Waiting
Login processing...

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

Engineering

Разработка устройства 3D Графен электрода Dielectrophoretic

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

Микроприбор с высокой пропускной потенциал используется для демонстрации трехмерных (3D) диэлектрофореза (DEP) с новыми материалами. Графен nanoplatelet бумаги и двусторонний скотч поочередно укладываются; микро-хорошо 700 мкм была пробурена поперек слоев. DEP поведение полистирольных шариков была продемонстрирована в микро-и.

Abstract

Проектирование и изготовление нового 3D электрода Microdevice, используя 50 мкм толщиной графена бумагу и 100 мкм двусторонний скотч описывается. Подробнее Протокол процедуры построить универсальный, многоразовые, многослойный, ламинированные диэлектрофореза камеру. В частности, шесть слоев 50 мкм х 0,7 см х 2 см графен бумаги и пяти слоев двухсторонней ленты поочередно сложены вместе, то прижимается к предметное стекло. Тогда диаметр мкм микро-и 700 была пробурена через слоистой структуры с использованием компьютерным управлением микро сверлильный станок. Изоляционные свойства ленты слоя между соседними слоями графена были уверены по тестам сопротивления. Серебряный проводящий эпоксидный связаны альтернативные слоев графена бумаги и формируются стабильные связи между графеновой бумаги и внешних медных проводов электродов. Затем готовый устройство зажимали и опечатаны в стекло. Градиент электрического поля была смоделирована в тон многослойный устройство. Dielectrophoretic поведение 6 мкм полистирольных шариков были продемонстрированы в 1 мм глубиной микро-а, со средними проводимости, начиная от 0,0001 См / м до 1,3 См / м, и применяются частоты сигнала от 100 Гц до 10 МГц. Отрицательные dielectrophoretic ответы наблюдались в трех измерениях на большей части проводимости частотном пространстве и частоты кроссовера значения согласуются с ранее значения литературы. Устройство не помешало переменного тока Электроосмос и электротермические потоки, которые произошли в регионах низких и высоких частот, соответственно. Графен бумага используется в этом устройстве является универсальным и впоследствии может функционировать в качестве биосенсора после dielectrophoretic характеризации являются полными.

Introduction

Графен представляет собой новый материал известен своими высококачественных электронных свойств и потенциальных химических и биосенсоров приложений 1. Графен нанопластинок были использованы для катализатора поддержки 2, 3, биосенсоров 4, супер-конденсаторов 5 и композитных электродов в том числе графена / полианилина и кремния наночастиц / графеновых композитов 6-8. Эта рукопись описывает использование графена бумаги в качестве электродов в уникальной трехмерной (3D), слоистой микрожидкостных устройств. Графен бумаги электроды с прослойкой из изолирующего двухсторонней ленты и камеры высверленное течение которого была осуществлена ​​3D AC диэлектрофорез из полистирола.

Диэлектрофорез (DEP) относится к движению поляризуемых частиц при неоднородных электрических полей. Положительный DEP (pDEP) или отрицательный DEP (ППСИ) происходит, когда частицы являются более или менее поляризуемый, чем окружающая среда, Resulting в движении к сильнейшей или слабого электрического поля, соответственно. Это нелинейное электрокинетический инструмент был использован для разделения, сортировка, заманивая в ловушку, и идентификация частиц и биологических клеток 9-15. Dielectrophoretic сила испытывали на поляризованной частицы является функцией градиента электрического поля, радиуса и формы частиц, частиц диэлектрических свойств, включая проводимости и диэлектрической проницаемости, а также медиа проводимости и диэлектрической проницаемости. В традиционной двумерной (2D) DEP, движение частиц в первичном плоскости градиентом электрического поля, как правило, образованной между микроизготовленном поверхностных электродов; движение в вертикальном направлении незначительна по сравнению с в плоскости направлений в большинстве устройств. Тем не менее, оседлать эту третье измерение электрических градиентов поля для 3D DEP позволяет высокая производительность и увеличивает универсальность для разработки новых и усовершенствованных dielectrophoretic разделения, в котором поток травеRSE в поле градиентов 16, 17. Другие конкретные проекты включают 3D изолятор на основе DEP 18 углерода 3D-электрода DEP 13, 19, и 3D гальванических DEP 10. Как свидетельствуют исследования в 3D структур, такие устройства могут работать в режиме с непрерывным потоком для достижения более высокую пропускную. Наблюдение движения 3D частиц в нашей слоистой 3D устройства достигается в зависимости от частоты и средней проводимости через световой микроскопии при различных фокальных высоты.

