Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Engineering
Click here for the English version

Engineering

Udvikling af en 3D graphene Elektrode dielektrophoretisk Device

Published: June 22, 2014 doi: 10.3791/51696
Automatic Translation
1, 2, 3, 3, 1, 1, 1
1Department of Chemical Engineering, Michigan Technological University, 2Department of Mechanical Engineering, Michigan Technological University, 3XG Sciences, Inc.

Summary

En microdevice med højt gennemløb potentiale anvendes til at vise tredimensionale (3D) dielektroforese (DEP) med nye materialer. Graphene nanoplatelet papir og dobbeltklæbende tape blev skiftevis stablet; en 700 um mikro-brønd blev boret tværs lagene. DEP adfærd polystyrenkugler blev demonstreret i mikro-godt.

Abstract

Design og fabrikation af en ny 3D elektrode microdevice anvendelse af 50 um tyk graphene papir og 100 um dobbeltklæbende tape er beskrevet. Protokollen beskriver de procedurer til at konstruere en alsidig, kan genbruges, flere lag, lamineret dielektroforese kammer. Konkret blev seks lag af 50 mM x 0,7 cm x 2 cm graphene papir og fem lag af dobbeltklæbende tape skiftevis stablet sammen, så fastspændt på et objektglas. Derefter en 700 um diameter mikro-blev boret gennem den laminerede struktur ved hjælp af en computer-kontrollerede mikro boremaskine. Isolerende egenskaber båndet lag mellem tilstødende graphene lag blev sikret ved modstand tests. Sølv ledende epoxy tilsluttet alternative lag af graphene papir og dannede stabile forbindelser mellem graphene papir og eksterne kobbertråd elektroder. Den færdige enhed blev derpå fastspændt og forseglet til en glasplade. Det elektriske felt gradient blev modelleret i than flerlags-enhed. Dielektrophoretiske adfærd af 6 um polystyrenkugler blev demonstreret i 1 mm dyb mikro-godt, med medium ledningsevne spænder fra 0,0001 S / m til 1,3 S / m, og anvendt signal frekvenser fra 100 Hz til 10 MHz. Negative dielektrophoretiske responser blev observeret i tre dimensioner over det meste af ledningsevne-frekvens plads og cross-over frekvens værdier er i overensstemmelse med tidligere rapporteret litteraturværdier. Enheden forhindrede ikke AC elektroosmose og elektrotermiske strømme, som opstod i de lave og høje frekvensområder, hhv. Graphene papir anvendes i denne enhed er alsidig og kan efterfølgende fungere som en biosensor efter dielektrophoretiske karakteriseringer er komplette.

Introduction

Graphene er en roman materiale kendt for sin høje kvalitet elektroniske egenskaber og potentielle kemiske og biosensor ansøgninger 1.. Graphene nanoplatelets har været brugt til katalysatorbærer 2, 3, biosensorer 4, super-kondensatorer 5 og komposit-elektrode inklusive graphene / polyanilinen og silicium nanopartikler / graphene kompositter 6-8. Dette håndskrift beskriver udnyttelsen af ​​graphene papir som elektroder i et unikt tredimensionelt (3D), lagdelt mikrofluid enhed. Graphene papir elektroder blev lamineret med isolerende dobbeltsidet tape og et kammer boret hvori 3D AC dielektroforese polystyrenperler blev udført.

Dielektroforese (DEP) henviser til bevægelsen af ​​polariserbare partikler under uensartede elektriske felter. Positive DEP (pDEP) eller negativ DEP (NDEP) opstår, når partiklerne er mere eller mindre polariserbar end det omgivende medium, resulting i bevægelse mod den stærkeste eller svageste elektrisk felt, hhv. Denne ikke-lineær elektrokinetisk værktøj er blevet brugt til adskillelse, sortering, fældefangst, og identifikation af partikler og biologiske celler 9-15. Den dielektroforetiske kraft, der opleves af en polariseret partikel er en funktion af det elektriske felt-gradient, partikel radius og form, partikel dielektriske egenskaber, herunder ledningsevne og permitivitet samt medierne ledningsevne og permitivitet. I traditionel todimensional (2D) DEP, partikel bevægelse er i den primære plan elektriske feltgradient typisk er dannet mellem mikrofabrikerede overflade elektroder; bevægelse i lodret retning er ubetydelig i forhold til in-plane retninger i de fleste enheder. Men udnytte denne tredje dimension af elektriske feltgradienter til 3D DEP giver mulighed for højere produktivitet og øger alsidigheden til at designe nye og forbedrede dielektrophoretiske separationer, hvor flowet traveRSE til feltgradienter 16, 17. Andre specifikke design omfatter 3D isolator-baserede DEP 18, 3D kulstof-elektrode DEP 13, 19, og 3D-galvanisering DEP 10. Som det fremgår af forskning i 3D-strukturer, kan sådanne anordninger anvendes i kontinuerlig strøm-tilstand for at opnå højere gennemløb. Observation af 3D partikel bevægelse i vores lagdelte 3D enheden er opnået som en funktion af frekvens og ledningsevne i mediet via lysmikroskopi ved forskellige fokale højder.

