki pH

W tym artykule pokazano dielektroforezę wspomaganą przepływem dla samoorganizacji urządzeń nanoprzewodowych. Jako przykład pokazano wytwarzanie tranzystora polowego z nanodrutu krzemowego.

Dielektroforeza wspomagana przepływem: tania metoda wytwarzania wysokowydajnych urządzeń nanoprzewodowych przetwarzalnych w roztworze

Tutaj prezentujemy protokół wytwarzania wielościanów 3D na bazie grafenu za pomocą samoczynnego składania podobnego do origami.

Wytwarzanie trójwymiarowych wielościanów na bazie grafenu za pomocą samoczynnego składania podobnego do origami

Tutaj prezentujemy protokół produkcji i przygotowania płynnego ogniwa grafenowego do obserwacji w mikroskopii elektronowej in situ, wraz z syntezą materiałów elektrodowych i testami elektrochemicznych ogniw akumulatorowych.

Przygotowanie ogniw ciekłych grafenu do obserwacji materiału baterii litowo-jonowych

Protokół opisuje ocenę różnych właściwości elektrochemicznych superkondensatorów za pomocą systemu trzech elektrod z potencjostatem.

Ocena właściwości elektrochemicznych superkondensatorów przy użyciu układu trójelektrodowego

Obecny protokół demonstruje rozwój biosensora grafenowego tranzystora polowego (EGGFET) bramkowanego elektrolitem i jego zastosowanie w wykrywaniu biomarkerów immunoglobuliny G (IgG).

Opracowanie i funkcjonalizacja grafenowego tranzystora polowego bramkowanego elektrolitem do detekcji biomarkerów

W tym manuskrypcie demonstrujemy przygotowanie biohybrydowego hydrożelowego biotuszu zawierającego grafen do użycia w inżynierii tkanek obwodowych. Za pomocą tego biohybrydowego materiału 3D przeprowadzany jest protokół różnicowania neuronalnego komórek macierzystych. Może to być ważny krok w kierunku wprowadzenia podobnych biomateriałów do kliniki.

Przygotowanie i charakterystyka biohybrydowego biotuszu hydrożelowego 3D na bazie grafenu do neuroinżynierii obwodowej

Zastosowanie warstw nośnych do siatek kriogenicznej mikroskopii elektronowej (cryoEM) może zwiększyć gęstość cząstek, ograniczyć interakcje z interfejsem powietrze-woda, zredukować ruch wywołany wiązką i poprawić rozkład orientacji cząstek. W artykule opisano solidny protokół powlekania siatek krioEM monowarstwą grafenu w celu lepszego przygotowania próbek kriogenicznych.

Zastosowanie jednowarstwowego grafenu w siatkach mikroskopii krioelektronowej do określania struktury w wysokiej rozdzielczości

Prezentujemy unikalną platformę do charakteryzowania powierzchni elektrod w ogniwach paliwowych ze stałym tlenkiem (SOFC), która umożliwia jednoczesne wykonywanie wielu technik charakteryzacji (np. spektroskopia Ramana in situ i mikroskopia z sondą skaningową wraz z pomiarami elektrochemicznymi). Uzupełniające informacje uzyskane dzięki tym analizom mogą pomóc w lepszym zrozumieniu mechanizmów reakcji i degradacji elektrod, dostarczając informacji na temat racjonalnego projektowania lepszych...

Sondowanie i mapowanie powierzchni elektrod w ogniwach paliwowych ze stałym tlenkiem

Poznaj metodę wytwarzania mikrourządzenia dielektroforetycznego z elektrodami grafenowymi 3D do manipulacji cząsteczkami polistyrenu. Technika ta umożliwia badaczom analizę komórek i cząstek w mikroskali.

Opracowanie urządzenia dielektroforetycznego do elektrod grafenowych 3D

Przeglądaj więcej filmów