Fatoyinbo соавт. Впервые сообщил DEP в 3D слоистой структуры электрод / изоляции с использованием в качестве альтернативы сложены 30 мкм алюминиевой фольги и 150 мкм эпоксидная смола фильмы 20. Хюбнер и др.. Затем разработаны аналогичные 3D ламинированные электроды с 35 мкм медной ленты и 118 мкм полиимидной клея 21. Эта работа занимает дизайн 3D-а 22, 23И однозначно использует удобство 50 мкм графеновом бумаги в качестве проводящих слоев 100 мкм двухсторонней ленты, как изолирующих слоев, которые достигли герметизации электрических и достаточно экранирование. Графен бумаги универсальность является особым преимуществом для 3D электродных микроустройств потому что графеновые нанопластинок имеют возможность одновременно выступать в качестве биосенсоров, которые эта группа ранее продемонстрировали 24.

Полевые градиенты, достигнутые в графеновой бумаги / полимера ламинированные 3D микроприборы зависят от размеров микро-а, графеновых слоев бумаги и приложенного электрического поля. Критические размеры включают вертикальную расстояние между электродами (проведение и изолирующую толщины слоев) и диаметр микро-а и высоту (определяется слоев сложены). Электрический сигнал может быть настроен через амплитудой и частотой. Структура ток устройства для пакетной обработки, но могут быть приспособлены к непрерывной устройства потока. Потрясающий устройствотехника rication описано здесь подходит для разработки 3D ламинированные электроды с широким спектром свойств графена nanoplatelet просто путем замены графена бумагу использованы. Преимущества использования графена бумаги являются универсальность физических и химических свойств, снижение издержек, и графеновые нанопластинок может одновременно выступать в качестве биосенсоров для обнаружения широкий спектр bioanalytes 24. Долгосрочные цели с высокой пропускной 3D систем DEP являются быстро идентифицировать типы клеток 25-27, или достичь без наклеек, электрически опосредованную клеточную сортировку больных клеток из популяций здоровых клеток 28. Эта статья демонстрирует оптимизацию материала и подготовку и работу устройств с последующей иллюстрации и анализа типичных результатов.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Изготовьте Ламинированный электрода / изоляции 3D структура

  1. Для 6 графена слоя, 5 лента слой устройство, вырезать графена бумагу с помощью скальпеля или аналогичного лезвием бритвы и прямо обоюдоострого правителя в шести 0,7 см х 1,5 см прямоугольников и использовать ножницы, чтобы вырезать, чувствительный к давлению ленту двухсторонний на пять 1,3 см х ~ 5 см полосы.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Как показано на рисунке 1а, это дает 3 заземляющий электрод, 3 AC сигнала электрода устройство. 7 мм проведение ширину слой достаточно узкими, чтобы соответствовать на предметное стекло, но достаточно широко для легкого бурения. Длина 2 мм не легко сломать при повторном использовании и имеет достаточно места для присоединения медных проводов. Глубина устройства ограничена глубинах концевой фрезы.
  2. Положите первый слой графена бумаги на чистое предметное стекло. Медленно покрыть один конец графена бумаги с одной полосой ленты, оставив запас ~ 2 мм, чтобы обеспечить изоляцию между двумя соседними графеновых слоев бумаги (рис. 1b
  3. Поместите второй слой графеновом бумаги на верхней части ленты смещения для первого слоя графеновом бумаги (рис. 1a). Применить умеренное давление (нажмите равномерно с большим пальцем, ~ 100 Н над 0,7 см 2 площади) после добавления каждого проводящего слоя, чтобы обеспечить хорошую герметизацию между слоями.
  4. Повторите шаги 1.2 и 1.3 для остальных слоев, оставив как верхний и нижний слои графена бумагу. Отрежьте по пунктирной линии, показанной на рисунке 1b, чтобы удалить лишнюю ленту с краев устройства, оставляя небольшой ~ 1 маржу мм, чтобы заверить запечатанный изоляцию между графеновых слоев бумаги (рис. 1b).
    Примечание: Двусторонняя лента не используется как верхний и нижний слои, чтобы избежать сбора мусора, как это слоистой структуры просверлено, установленный на предметное стекло, и наполнен образца.
  5. Выполните быстрый тест изоляции с помощью мультиметра (режим сопротивление). Установите положительные и отрицательные зондов на двух разных сторонах гое устройство (А и В на рисунке 1c); высокая устойчивость (кило-до мега-Ом) указывает хорошую изоляцию между слоями. Извлеките слоистую структуру из предметное стекло для подготовки к бурению микро-а.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Устройство обычно не выдерживает испытание изоляции, когда соседние графеновые слои бумаги в контакт во время шагов 1,2 через 1,4. Откажитесь таких устройств.