Fatoyinbo et al. Først rapporteret DEP i en 3D lamineret elektrode / isolering struktur ved hjælp af alternativt stablet 30 um aluminiumsfolie og 150 um epoxy harpiks film 20. Hubner et al. Derefter designet lignende 3D ​​laminerede elektroder med 35 um kobberbånd og 118 um polyimid klæbemiddel 21. Dette arbejde låner 3D godt design 22, 23Og entydigt udnytter bekvemmeligheden af ​​50 mM graphene papir som de ledende lag og 100 um dobbeltklæbende tape, som de isolerende lag, som opnåede tætning og tilstrækkelig elektrisk afskærmning. Graphene papir alsidighed er en klar fordel for 3D-elektrode microdevices fordi graphene nanoplatelets har evnen til samtidigt fungere som biosensorer, som denne gruppe tidligere demonstreret 24.

De feltgradienter opnået inden graphene papir / polymer lamineret 3D microdevices afhænger af mikro-såvel dimensioner, graphene papirlagene og den anvendte elektriske felt. Kritiske dimensioner omfatter den lodrette elektrode afstand (ledende og isolerende lagtykkelser) og mikro-godt diameter og højde (bestemt af lag stablet). Det elektriske signal kan indstilles via amplitude og frekvens. Den aktuelle enhed struktur er for holddrift, men kan skræddersys til et kontinuerligt flow-enhed. Enheden fabrication her beskrevne teknik er egnet til udvikling af 3D lamineret elektroder med en bred vifte af graphene nanoplatelet egenskaber simpelthen ved at udskifte graphene papir anvendes. Fordele ved at bruge graphene papir er alsidighed fysiske og kemiske egenskaber, reduceret udgift, og graphene nanoplatelets kan samtidig fungere som biosensorer til påvisning af en bred vifte af bioanalytes 24. Langsigtede mål for high throughput 3D DEP systemer til hurtigt at identificere celletyper 25-27, eller opnå etiket-fri, elektrisk medieret celle sortering af syge celler fra populationer af raske celler 28. Dette papir demonstrerer materiale optimering og forberedelse enhed og drift efterfulgt af illustration og analyse af typiske resultater.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1.. Fabricate en lamineret Elektrode / isolering 3D Struktur

  1. For en 6 graphene lag, 5 tape lag enhed, skåret graphene papir med en skalpel eller lignende barberblad og lige kanter lineal i seks 0,7 cm x 1,5 cm rektangler og bruge en saks til at klippe dobbeltsidet trykfølsomme bånd i fem 1,3 cm x ~ 5 cm striber.
    BEMÆRK: Som vist i figur 1a, giver dette en 3 jordelektrode 3 AC-signal elektrodeanordning. Den 7 mm ledende lag bredden er smal nok til at passe på en glasplade, men bred nok for nem boring. De 2 mm længde ikke let i stykker ved gentagen brug og har tilstrækkelig plads til at vedhæfte kobbertråde. Enheden dybde er begrænset af udgangen mill dybder.
  2. Læg det første lag af graphene papir på et rent objektglas. Omfatte langsomt den ene ende af graphene papir med en bred stribe af tape, hvilket efterlader et ~ 2 mm margen til at sikre isolering mellem de to tilstødende graphene papirlag (figur 1b
  3. Anbring det andet lag af graphene papir på toppen af båndet forskudt til det første lag af graphene papir (figur 1a). Anvend moderat tryk (tryk ensartet med tommelfingeren, ~ 100 N i løbet af 0,7 cm 2-område), efter tilsætning af hver ledende lag for at sikre god tætning mellem lagene.
  4. Gentag trin 1.2 og 1.3 i de resterende lag, hvorved både den øverste og nederste lag graphene papir. Skær langs den punkterede linie vist i figur 1b at fjerne overskydende tape fra enheden kanter forlader en lille ~ 1 mm margen til at forsikre forseglet isolering mellem graphene papirlag (figur 1b).
    BEMÆRK: Dobbeltsidet tape ikke anvendes som de øverste og nederste lag for at undgå at indsamle affald, da dette laminerede struktur er boret, monteret på et dias, og fyldt med prøven.
  5. Udfør en hurtig isolering test med et multimeter (modstand mode). Placer de positive og negative prober på to forskellige sider af the enhed (A og B på figur 1c); høj modstand (kilo-til mega-ohm) angiver god isolering mellem lagene. Tag den lagdelte struktur fra objektglasset at forberede sig til mikro-brøndboring.
    BEMÆRK: En anordning, der typisk ikke isolationstesten når tilstødende graphene papirlagene kontakt under trin 1.2 gennem 1.4. Kassér disse anordninger.

2. Bor Micro-brønd i den laminerede struktur

  1. Brug en computer-styret mekanisk mikro-fræsning maskine, og vælg en ende mølle med en 700 um i diameter og 2,1 mm snitlængde. Immobilisere laminerede struktur på mikro-forarbejdningstrin ved hjælp af passende klemmer (figur 2a og b). Kør fræser spindel ved 8.600 rpm sænk endefræser langsomt ind i og gennem midten af ​​den laminerede struktur. Flyt roterende endefræser op og ned via micro-well at udjævne den indvendige væg.
    1. Vælg mikro-ogdiametre, der er begrænset af tilgængelig ende mølle diameter / snitlængde sideforhold. Sikre, at den indre overflade af mikro-brønden er så lodret og rene som muligt for at opnå optimale elektriske feltgradienter og lette passage gennem mikro-godt.
  2. Fjern snavs fra mikro-godt med trykluft. Foretag en ny isolering test som beskrevet i 1.5.

3.. Vedhæft elektriske ledninger til den laminerede struktur

  1. Fold to 3 cm lange 32 G kobbertråd til en ret vinkel på 2 cm. Bland ~ 1,5 ml del A og B i sølv ledende epoxy.
    BEMÆRK: Ligning 1
  2. Manuelt anvende blandet sølv epoxy til toppen og spidserne af alle 3 graphene papirlagene at sikre god kontakt mellem lag på side A af lamineret struktur (figur 1c), og placer derefter 1 cm kobbertråd ende i epoxy og mellem to lag. Softly squeeze lagene for at fjerne overskydende epoxy og sikre god elektrisk kontakt. Gentag for side B af den laminerede struktur.
  3. Anbring hele enheden i risten, tørre natten over 70 ° C og 1 atm.

4.. Forbered Sample og medier

  1. Forbered isotonisk medier af et spektrum af ledningsevne ved hjælp af ledningsevnemåleren, 290 mM mannitol stamopløsning og serielle tilsætninger af isotonisk phosphatbuffer saltvand (PBS).
    BEMÆRK: En lineær korrelation mellem koncentrationen ledningsevne og volumen på ~ 290 mOsm / L PBS (ledende) i ~ 290 mOsm / L mannitolopløsning (ikke-ledende). Videoen viser en medium på 0,01 S / m ledningsevne.
  2. Bland polystyrenkugler med forberedte ledningsevne medier eller e-rent vand (~ 5 x 10 -6 S / m) til 1:50 vol: vol-forhold. Denne protokol er let at tilpasse til biologiske celler samt.

5.. Opsætning Experiment og Operate Device

  1. Clamp enheden onto en glasplade med moderat tryk (Figur 2d) ved hjælp af modificerede papir klemmer eller tilsvarende. De fundamenter skal være tæt nok til mikro-og til at forsegle den laminerede struktur til objektglasset forhindrer prøve lækage. Klemmen skal passe inden mikroskopbordet med pres optimeret til at a) forhindre deformation af lamineret struktur, og b) at sikre mikro-såvel væske ikke lækker. Deformation ændrer brøndgeometri og lysbanen reducere eksperiment reproducerbarhed.
  2. Ved hjælp af en mikro-sprøjte eller tilsvarende, langsomt injicere ~ 1 ul af prøven i mikro-godt og undgå at indføre eventuelle bobler. Gentag injektion, hvis nødvendigt, og vær forsigtig med ikke at beskadige mikro-brøndvægge med den skarpe nål. Lidt overfylde mikro-godt og træk straks dækglas over mikro-godt for at fjerne overskydende væske, forhindre fordampning, og sikre reproducerbare mængder for hvert forsøg.
    BEMÆRK: En diamant spids glasscutter fungerer godt til SCORe og crack dække glas til størrelse.
  3. Fastgør afsluttet lamineret microdevice til mikroskopbordet og vedhæfte funktion generator elektrodetrådene til de to kobber fører på enheden. I AxioVision (Zeiss software), klik på knappen for at starte kameraet optagelse i flerdimensionale erhvervelse mode. Indled funktion generator signal til en fast periode, efter start af CCD kamera optagelse at dokumentere reaktioner med og uden det elektriske felt anvendt.
    BEMÆRK: Her 100 Hz til 10 MHz med en 15 V spids-spids signal blev anvendt og eksperimenter blev observeret ved 10X forstørrelse på 1 til 200 over objektglasset overflade i 2 sek uden felt og ~ 5 min med felt anvendt. Billeder blev digitalt gemt på 1 til 5 billeder pr sekund (fps) for yderligere analyse.
  4. Efter eksperimentet afsluttet, skal du fjerne enheden og afmontere klemmerne. Fordyb både objektglas og enhed i sæbevand, skyl derefter godt. Genbrug enheder omkring 30 gangs med konsekvent ydeevne.

6.. Dataanalyse og Image Processing

  1. Analyser billeddata med foretrukne software, såsom ImageJ. Beregn hastighed fra forskydningen partikel mellem på hinanden følgende billeder på et givet tidspunkt skridt.
  2. Beregn eksperimenterende DEP kraft og feltstyrke baseret på hastighed at kompilere tendenser og sammenligne med teorien 29.
  3. Mål partikelhastighed radialt i mikro-brøndgeometri overensstemmelse med formen af ​​den elektriske feltgradient. Fra mikro-såvel kant til centrum, identificere 8 koncentriske isoelektriske konturer (350, 300, ... 50, 0 um), hvilket resulterer i 7 regioner.
    BEMÆRK: Den tid for partikler til at krydse 50 um afstand blev anvendt til at beregne hastighed. Når geometriske variationer nødvendiggjorde det blev de isoelektriske konturer justeres en smule.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Dielektrophoretiske eksperimenter på 6 ìm polystyrenkugler blev udført i en 0,38 mm 3 cylindrisk mikro-godt. Resultaterne viser, at en 3D lamineret graphene papirbaserede enhed kan illustrere lignende dielektrophoretiske underskrifter 3D metalfolie laminerede indretninger 20, 21, traditionel 2D metal-elektrode 26, 27, og 2D isolator enheder 25. I de følgende eksperimenter blev en 15 V spids-spids AC-signal anvendes, og frekvensen blev varieret fra 100 Hz til 10 MHz 30. Kvalitative DEP Resultaterne er vist i figur 3 på tidspunkt 0 før anvendelse i marken (første kolonne), og efter 5 minutter (anden søjle) i det elektriske felt. Når der ikke elektrisk felt var til stede, partikler langsomt sediment til enhedens bund via tyngdekraften (3a og b). Figur 3c og D demonstrere typiske pDEP resultater ved 1 kHz, somangivet med partikler samler mod mikro-og kanter. Figur 3e og f illustrerer NDEP ved 10 MHz, som indikeret ved fokusering af partikler i midten.