2. Просверлите Micro-колодец в слоистой структуры

  1. Используйте компьютерным управлением механической микро-фрезерный станок и выберите концевой фрезы с 700 мкм в диаметре и 2,1 мм в длину реза. Остановите слоистую структуру на стадии микро-фрезерном с использованием соответствующих зажимов (2а и б). Запустите шпинделе станка фрезерного на 8600 оборотах в минуту, затем опустите концевой фрезы медленно в и через центр слоистой структуры. Перемещение вращающийся концевой фрезы вверх и вниз через микро-скважине, чтобы сгладить внутреннюю стенку.
    1. Выберите микро-колодецдиаметры, которые сдерживаются доступной концевой фрезы диаметром / длина соотношениях вырезать аспект. Убедитесь, что внутренняя поверхность микро-скважине как по вертикали и чистым, насколько это возможно для оптимальных градиентов электрического поля и света прохождении через микро-хорошо.
  2. Очистите от мусора микро-скважины сжатым воздухом. Выполните еще одно испытание изоляции, как описано в п. 1.5.

3. Прикрепите электрические провода к слоистой структуры

  1. Сложите два 3 см в длину 32 г медных проводов к прямому углу на 2 см. Смешайте ~ 1,5 мл части А и В серебряной проводящей эпоксидной смолой.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Уравнение 1
  2. Применять вручную смешанный серебряную эпоксидную смолу в начало и кончики всех 3 графеновых слоев бумаги, чтобы обеспечить хороший контакт между слоями на стороне А слоистой структуры (рис. 1в), затем поместите 1 см медной проволоки конец в эпоксидных и между любыми двумя слоев. Мягко квueeze слои, чтобы удалить лишнюю эпоксидную смолу и обеспечения хорошего электрического контакта. Повторите для стороны В слоистой структуры.
  3. Поместите все устройство в стойке духовки, для высыхания на ночь 70 ° C в и 1 атм.

4. Подготовка образца и СМИ

  1. Подготовьте изотонический СМИ о спектре проводимости с помощью измерителя проводимости, 290 мм маннитол маточного раствора и серийных дополнений изотонического фосфатного буфера солевым раствором (PBS).
    ПРИМЕЧАНИЕ: Линейная корреляция между проводимости и объема концентрации ~ 290 мосм / л PBS (проведение) в ~ 290 мОсм / л раствора маннита (не проводящей). Видео показывает среду 0,01 См / м проводимости.
  2. Смешайте полистирольные шарики с подготовленными СМИ проводимости или адрес электронной чистой воды (~ 5 х 10 -6 См / м) до 1:50 Объем: соотношение том. Этот протокол легко адаптируется к биологических клеток, а также.