Figur 4a illustrerer de eksperimentelle DEP svar for ledningsevne mellem 0,0001 S / m og 1,3 S / m over et frekvensområde fra 100 Hz til 10 MHz. Negativ DEP (NDEP), eller positiv DEP (pDEP) blev typisk bestemt ved observation af perler bevæger sig ind mod midten, eller kanterne af mikro-godt. Men dette kompliceres ved at recirkulere strømme (20-50 um diameter) nær kanterne af mikro-godt, der skete samtidig med DEP adfærd på to regioner i ledningsevnen frekvens plads, som vist med åbne symboler i figur 4a. En type af recirkulerende strømning blev observeret under ~ 10 kHz ved alle testede ledningsevner, mens den anden type blev observeret ved høj ledningsevne og høj frekvens. De recirkulerende strømme ændre NDEP eller pDEP perle motioner i forskellig grad. Disse samtidige kræfter er illustreret i parameterrummet i figur 4a.

Dielektrophoretiske hastigheder er opstillet som funktion af radial position ved hjælp af koncentriske tællere (figur 5A) i mikroorganismen godt. Velocity tendenser med position er vist i figur 5c. Som forventet er de højeste hastigheder observeret nær mikro-og kant, som svarer til regionen med den højeste elektriske felt densitet (figur 5b). Partikler bevæger sig lodret i og ud af brændplanet i løbet af en 1 min optagelse. Imidlertid er denne lodrette hastighed størrelsesorden skønnes at være, og derfor er ubetydelig i forhold til 5 ~ 100 um / sek koncentrisk hastighed målt. In-plane hastigheder spænder fra 5 m / sek til 36 mM / sek, hvilket svarer til DEP mobiliteter af ≈ 1,07 x 10 -16 m 4 / (V ⋅ sek) i løbet af det elektriske felt tæthed regions på 5 x 10 4 V / m for at 3 x 10 5 V / m.. Hastigheder er i overensstemmelse med dem rapporteret i 3D-systemer 31, 32, 2D elektrodesystemer 33, og DC isolator DEP systemer 34..

Figur 1
Figur 1. Fabrication fremgangsmåde til lamineret enhed. a) Alternativt stak 6 lag graphene papir og 5 lag af dobbeltklæbende tape for at forhindre forbindelsen mellem tilstødende graphene lag. b) Tryk lagene sammen og skære overskydende dobbeltklæbende tape langs den røde stiplede linje. c) Bor et mikro-godt i centret via micro-fræsning, som vist i figur 2a og b.. d) Overhold to kobber fører til Side A og Side B med sølv epoxy. e) Endelig fabrikeret enhed.


Figur 2.. A) Computer-kontrollerede mikro-boremaskine. B) lamineret struktur er immobiliseret på scenen med klemmer. Der bruges trykluft til at blæse snavs fra slutningen mill. C) Microdevice eksperimenter er udført med et mikroskop, CCD-kamera, funktion generator og computer til dataopsamling. D) Close-up billede af microdevice klemt fast på en glasplade på mikroskopbordet . AC elektrisk signal fra funktionen generator anvendes til enheden via kobber ledninger.

Figur 3
Figur 3.. Typiske dielektroforese svar inden for 3D lamineret microdevice. En 15 V spids-spids blev anvendt med en medium ledningsevne på 1,3 x 10-4 S / m. Den første kolonne viser partikler ved eksperiment starter med det elektriske felt fra, og i anden kolonne viser respons efter 5 min ab) Partikler sediment til mikro-såvel bund. Cd) ved 1 kHz, partikler samledes nær mikro-godt kant , hvilket indikerer pDEP. ef) Ved 10 MHz, partikler fokuseret på mikro-såvel centret med angivelse NDEP.

Figur 4
Fig. 4. a) Eksperimentel DEP adfærd 6.08 um polystyrenkugler som en funktion af ledningsevne (0,0001 til 1,3 S / m) og frekvens (100 Hz-10 MHz) i PBS justeret mannitolopløsning. Små recirkulationer blev observeret samtidig med DEP adfærd nær mikro-såvel kanter for lave frekvenser (<1 kHz) og alle testede medium ledningsevne, samt ved høje frekvenser og højere medium ledningsevne. Åbne symboler repræsentere negativ DEP og positiv DEP med recirkulation, mens den faste symbol repræsenterer NDEP uden recirkulation. Nedenfor ~ 100 Hz blev elektrolyse bobler observeret og er repræsenteret ved Δ. B), Predicted crossover frekvenser fra 0,0001 S / m til 1,3 S / m. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 5
Figur 5.. A) Billeder af polystyrenkugler oplever NDEP i en 15 V spids-spids, 1MHz område. Koncentriske cirkler spore flytning af partikler, som de krydse mikrobrønden. B) COMSOL simulering af elektrisk felt gradient (V / m2) af en tværsnit af mikro-godt. C) dielektrophoretiske hastigheder af klynger af perler som en funktion af radial position i mikro-godt. Klik her for at se en større version af dette tal.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Dette håndskrift detaljer protokoller for opdigte en roman 6 graphene lag og 5 tape lag microdevice. Endvidere er enhedens drift illustreret via observerede DEP adfærd af 6,08 um polystyrenkugler sammen med en unik, geometrisk relevant partikelhastighed analyse tilgang. Denne alsidige tilgang til at konstruere lineære elektrokinetiske enheder er billigere end elektrode og fluidiske lag microfabrication teknikker, mens giver lige så pålidelige resultater.