5. Эксперимент Настройка и эксплуатация устройства

  1. Зажмите устройства уплотнительноеНТО предметное стекло с умеренным давлением (рис. 2d) с использованием модифицированных бумажные зажимы или эквивалент. В опоры должны быть достаточно близко к микро-скважине, чтобы запечатать слоистую структуру на предметное стекло, предотвращая утечку образца. Зажим должен вписываться в столике микроскопа с давлением оптимизирован для) предотвращения деформации слоистой структуры, и б) обеспечить микро-скважинной жидкости не протекает. Деформация изменяет геометрию также и путь света уменьшая эксперимент воспроизводимость.
  2. Использование микро шприца или эквивалент, медленно вдохнуть ~ 1 мкл образца в микро-колодец и избежать введения пузырьков. Повторите инъекции при необходимости и аккуратно, чтобы не повредить стены микро-а с острой иглой. Слегка переполнять микро-колодец и сразу скользить покровного стекла на микро-скважины, чтобы удалить лишнюю жидкость, предотвращения испарения и обеспечения воспроизводимости объемы для каждого эксперимента.
    ПРИМЕЧАНИЕ: алмазный наконечник стекольщик работает хорошо, чтобы СКОРе и трещина защитное стекло по размеру.
  3. Закрепите заполненную ламинированного микроустройство к столику микроскопа и приложите функционального генератора выводы электрода к двум меди приводит на устройстве. В AxioVision (программного обеспечения Zeiss), нажмите кнопку, чтобы начать запись камеры в режиме многомерного приобретения. Инициировать сигнал функционального генератора на фиксированный период времени после начала записи CCD камеры для документирования ответов с и без электрического поля применяется.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Здесь от 100 Гц до 10 МГц частотного с 15 V пик-пикового сигнала применялись и эксперименты, которые наблюдались на 10-кратным увеличением на 1 до 200 над поверхностью стекло на 2 сек без поля и ~ 5 мин с полем, приложенным. Изображения были в цифровой форме сохраняется при 1 до 5 кадров в сек (кадров в секунду) для дальнейшего анализа.
  4. По окончании эксперимента, удалите устройство и демонтаж зажимы. Погрузите как стекло и устройство в мыльной воде, затем хорошо прополоскать. Повторное использование устройства около 30 разс с последовательной работы.

6. Анализ данных и обработки изображений

  1. Анализ данных изображения с предпочтительным программным обеспечением, таким как ImageJ. Рассчитать скорость от смещения частиц между последовательными изображениями в данный момент времени шага.
  2. Рассчитать экспериментальную DEP силы и поля силы на основе скорости для компиляции тенденции и сравнить с теорией 29.
  3. Измерение скорости частиц в радиальном направлении в геометрии микро-луночного соответствии с формой градиента электрического поля. От микро-и края к центру, определить 8 концентрические изоэлектрические контуры (350, 300, ... 50, 0 мкм), что приводит в 7 регионах.
    ПРИМЕЧАНИЕ: время для частиц для прохода расстояние 50 мкм использовался для расчета скорости. Когда геометрические вариации необходимость его, изоэлектрические контуры были немного скорректированы.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Dielectrophoretic эксперименты по 6 гранул полистирола мкм были проведены в 0,38 мм 3 цилиндрической микро-и. Результаты показывают, что 3D ламинированные графен бумажных устройство может проиллюстрировать подобные dielectrophoretic подписей как 3D металлической фольги ламинированные устройств 20, 21, традиционных 2D металл-электрода 26, 27, и 2D изолятор устройства 25. В следующих экспериментах 15 В от пика к пику сигнал переменного тока был применен и частота изменялась от 100 Гц до 10 МГц 30. Качественные DEP Результаты показаны на рисунке 3 в момент времени 0 до приложений поле (первая колонка) и через 5 мин (второй столбец) в электрическом поле. Когда нет электрическое поле не присутствовал, частицы медленно осадка на дне устройства с помощью гравитации (фиг.3А и В). Фиг.3С и г демонстрируют типичный pDEP приводит при 1 кГц, аобозначается накапливания частиц к микро-и кромок. Рисунок 3e и F иллюстрируют Ndep на частоте 10 МГц, на что указывает фокусировки частиц в центре.

На рисунке 4а показаны экспериментальные DEP ответы на проводимости между 0,0001 См / м и 1,3 См / м в диапазоне частот от 100 Гц до 10 МГц. Отрицательный DEP (ППСИ) или положительный DEP (pDEP) был, как правило, определяется наблюдения шариков, движущихся по направлению к центру или по краям микро-и. Тем не менее, это осложняется рециркуляции потоков (диаметр 20-50 мкм) вблизи краев микро-колодца, которые произошли одновременно с DEP поведения на двух областей в проводимость-частотном пространстве, как показано на открытых символов на фиг.4А. Один тип циркуляционного течения наблюдалось ниже ~ 10 кГц на всех протестированных проводимости, а другой тип наблюдалось при высокой проводимостью и высокой частоты. Рециркуляции потоки изменяют Ndep или pDEP шарик словцоионы в разной степени. Эти параллельные силы проиллюстрированы в пространстве параметров на фиг.4А.