Endvidere denne roman 3D graphene papir microdevice gav eksperimentelle dielektrophoretiske resultater, der er enige med både teoretisk forudsagt adfærd og tidligere rapporterede eksperimentelle resultater 35. For signal frekvenser fra 100 Hz til 10 MHz og medier ledningsevner fra 1 x 10 -4 S / m til 1,3 S / m, verificerede eksperimenter eksistensen af en delefrekvens, under hvilken pDEP blev observeret, og over hvilken NDEP blev observeret. Som forventet,NDEP blev observeret over det meste af ledningsevne frekvens plads som vist i figur 4a. Teori forudser, at 6,08 um homogene polystyrenkugler (ε ρ = 2,55, σ ρ = 1,3 x 10 -3 S / m 36) har en delefrekvens når σ m <σ ρ = 1,3 x 10 -3 S / m. I de resterende parameter space x 10 -4 S / m til ca 1,3 x 10 -3 S / m, crossover-frekvenser (f co i størrelsesordenen ≈ 1 kHz blev observeret. For eksempel f co var fra 1 1 kHz i en 3,9 x 10 -4 S / m medium, mens en tidligere rapporteret eksperimenterende resultat på 1,0 x 10 -3 S / m var f co = 5 kHz 35, og modelbaseret forudsagte værdi var 168 kHz 37-39. Disse tre resultater er overvejes i ru aftale givet følsomhed over delefrekvensen til at ændre i medium samarbejdenductivity i det specifikke område 40, samt andre compounding afgift inducerede faktorer og variationer udstyr. Som vist i figur 4b, som medieændringer ledningsevne lidt fra 1 x 10 4 S / m til 1,3 x 10 -3 S / m, svarende crossover frekvenser dæmpes 2 størrelsesordener eller mere. Brug 168 kHz som delefrekvensen i modellen med parametre fastsættes som angivet ovenfor, kan man løse for partiklen ledningsevne og finde det at være 1,00 x 10 -3 S / M i forhold til den reelle værdi af 1,3 x 10 -3 S / m (23% forskel).

Observationer af to typer af recirkulerende strømme i ledningsevne-frekvens rum blev observeret og tilskrevet AC elektroosmose og elektrotermiske strømme i de lave og høje frekvensområder, hhv. For lave frekvenser (<10 kHz) ved alle testede medium ledningsevne, lokale partikel recirkulering hastigheder steg som frekvensfaldt med mindre ændringer som følge af medium ledningsevne. Både ledningsevne frekvens forhold og størrelsen af recirkulerende ruller (20-50 um) er enige med tidligere AC elektroosmotiske flow undersøgelser 41-43. For relativt høje frekvenser (> 100 kHz) ved relativ høj medium ledningsevne (> 0,01 S / m), NDEP begynder at blive overmandet af recirkulation. Recirkulerende partikelhastigheder steg som medium ledningsevne øges og frekvens øges. Igen både ledningsevne frekvens forhold og størrelsen af recirkulationer enige med tidligere resultater 44-47.

I 3D-DEP, partikler også opleve dielektrophoretiske kræfter presser partikler mellem tilstødende graphene papirlagene på flere lodrette positioner i mikro-godt. Den optiske mikroskop observation af dette er delvist kompromitteret, fordi lyset spredes gennem fokuserede DEP partikler over og under flyet af interesse. På grund af tyngdekraften sedimentering over tid, more-partikler blev observeret nær bunden DEP fokus fly end i de øverste mest DEP fokus fly (data ikke vist) 48.

Enheden fabrikation er meget alsidig; de protokoller, der er fastsat kan let tilpasses til enheder med flere lag eller andre materialer. Som et alternativ isoleringslag materiale, kan polydimethylsiloxan (PDMS) tyndfilm blive spundet til en styrbar og nogenlunde ensartet tykkelse. PDMS har godt karakteriseret elektriske og overflade kemi egenskaber, men håndtering af sådanne tynde skrøbelige film var generende. Dobbeltklæbende tape har mere ensartet tykkelse, var nemmere at håndtere med bedre lag-til-lag forsegling og dermed gav en højere succesrate på optimalt funktionelle enheder. XG Sciences graphene papir (Leaf B-072), fungerede godt som en elektrode materiale og skræddersyet produktion tilbudt alsidige elektriske og mekaniske egenskaber. Højere koncentrationer nanoplatelet reducerede papir modstand 24 og polymeric understøtter forhindret vandadsorption mens celluloseholdige understøtninger tillade vand diffusion (data ikke vist).

Komplikationer med enhedens funktionalitet kan omfatte øget modstand ved brønden overfladen, brudt elektriske forbindelser, elektrolytiske bobler, boble introduktion under prøve lastning, og skæv godt geometri. Isoleringen test i proceduren trin 1.5 bør udnyttes før hvert forsøg for at vurdere enhedens integritet. Det udnyttede XG graphene papir overflade udsættes for mikrobrønden wore off efter ~ 30 eksperimenter. Inkonsistente DEP resultater blev let genkendes via uregelmæssig globale flow gennem mikro-godt eller ingen respons på et påtrykt potentiale. Side A og Side B (figur 1c) graphene lag af anordningen kan knække, hvis den ikke håndteres forsigtigt. I disse tilfælde er der behov for udskiftning enheder. Ved frekvenser på eller under 100 Hz, 3D graphene elektroder katalyseret vand elektrolyse for at producere O 2 og H 2 bobler. Ther frekvensen tærskel er 2 størrelsesordener lavere end denne gruppes tidligere resultater med traditionelle mikrofabrikerede 2D elektroder 49, der udvider det operativsystem rum, hvor partikler eller biologiske celler kan afhørt. Luftbobler fra prøven injektionssprøjte bør undgås på grund af elektrisk felt form og optisk interferens. Endelig perfekt lodret mikro-boring er afgørende for konsekvent optisk belysning og observation af DEP adfærd. Mikro-og skævvridning bliver sværere at styre antallet af laminerede lag stiger. De fleste konfokal og lys mikroskoper har arbejdet afstande under 1 mm, så DEP adfærd ikke let kan observeres på tykkelse over dette. Imidlertid ville øge den tredje dimension være fordelagtigt for stor skala DEP forarbejdning.

En ligetil lamineret graphene papir / tape struktur er blevet påvist som en batch-wise 3D DEP microdevice. I fremtidige applikationer, partikel eller cell suspension kunne kontinuerligt flow gennem enheden for at opnå højere throughput DEP sortering 50 år. Specifikke biomedicinske applikationer, der kræver sortering af store mængder til at adskille og identificere sjældne celler omfatter påvisning af cirkulerende tumorceller 51 og sepsis 52.. Desuden kan vandabsorberende graphene papir samtidigt fungere som en elektrode og udbredelse medium for partikel / celle koncentratorer. Endelig har graphene papir blevet påvist som en levedygtig biosensor 24. Den her beskrevne indretning kan anvendes til samtidig DEP koncentration og biologisk detektion ved graphene overflade. Således kan forskellige graphene papirtyper være nyttige elektroder i high throughput mikrofluide systemer anvender elektrokinetik og / eller biosensorer.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Forfatterne har ingen konflikter at afsløre.

Acknowledgments

Tak til XG Sciences for generøse donationer af graphene papir. Takket være Dr. C. Friedrich for generøst at lade os bruge mikro-boreudstyr. En særlig tak er udvidet til Tayloria Adams for fortællemæssige videoen.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Polystyrene Beads Spherotech, Inc. PP-60-10 6.08 μm diameter
Graphene paper XG Sciences, Inc. XG Leaf B-072
Double sided tape 3M N/A 136 office tape
Silver conductive epoxy MG chemicals 8331-14G Part A & B included
Mannitol Sigma Aldrich 091M0020V
Phosphate buffer saline OmniPur 0381C490
Microscope (CCD Camera) Zeiss Axiovert 200M
Function/waveform generator Agilent 33250A
Syringe Hamilton 84505
Paper Clamp ADAMS 3300-50-3848
Oven Fisher Scientific 280A
Multimeter OMEGA HHM25
Micro-milling machine AEROTECH ABL1500 stages/A3200 Npaq controller
End mill ULTRATOOL 708473
AxioVision Zeiss Version 4.8