Dielectrophoretic скорости приведены в таблице в зависимости от радиальной позиции с использованием концентрических счетчиков (фиг.5А) в микро-колодца. Velocity тенденции с позиции показаны на рисунке 5с. Как и ожидалось, самые высокие скорости наблюдаются вблизи микро-и край, который соответствует области с самой высокой плотности электрического поля (фиг.5В). Частицы перемещаться вертикально в и из фокальной плоскости во время записи по 1 мин. Однако эта величина вертикальной скорости, по оценкам, и, следовательно, можно пренебречь по сравнению с мкм / сек концентрической скорости 5 ~ 100 измеренной. В плоскости скорости в диапазоне от 5 мкм / с до 36 мкм / сек, что соответствует DEP подвижности ≈ 1,07 × 10 -16 м 4 / (В ⋅ сек) в течение плотности области электрического поляс 5 х 10 4 В / м до 3 х 10 5 В / м. Скорости согласуются с приведенными в 3D-систем 31, 32, 2D электродных систем 33, и системы DEP изолятор DC 34.

Рисунок 1
Рисунок 1. Процесс изготовления для ламинированного устройства. а) Либо набейте 6 слоев графена бумаги и 5 слоев двухсторонней ленты, чтобы предотвратить соединение между соседними слоями графена. б) Пресс слои вместе и сократить излишки двухсторонний скотч вдоль красной пунктирной линии. с) Дрель микро-и в центр через микро-фрезерных, как показано на рисунках 2а и б. г) Придерживайтесь два медь приводит к стороне А и сторона В серебряной эпоксидной смолой. е) Окончательный изготовлены устройство.


Рисунок 2.) С компьютерным управлением микро-сверлильный станок. Б) структура Ламинированный обездвижен на сцене с зажимами. Сжатый воздух используется, чтобы взорвать мусора с концевой фрезы. С) Microdevice эксперименты проводятся с помощью микроскопа, ПЗС-камеры, функции генератора и компьютер для сбора данных. Г) Крупным планом вид Microdevice зажатой на предметное стекло на столике микроскопа . AC электрический сигнал от функционального генератора применяется к устройству через медные провода.

Рисунок 3
Рисунок 3. Типичные ответы диэлектрофореза внутри 3D ламинированные микроустройство. 15 В пик-пик был применен со средней проводимости 1,3 х 10-4 См / м. Первая колонка показывает частицы в эксперименте начать с электрическим полем с, а второй столбец показывает ответ через 5 мин-б) частицами отложений на микро-и нижней;. Кд) при 1 кГц, частицы собрались возле микро-и края , что указывает на pDEP. EF) на частоте 10 МГц, частицы сосредоточены в центре микро-а, с указанием Ndep.

Рисунок 4
Рисунок 4.) Экспериментальный DEP поведение 6,08 мкм полистирольных шариков в зависимости от проводимости (0.0001-1.3 S / M) и частоты (100 Гц-10 МГц) в PBS регулировать раствора маннита. Небольшие рециркул ции наблюдались одновременно с DEP поведения вблизи микро-а краями для низких частот (<1 кГц) и всех тестируемых средних проводимости, а также на высоких частотах и ​​более высокой средней проводимости. Открытые символы представления отрицательной DEP и положительный DEP с рециркуляцией, в то время как твердый символ представляет Ndep без рециркуляции. Ниже ~ 100 Гц, электролизные пузырьки наблюдались и представлены Δ. Б) Прогнозируемая частот кроссовера от 0,0001 См / м до 1,3 См / м. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.

Рисунок 5
Рисунок 5. А) Изображения полистирольных шариков, испытывающих Ndep в пик-пик 15 V, поле 1 МГц. Концентрические круги отслеживать движение частиц, как они проходят Микролуночные. Б) COMSOL моделирование градиента электрического поля (В / м2) поперечного сечения микро-а. С) Dielectrophoretic скоростей кластеров из бисера в зависимости от радиального положения в микро-и. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Эта рукопись детали протоколов для изготовления графена слой роман 6 и 5 лента слоя микроустройство. Кроме того, работа устройства иллюстрируется с помощью наблюдаемых DEP поведения 6,08 мкм полистирольных шариков вместе с уникальным, геометрически соответствующей подхода анализа частиц по скоростям. Этот универсальный подход построения нелинейных электрокинетические устройств обходится дешевле, чем электродом и жидкостных методов слой микротехнологий, при этом обеспечивая такую ​​одинаково надежные результаты.

Кроме того, этот роман 3D графен бумаги Микроприбор дали экспериментальные dielectrophoretic результаты, которые согласуются как с теоретически предсказанным поведением и сообщалось ранее экспериментальные результаты 35. Для частот сигнала от 100 Гц до 10 МГц и СМИ проводимости от 1 х 10 -4 См / м до 1,3 См / м, эксперименты проверяется существование частоты кроссовера, ниже которого pDEP наблюдалось и выше, который наблюдался Ndep. Как и ожидалось,Ndep наблюдалось на большей части проводимости частотном пространстве, как показано на рисунке 4а. Теория предсказывает, что 6,08 мкм однородные шарики полистирола (ε ρ = 2,55, σ ρ = 1,3 х 10 -3 См / м 36) имеют частоту кроссовера, когда σ м <σ ρ = 1,3 х 10 -3 См / м. В остальных пространстве параметров от 1 х 10 -4 См / м до примерно 1,3 × 10 -3 См / м, наблюдались частоты разделения (F CO порядка ≈ 1 кГц. Например, F CO был 1 кГц в 3,9 х 10 -4 См / м среднего, в то время как предыдущая сообщил экспериментальный результат в 1,0 х 10 -3 См / м был F со = 5 кГц 35, и на основе модели прогнозируемое значение было 168 кГц 37-39. Эти три результаты рассматривается в грубом согласии данного чувствительность частоты кроссовера изменить в среднесрочной сотрудничестваnductivity в конкретном регионе 40, а также другой компаундирования заряда индуцированные факторы и вариации оборудование. Как показано на рисунке 4б, так как изменения проводимости СМИ немного от 1 х 10 4 См / м до 1,3 х 10 -3 См / м, соответствующие частоты разделения уменьшить на 2 порядка и более. Использование 168 кГц как частоты кроссовера в модели, с параметрами основных, как указано выше, можно решить за проводимость частиц и найти его будет 1,00 х 10 -3 См / м по сравнению с реальной стоимостью 1,3 х 10 -3 S / м (разница 23%).

Наблюдения двух типов рециркуляции потоков в проводимости частотном пространстве наблюдались и отнести к AC Электроосмос и электротермических потоков в регионах низких и высоких частот, соответственно. При низких частотах (<10 кГц) на всех протестированных средних проводимости, местных скоростей рециркуляции частиц увеличивается как частотаснизилась с небольшими изменениями из-за среднего проводимости. Оба условия проводимость частоты и размер кольцевых валов (20-50 мкм) согласиться с предыдущими переменного тока электроосмотических исследований потока 41-43. Для относительных высоких частотах (> 100 кГц) при относительной высокой средней проводимости (> 0,01 См / м), Ndep начинает подавлен рециркуляции. Скорости Рециркуляционная частиц увеличивается как проводимость среды увеличилась и частота увеличивается. Опять же, оба условия проводимость частоты и размер рециркуляций согласен с предыдущими результатами 44-47.

В 3D DEP, частицы также испытывают dielectrophoretic сил, толкающих частицы между соседними слоями графена бумаги на нескольких вертикальных положениях в микро-колодца. Оптический микроскоп наблюдение это частично угрозу, потому что свет рассеивается сфокусированных частиц DEP выше и ниже плоскости интересов. Из-за тяжести осаждения с течением времени, море частицы наблюдались вблизи нижних фокусировки самолетов DEP, чем в верхней наиболее DEP фокусировки самолетов (данные не приводятся) 48.

Изготовление устройства чрезвычайно гибок; протоколы, может быть легко адаптирована для устройств с более слоев или других материалов. В качестве альтернативного материала изоляционного слоя, полидиметилсилоксана (PDMS) тонкие пленки могут быть spincoated к управляемому и довольно равномерной толщины. PDMS имеет хорошо характеризуется электрические и поверхностные химические свойства, но работы с такими тонкими хрупкие фильмы было хлопотно. Двухсторонняя клейкая лента имеет более равномерную толщину, было легче справиться с лучшей герметизации слой-на-слой и тем самым дали более высокий показатель успеха из оптимально функциональных устройств. Графен бумаги XG наук (лист Б-072) функционировали также электродного материала и с учетом производства предлагается универсальные электрические и механические качества. Более высокие концентрации nanoplatelet снижается бумаги сопротивления 24 и PolymЭрик поддерживает предотвратить адсорбции воды в то время как целлюлозные носители позволяют воде диффузии (данные не приводятся).

Осложнения при функциональности устройства могут включать в себя увеличение удельного сопротивления на поверхности скважины, сломанные электрические соединения, электролитические пузырьки, внедрение пузыря во время загрузки образца и перекос геометрию скважины. Тест изоляции в процедуре стадии 1.5 следует использовать перед каждым экспериментом для оценки целостности устройства. Используемая XG графен поверхность бумаги подвержены микролунку исчезала после ~ 30 экспериментов. Противоречивые DEP результаты были легко узнаваемы через неустойчивой глобальной потока через ответ микро-а или не на приложенное потенциала. Сторона и Сторона Б (рис. 1в) графеновые слои прибора может сломаться, если не обрабатываются осторожно. В этих случаях замены устройства необходимо. На частотах, равных или ниже 100 Гц, 3D электроды графена катализируемой электролиза воды с получением O 2 и H 2 пузыри. Чтявляется пороговая частота составляет 2 порядка ниже, чем в предыдущих результатов этой группы с традиционными микроизготовленном 2D электродов 49, которая расширяет операционную пространство, в котором частицы или биологические клетки могут быть опрошены. Пузырьки воздуха от образца шприц следует избегать из-за электрической форме поля и оптических помех. Наконец, бурение строго вертикально микро-и имеет решающее значение для последовательного оптического освещения и наблюдения DEP поведения. Микро-и перекос становится труднее управлять, как количество ламинированные слоев возрастает. Большинство конфокальные и легкие микроскопы рабочих расстояний ниже 1 мм, поэтому DEP поведения не может быть легко наблюдается при толщине выше этого. Однако увеличение третье измерение было бы выгодно для крупномасштабного обработки DEP.

Просто ламинированный графен структура бумага / лента была продемонстрирована как периодическом 3D DEP Microdevice. В будущих приложений, частицы или сеLL подвеска может постоянно течь через устройство для достижения более высокого пропускной DEP сортировки 50. Конкретные биомедицинские приложения, которые требуют сортировки больших объемов для разделения и идентификации редких клеток включают в себя обнаружение циркулирующих опухолевых клеток 51 и сепсис 52. Кроме того, водопоглощающего графен документ может одновременно функционировать в качестве электрода и диффузионной среды для частиц / клеток концентраторов. Наконец, графен бумага была продемонстрирована в качестве жизнеспособного биосенсора 24. Устройство, описанное здесь может быть использован для одновременного DEP концентрации и биологической обнаружения на поверхности графена. Таким образом, различные типы графен бумаги могут быть полезными электроды в высокой пропускной микрофлюидных систем, использующих Электрокинетика и / или биосенсоров.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Авторы не имеют никаких конфликтов раскрывать.

Acknowledgments

Благодаря XG наук для щедрые пожертвования графена бумаги. Благодаря д-р К. Фридриха для щедро позволяя нам использовать микро-буровое оборудование. Особая благодарность распространяется на Tayloria Адамс для повествующая видео.

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

Физика выпуск 88 графен бумага диэлектрофорез графеновые электроды 3D ламинированные Microdevice полистирольные шарики диагностика клеток
Разработка устройства 3D Графен электрода Dielectrophoretic
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