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Geim, A. K., Novoselov, K. S. The rise of graphene. Nature Materials. 6 (3), 183-191 (2007).
  2. Jafri, R. I., Rajalakshmi, N., Ramaprabhu, S. Nitrogen doped graphene nanoplatelets as catalyst support for oxygen reduction reaction in proton exchange membrane fuel cell. Journal of Materials Chemistry. 20 (34), 7114-7117 (2010).
  3. Kavan, L., Yum, J. H., Gratzel, M. Graphene Nanoplatelets Outperforming Platinum as the Electrocatalyst in Co-Bipyridine-Mediated Dye-Sensitized Solar Cells. Nano Letters. 11 (12), 5501-5506 (2011).
  4. Aravind, S. S. J., Baby, A. T. T., Arockiadoss, T., Rakhi, R. B., Ramaprabhu, S. A cholesterol biosensor based on gold nanoparticles decorated functionalized graphene nanoplatelets. Thin Solid Films. 519 (16), 5667-5672 (2011).
  5. Si, P., Ding, S. J., Lou, X. W., Kim, D. H. An electrochemically formed three-dimensional structure of polypyrrole/graphene nanoplatelets for high-performance supercapacitors. Rsc Advances. 1 (7), 1271-1278 (2011).
  6. Wang, D. -W., et al. Fabrication of Graphene/Polyaniline Composite Paper via In Situ Anodic Electropolymerization for High-Performance Flexible Electrode. ACS Nano. 3 (7), 1745-1752 (2009).
  7. Lee, J. K., Smith, K. B., Hayner, C. M., Kung, H. H. Silicon nanoparticles-graphene paper composites for Li ion battery anodes. Chem Commun (Camb). 46 (12), 2025-2027 (2010).
  8. Kavan, L., Yum, J. H., Gratzel, M. Optically Transparent Cathode for Dye-Sensitized Solar Cells Based on Graphene Nanoplatelets. ACS Nano. 5 (1), 165-172 (2011).
  9. Martinez-Duarte, R. Microfabrication technologies in dielectrophoresis applications--a review. Electrophoresis. 33 (21), 3110-3132 (2012).
  10. Yamamoto, M., et al. Patterning with particles using three-dimensional interdigitated array electrodes with negative dielectrophoresis and its application to simple immunosensing. Electrochimica Acta. 82, 35-42 (2012).
  11. Doh, I., Kim, Y., Cho, Y. H. A particle trapping chip using the wide and uniform slit formed by a deformable membrane with air bubble plugs. Current Applied Physics. 13 (5), 902-906 (2013).
  12. Lin, S. C., Lu, J. C., Sung, Y. L., Lin, C. T., Tung, Y. C. A low sample volume particle separation device with electrokinetic pumping based on circular travelling-wave electroosmosis. Lab on a Chip. 13 (15), 3082-3089 (2013).
  13. Martinez-Duarte, R., Camacho-Alanis, F., Renaud, P., Ros, A. Dielectrophoresis of lambda-DNA using 3D carbon electrodes. Electrophoresis. 34 (7), 1113-1122 (2013).
  14. Yang, S. M., Tseng, S. Y., Chen, H. P., Hsu, L., Liu, C. H. Cell patterning via diffraction-induced optoelectronic dielectrophoresis force on an organic photoconductive chip. Lab on a Chip. 13 (19), 3893-3902 (2013).
  15. Srivastava, S. K., Gencoglu, A., Minerick, A. R. DC insulator dielectrophoretic applications in microdevice technology: a review. Anal Bioanal Chem. 399 (1), 301-321 (2011).
  16. Liao, S. H., Cheng, I. F., Chang, H. C. Precisely sized separation of multiple particles based on the dielectrophoresis gradient in the z-direction. Microfluidics and Nanofluidics. 12 (1-4), 1-4 (2012).
  17. Bajaj, P., Marchwiany, D., Duarte, C., Bashir, R. Patterned three-dimensional encapsulation of embryonic stem cells using dielectrophoresis and stereolithography. Adv Healthc Mater. 2 (3), 450-458 (2013).
  18. Braff, W. A., Pignier, A., Buie, C. R. High sensitivity three-dimensional insulator-based dielectrophoresis. Lab Chip. 12 (7), 1327-1331 (2012).
  19. Martinez-Duarte, R., Gorkin 3rd, R. A., Abi-Samra, K., Madou, M. J. The integration of 3D carbon-electrode dielectrophoresis on a CD-like centrifugal microfluidic platform. Lab Chip. 10 (8), 1030-1043 (2010).
  20. Fatoyinbo, H. O., Kamchis, D., Whattingham, R., Ogin, S. L., Hughes, M. P. A high-throughput 3-D composite dielectrophoretic separator. Ieee Transactions on Biomedical Engineering. 52 (7), 1347-1349 (2005).
  21. Hubner, Y., Hoettges, K. F., Kass, G. E. N., Ogin, S. L., Hughes, M. P. Parallel measurements of drug actions on Erythrocytes by dielectrophoresis, using a three-dimensional electrode design. Iee Proceedings-Nanobiotechnology. 152 (4), 150-154 (2005).
  22. Abdul Razak, M. A., Hoettges, K. F., Fatoyinbo, H. O., Labeed, F. H., Hughes, M. P. Efficient dielectrophoretic cell enrichment using a dielectrophoresis-well based system. Biomicrofluidics. 7 (6), (2013).
  23. Hughes, M. P. O. S., Hoettges, K. F., Wattingham, R. Device for Dielectrophoretic Manipulation of Particles. , (2005).
  24. Heldt, C. L., et al. Stacked graphene nanoplatelet paper sensor for protein detection. Sensors and Actuators B-Chemica. 181, 92-98 (2013).
  25. Srivastava, S. K., Artemiou, A., Minerick, A. R. Direct current insulator-based dielectrophoretic characterization of erythrocytes: ABO-Rh human blood typing. Electrophoresis. 32 (18), 2530-2540 (2011).
  26. Leonard, K. M., Minerick, A. R. Explorations of ABO-Rh antigen expressions on erythrocyte dielectrophoresis: Changes in cross-over frequency. Electrophoresis. 32 (18), 2512-2522 (2011).
  27. Srivastava, S. K., Daggolu, P. R., Burgess, S. C., Minerick, A. R. Dielectrophoretic characterization of erythrocytes: Positive ABO blood types. Electrophoresis. 29 (24), 5033-5046 (2008).
  28. Minerick, A. R. The rapidly growing field of micro and nanotechnology to measure living cells. AIChE Journal. 54 (9), 2230-2237 (2008).
  29. Garza-Garcia, L. D., Perez-Gonzalez, V. H., Perez-Sanchez, O. A., Lapizco-Encinas, B. H. Electrokinetic Mobilities Characterization and Rapid Detection of Microorganisms in Glass Microchannels. Chemical Engineering & Technology. 34 (3), 371-378 (2011).
  30. Lopez-de la Fuente, M. S., et al. An electric stimulation system for electrokinetic particle manipulation in microfluidic devices. Rev Sci Instrum. 84 (3), (2013).
  31. Chen, D. F., Du, H., Li, W. H. A 3D paired microelectrode array for accumulation and separation of microparticles. Journal of Micromechanics and Microengineering. 16 (7), 1162-1169 (2006).
  32. Chu, H., Doh, I., Cho, Y. H. A three-dimensional (3D) particle focusing channel using the positive dielectrophoresis (pDEP) guided by a dielectric structure between two planar electrodes. Lab on a Chip. 9 (5), 686-691 (2009).
  33. Millet, L. J., Park, K., Watkins, N. N., Hsia, K. J., Bashir, R. Separating beads and cells in multi-channel microfluidic devices using dielectrophoresis and laminar flow. J Vis Exp. , (2011).
  34. Weiss, N. G., et al. Dielectrophoretic mobility determination in DC insulator-based dielectrophoresis. Electrophoresis. 32 (17), 2292-2297 (2011).
  35. Auerswald, J., Knapp, H. F. Quantitative assessment of dielectrophoresis as a micro fluidic retention and separation technique for beads and human blood erythrocytes. Microelectronic Engineering. 67-8, 879-886 (2003).
  36. Park, S., Zhang, Y., Wang, T. H., Yang, S. Continuous dielectrophoretic bacterial separation and concentration from physiological media of high conductivity. Lab on a Chip. 11 (17), 2893-2900 (2011).
  37. Sun, T., Holmes, D., Gawad, S., Green, N. G., Morgan, H. High speed multi-frequency impedance analysis of single particles in a microfluidic cytometer using maximum length sequences. Lab on a Chip. 7 (8), 1034-1040 (2007).
  38. Hughes, M. P., Morgan, H. Dielectrophoretic Characterization and Separation of Antibody-Coated Submicrometer Latex Spheres. Analytical Chemistry. 71 (16), 3441-3445 (1999).
  39. Liang, W. F., et al. Simultaneous separation and concentration of micro- and nano-particles by optically induced electrokinetics. Sensors and Actuators a-Physical. 193, 103-111 (2013).
  40. White, C. M., Holland, L. A., Famouri, P. Application of capillary electrophoresis to predict crossover frequency of polystyrene particles in dielectrophoresis. Electrophoresis. 31 (15), 2664-2671 (2010).
  41. Wu, J., Ben, Y. X., Battigelli, D., Chang, H. C. Long-range AC electroosmotic trapping and detection of bioparticles. Industrial & Engineering Chemistry Research. 44 (8), 2815-2822 (2005).
  42. Zhou, H., White, L. R., Tilton, R. D. Lateral separation of colloids or cells by dielectrophoresis augmented by AC electroosmosis. J Colloid Interface Sci. 285 (1), 179-191 (2005).
  43. Green, N. G., Ramos, A., Gonzalez, A., Morgan, H., Castellanos, A. Fluid flow induced by nonuniform ac electric fields in electrolytes on microelectrodes I. Experimental measurements. Phys Rev E Stat Phys Plasmas Fluids Relat Interdiscip Topics. 61 (4 Pt B), 4011-4018 (2000).
  44. Green, N. G., Ramos, A., Gonzalez, A., Castellanos, A., Morgan, H. Electrothermally induced fluid flow on microelectrodes. Journal of Electrostatics. 53 (2), 71-87 (2001).
  45. Gonzalez, A., Ramos, A., Morgan, H., Green, N. G., Castellanos, A. Electrothermal flows generated by alternating and rotating electric fields in microsystems. Journal of Fluid Mechanics. 564, 415-433 (2006).
  46. Park, S., Koklu, M., Beskok, A. Particle trapping in high-conductivity media with electrothermally enhanced negative dielectrophoresis. Anal Chem. 81 (6), 2303-2310 (2009).
  47. Sin, M. L., Gau, V., Liao, J. C., Wong, P. K. Electrothermal Fluid Manipulation of High-Conductivity Samples for Laboratory Automation Applications. JALA Charlottesv Va. 15 (6), 426-432 (2010).
  48. Liao, S. -H., Cheng, I. F., Chang, H. -C. Precisely sized separation of multiple particles based on the dielectrophoresis gradient in the z-direction. Microfluidics and Nanofluidics. 12 (1-4), 201-211 (2012).
  49. Gencoglu, A., Minerick, A. Chemical and morphological changes on platinum microelectrode surfaces in AC and DC fields with biological buffer solutions. Lab on a Chip. 9 (13), 1866-1873 (2009).
  50. Bocchi, M., et al. Dielectrophoretic trapping in microwells for manipulation of single cells and small aggregates of particles. Biosensors & Bioelectronics. 24 (5), 1177-1183 (2009).
  51. Li, P., Stratton, Z. S., Dao, M., Ritz, J., Huang, T. J. Probing circulating tumor cells in microfluidics. Lab on a Chip. , (2013).
  52. Rimmele, T., Kellum, J. A. Clinical review: Blood purification for sepsis. Critical Care. 15 (1), (2011).

Tags

Fysik graphene papir dielektroforese graphene elektroder 3D lamineret microdevice polystyren perler cellediagnostik
Udvikling af en 3D graphene Elektrode dielektrophoretisk Device
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Xie, H., Tewari, R., Fukushima, H.,… More

Xie, H., Tewari, R., Fukushima, H., Narendra, J., Heldt, C., King, J., Minerick, A. R. Development of a 3D Graphene Electrode Dielectrophoretic Device. J. Vis. Exp. (88), e51696, doi:10.3791/51696 (2014).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter