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Engineering

Développement d'un périphérique 3D graphène électrode diélectrophorétiques

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

Un micro-dispositif à fort potentiel de débit est utilisé pour démontrer en trois dimensions (3D) diélectrophorèse (DEP) avec de nouveaux matériaux. papier nanoplatelet de graphène et ruban adhésif double face ont été empilées en alternance; un micro-puits de 700 um a été foré transversalement par rapport aux couches. DEP comportement de billes de polystyrène a été démontrée dans le micro-puits.

Abstract

La conception et la fabrication d'un nouveau micro-dispositif d'électrode de 3D à l'aide de 50 um d'épaisseur papier graphène et 100 um ruban adhésif double face est décrite. Le protocole décrit les procédures pour construire un, réutilisables, couches multiples polyvalent, chambre de diélectrophorèse stratifié. Plus précisément, six couches de 50 pm x 0,7 cm x 2 cm de papier de graphène et cinq couches de ruban adhésif double face ont été alternativement empilées, puis serrés sur une lame de verre. Ensuite, un micro-um de diamètre et 700 a été foré à travers la structure laminée en utilisant une machine de forage commandé par micro-ordinateur. Propriétés isolantes de la couche de ruban adhésif entre les couches de graphène adjacentes ont été assurés par des tests de résistance. Argent époxy conductrice reliée couches alternées de papier graphène et formé des connexions stables entre le papier graphène et des électrodes de fil de cuivre externes. Le dispositif fini est ensuite serré et scellé sur une lame de verre. Le gradient de champ électrique a été modélisé dans til dispositif à couches multiples. Comportements diélectrophorétiques de 6 um billes de polystyrène ont été démontrées dans les 1 mm de profondeur des micro-puits, avec des conductivités moyennes allant de 0,0001 S / m à 1,3 S / m, et appliqués fréquences de signal de 100 Hz à 10 MHz. Réponses diélectrophorétiques négatifs ont été observés en trois dimensions sur la plupart de l'espace conductivité fréquence et cross-over valeurs de fréquence sont conformes aux valeurs de la littérature précédemment rapportés. Le dispositif n'a pas empêché AC électroosmose et électrothermiques flux, qui se sont produits dans les régions basses et hautes fréquences, respectivement. Le document de graphène utilisés dans cet appareil est polyvalent et pourrait ensuite fonctionner comme un biocapteur après caractérisations diélectrophorétiques sont complets.

Introduction

Le graphène est un nouveau matériau connu pour ses propriétés électroniques de haute qualité et chimiques et biocapteurs applications potentielles 1. nanoplaquettes de graphène ont été utilisés pour support de catalyseur 2, 3, 4, biocapteurs super-condensateurs 5 et composites électrodes dont le graphène / polyaniline et composites nanoparticules de silicium / graphène 6-8. Ce manuscrit décrit l'utilisation de papier de graphène comme électrodes dans un cadre unique en trois dimensions (3D), dispositif microfluidique couches. Électrodes en papier graphène ont été stratifiées avec du ruban adhésif double-face isolante et une chambre percé dans lequel diélectrophorèse 3D AC de billes de polystyrène a été réalisée.

Diélectrophorèse (DEP) se réfère au mouvement des particules polarisables sous champs électriques non-uniformes. DEP positive (pDEP) ou DEP négative (nDEP) se produit quand les particules sont plus ou moins polarisable que le milieu, resu environslting en mouvement vers le champ électrique plus forte ou plus faible, respectivement. Cet outil électrocinétique non linéaire a été utilisée pour la séparation, le tri, le piégeage et l'identification des particules et des cellules biologiques 9-15. La force diélectrophorétique subie par une particule polarisée est une fonction du gradient de champ électrique, le rayon et la forme de particules, de particules dont les propriétés diélectriques de permittivité et la conductivité, ainsi que la conductivité du support et de la permittivité. En deux dimensions (2D) DEP traditionnelle, le mouvement des particules est dans le plan principal du gradient de champ électrique généralement formé entre des électrodes de surface micro-usinés; déplacement dans la direction verticale est négligeable par rapport à des directions dans le plan dans la plupart des dispositifs. Cependant, l'exploitation de cette troisième dimension de gradients de champ électrique pour 3D DEP permet un débit plus élevé de l'échantillon et augmente la polyvalence de concevoir de nouveaux et améliorés séparations diélectrophorétiques dans lequel le flux est traverse au champ des gradients 16, 17. D'autres conceptions spécifiques comprennent 3D DEP isolant-18, carbone-électrode 3D ​​DEP 13, 19, et 3D galvanoplastie DEP 10. Comme le montre la recherche de structures 3D, de tels dispositifs peuvent être exploités en mode de flux continu d'atteindre des débits plus élevés. Observation du mouvement des particules 3D dans notre dispositif 3D en couches est réalisée en fonction de la fréquence et de la conductivité moyenne par microscopie optique à des hauteurs différentes focales.

Fatoyinbo et al. Premier DEP rapporté dans une structure de stratifié 3D électrode / isolant en utilisant alternativement empilés 30 um feuille d'aluminium et 150 um époxy films de résine 20. Hubner et al. Ont ensuite conçu électrodes stratifiés similaires 3D avec 35 um ruban de cuivre et 118 um polyimide adhésif 21. Ce travail emprunte la conception 3D et 22, 23, Et utilise uniquement la commodité de 50 um papier de graphène comme les couches conductrices et 100 um scotch double-face que les couches isolantes, qui ont réalisé étanchéité et protection électrique suffisante. Le graphène papier polyvalence est un avantage certain pour microdevices d'électrodes 3D parce que les nanoplaquettes de graphène ont la capacité d'agir en même temps comme biocapteurs, qui ce groupe déjà démontré 24.

Les gradients de champ obtenus dans le graphène papier / polymère laminées microsystèmes 3D dépendent des dimensions micro-puits, les couches de papier de graphène, et le champ électrique appliqué. Dimensions critiques comprennent l'espacement vertical de l'électrode (conducteur et isolant des épaisseurs de couche) et le diamètre des micro-puits et la hauteur (déterminée par couches superposées). Le signal électrique peut être réglé par l'intermédiaire de l'amplitude et de la fréquence. La structure du dispositif est en cours de fonctionnement par lots, mais peut être adaptée à un dispositif à écoulement continu. L'usine de fabrication de dispositiftechnique de rication décrit ici est approprié pour le développement 3D stratifiée électrodes avec une grande variété de propriétés de graphène nanoplatelet simplement en échangeant le papier de graphène utilisés. Avantages de l'utilisation du papier de graphène sont la polyvalence des propriétés physiques et chimiques, frais réduits, et les nanoplaquettes de graphène peuvent simultanément agir comme biocapteurs pour détecter un large éventail de bioanalytes 24. Les objectifs à long terme des systèmes de DEP 3D à haut débit sont d'identifier rapidement les types de cellules 25-27, ou d'atteindre sans étiquette, tri cellulaire médiée électriquement des cellules malades de populations de cellules saines 28. Cet article démontre l'optimisation des matériaux et la préparation de l'appareil et de l'exploitation suivie par l'illustration et l'analyse des résultats typiques.

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Protocol

1. Fabriquer une structure 3D laminé électrode / isolant

  1. Pour une couche 6 de graphène, 5 dispositif de couche de bande, coupe papier graphène avec un scalpel ou une lame de rasoir similaire et une règle à bord droit en six 0,7 cm x 1,5 rectangles cm et utiliser des ciseaux pour couper un ruban double face sensible à la pression en cinq 1,3 cm x ~ 5 cm rayures.
    NOTE: Comme le montre la figure 1a, on obtient une électrode 3 au sol, 3 dispositif d'électrode de signal AC. Le 7 mm mener largeur de couche est suffisamment étroite pour tenir sur une lame de verre, mais assez large pour le forage facile. La longueur de 2 mm ne rompt pas facilement à une utilisation répétée et a suffisamment d'espace pour attacher des fils de cuivre. La profondeur de l'appareil est limitée par des profondeurs d'usines de fin.
  2. Poser la première couche de papier de graphène sur une lame de verre propre. Couvrir lentement une extrémité du papier de graphène avec une bande de ruban adhésif, laissant une marge mm ~ 2 pour assurer l'isolation entre les deux couches de papier adjacentes de graphène (Figure 1b
  3. Placer la deuxième couche de papier de graphène sur le dessus de la bande de décalage à la première couche de papier de graphène (Figure 1a). Appliquer une pression modérée (de la presse uniformément avec le pouce, ~ 100 N sur 0,7 cm 2) après l'addition de chaque couche conductrice pour assurer une bonne étanchéité entre les couches.
  4. Répéter les étapes 1.2 et 1.3 pour les couches restantes, en laissant à la fois les couches supérieure et inférieure de papier de graphène. Coupez le long de la ligne pointillée montre la figure 1b pour éliminer l'excès de bande à partir des bords de l'appareil en laissant un petit ~ 1 mm de marge pour la scellé isolation entre les couches de papier de graphène (Figure 1b).
    REMARQUE: Ruban adhésif double face n'est pas utilisé comme les couches supérieure et inférieure pour éviter la collecte de débris de cette structure stratifiée est percé, monté sur une glissière, et rempli avec l'échantillon.
  5. Effectuer un test d'isolation rapide avec un multimètre (mode de résistance). Placez les sondes positives et négatives sur deux côtés différents de eDispositif de courrier (A et B sur la figure 1c); haute résistance (kilo-de méga-ohms) indique une bonne isolation entre les couches. Retirer la structure en couches de la lame de verre pour préparer les micro-puits de forage.
    REMARQUE: Un dispositif échoue généralement le test d'isolation lorsque les couches de papier adjacentes de graphène en contact pendant les étapes 1.2 à 1.4. Jeter ces dispositifs.

2. Percer Micro-bien dans la structure stratifiée

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

3. Fixez les fils électriques de la structure laminée

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

4. Préparer l'échantillon et des médias

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

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

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

6. Analyse des données et traitement d'image

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

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Representative Results

Expériences diélectrophorétiques sur 6 um billes de polystyrène ont été menées dans un 0,38 mm 3 cylindrique micro-bien. Les résultats démontrent que 3D laminé dispositif à base de papier graphène peut illustrer signatures diélectrophorétiques similaires en tant que dispositifs feuille de métal 3D de stratifiés 20, 21, 2D métal-électrode traditionnelle 26, 27, et des dispositifs d'isolateurs 2D 25. Dans les expériences suivantes, un signal de courant alternatif de 15 V crête à crête a été appliquée et on a fait varier la fréquence de 100 Hz à 10 MHz 30. DEP résultats qualitatifs sont indiquées dans la figure 3 à l'instant 0, avant application sur le terrain (première colonne) et après 5 min (seconde colonne) dans le champ électrique. En l'absence de champ électrique est présent, particules lentement sédiments au fond de l'appareil par gravité (figures 3a et b). Figure 3c et d montrent typique pDEP Résultats à 1 kHz, commeindiqué par des particules de collecte vers les micro-puits bords. figure 3e et f illustrer nDEP à 10 MHz, comme indiqué par la focalisation de particules dans le centre.

La figure 4a illustre les réponses du DEP expérimentaux pour des conductivités entre 0,0001 S / m et 1,3 S / m sur une plage de fréquences allant de 100 Hz à 10 MHz. Négatif DEP (nDEP) ou DEP positive (pDEP) a été généralement déterminés par l'observation de perles mobiles vers le centre ou les bords de la micro-bien. Cependant, ceci est compliqué par recirculation de flux (20 à 50 um de diamètre), à proximité des bords de la micro-puits qui se sont produits simultanément avec le comportement DEP à deux zones dans l'espace fréquence-conductivité, comme indiqué par des symboles ouverts dans la figure 4a. Un type de flux de recirculation a été observé ci-dessous ~ 10 kHz à tous les conductivités testés tandis que l'autre type a été observée à conductivité élevée et à haute fréquence. Les flux de recirculation modifient nDEP ou pDEP perle motdes ions à des degrés divers. Ces forces simultanées sont illustrés dans l'espace des paramètres de la figure 4a.

Diélectrophorétiques vitesses sont tabulées en fonction de la position radiale en utilisant des compteurs concentriques (Figure 5a) à l'intérieur de la micro-puits. les tendances de la vitesse avec la position sont présentés dans la figure 5c. Comme prévu, les vitesses les plus élevées sont observées à proximité de la micro-puits bord, qui correspond à la région de la plus haute densité de champ électrique (figure 5b). Les particules se déplacent verticalement dans et hors du plan focal d'un enregistrement pendant 1 min. Cependant, cette grandeur de vitesse verticale est estimée à et est donc négligeable par rapport à la 5 ~ 100 pm / sec concentrique vitesse mesurée. Dans le plan des vitesses varient de 5 um / sec à 36 um / sec, ce qui correspond à des mobilités DEP ≈ 1,07 x 10 -16 m 4 / (V ⋅ s) au-dessus de la région de densité de champ électriques de 5 x 10 4 V / m à 3 x 10 5 V / m. Vitesses sont cohérentes avec celles rapportées dans les systèmes 3D 31, 32, systèmes d'électrodes 2D 33, et les systèmes de DEP isolantes DC 34.

Figure 1
Figure 1. Procédé de fabrication pour le dispositif stratifié. ligne a) empiler alternativement 6 couches de papier de graphène et 5 couches de ruban adhésif double face pour empêcher la connexion entre les couches de graphène adjacentes. b) les couches de presse ensemble et couper l'excès de ruban adhésif double face le long de la rouge en pointillés. c) Percez un micro-bien centre par micro-fraisage comme indiqué dans les figures 2a et b. d) Respecter deux cuivre conduit à la face A et la face B avec de l'époxy argent. e) dispositif fabriqué final.


Figure 2. Une) machine à micro-forage commandé par ordinateur. B) Structure stratifiée est immobilisé sur la scène avec des pinces. L'air comprimé est utilisé pour souffler les débris de la fraise en bout. C) des expériences de micro-dispositif sont réalisées avec un microscope, caméra CCD, générateur de fonction et l'ordinateur pour l'acquisition de données. D) Gros plan de micro-dispositif serré sur une lame de verre sur la platine du microscope . AC signal électrique provenant du générateur de fonction est appliquée au dispositif par l'intermédiaire des fils de cuivre.

Figure 3
Figure 3. Réponses de diélectrophorèse typiques dans la 3D stratifiées microdispositif. A 15 V crête à crête a été appliqué avec une conductivité moyenne de 1,3 x 10-4 S / m. La première colonne illustre particules à l'expérience commencent avec le champ électrique hors tension, et la deuxième colonne montre la réponse après 5 min ab) des particules de sédiments au fond de la micro-bien;. Cd) à 1 kHz, les particules se sont rassemblés près du bord de micro-puits , indiquant pDEP. ef) A 10 MHz, particules concentrées au centre de micro-bien, indiquant nDEP.

Figure 4
Figure 4. A) le comportement expérimental de 6,08 um DEP billes de polystyrène en fonction de la conductivité (0,0001 à 1,3 S / m) et de fréquence (100 Hz-10 MHz) dans du PBS ajusté solution de mannitol. Les petites recirculations ont été observées en même temps que le comportement DEP près des bords de micro-puits pour les basses fréquences (<1 kHz) et de toutes les conductivités moyennes testés, ainsi que à des fréquences élevées et une conductivité moyenne plus élevée. Les symboles ouverts représenter DEP négative et DEP positive avec recirculation, tandis que le symbole solide représente nDEP sans recirculation. Ci-dessous ~ 100 Hz, des bulles d'électrolyse ont été observées et sont représentés par Δ. B) a prédit des fréquences de coupure de 0,0001 S / m à 1,3 S / m. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

Figure 5
Figure 5. A) Les images de billes de polystyrène qui connaissent nDEP dans une crête à crête de 15 V, champ 1MHz. Cercles concentriques de suivre le mouvement des particules lorsqu'elles traversent le puits. B) simulation COMSOL de gradient de champ électrique (V / m2) d'une section de micro-puits. C) vitesses diélectrophorétiques de grappes de perles en fonction de la position radiale dans le micro-bien. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

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Discussion

Ce manuscrit détails des protocoles de fabrication d'une couche de graphène roman 6 et 5 couches de ruban microdispositif. En outre, le fonctionnement du dispositif est illustré par des comportements observés DEP de 6,08 um billes de polystyrène avec une approche d'analyse de la vitesse des particules unique, géométriquement pertinente. Cette approche polyvalente pour construire des dispositifs électrocinétiques non linéaires est moins coûteuse que l'électrode et techniques couche de micro fluidiques, tout en donnant des résultats tout aussi fiables.

En outre, ce roman 3D graphène papier microdispositif a donné des résultats diélectrophorétiques expérimentales qui acceptent à la fois le comportement prédite par la théorie et les résultats expérimentaux précédemment rapporté 35. Pour des fréquences de signal de 100 Hz à 10 MHz et des conductivités de médias à partir de 1 x 10 -4 S / m à 1,3 S / m, des expériences ont vérifié l'existence d'une fréquence de recouvrement, au-dessous duquel pDEP a été observée et au-dessus duquel nDEP a été observée. Comme prévu,nDEP a été observée sur la plupart de la conductivité espace-fréquence comme représenté sur la figure 4a. La théorie prédit que 6,08 um billes de polystyrène homogènes (ε ρ = 2,55, σ ρ = 1,3 x 10 -3 S / m 36) ont une fréquence de coupure quand σ m <σ ρ = 1,3 x 10 -3 S / m. Dans l'espace des paramètres restants de 1 x 10 -4 S / m à environ 1,3 x 10 -3 S / m, des fréquences de coupure (f co de l'ordre de ≈ 1 kHz ont été observés. Par exemple, f est une co ​​kHz dans un 3,9 x 10 -4 S / m à moyen, alors qu'un précédent rapporté résultat expérimental à 1,0 x 10 -3 S / m a été f co = 5 kHz 35, et repose-modèle prédit la valeur était de 168 kHz 37-39. Ces trois résultats sont considéré en accord rude étant donné la sensibilité de fréquence de coupure pour changer en collaboration moyennductivity dans la région spécifique 40, ainsi que d'autres frais de composition des facteurs induits et variantes d'équipement. Comme le montre la figure 4b, car les variations de conductivité de médias légèrement à partir de 1 x 10 4 S / m à 1,3 x 10 -3 S / m, des fréquences de coupure correspondant diminuent deux ordres de grandeur ou plus. Utilisation de 168 kHz à la fréquence de coupure dans le modèle, avec des paramètres fixes comme précisé ci-dessus, on peut résoudre à la conductivité des particules et de trouver qu'il soit 1,00 x 10 -3 S / m par rapport à la valeur réelle de 1,3 x 10 -3 S / m (différence de 23%).

Observations de deux types de recirculation des flux dans l'espace conductivité fréquence ont été observés et attribués à AC électroosmose et électrothermiques flux dans les régions basses et hautes fréquences, respectivement. Pour les basses fréquences (<10 kHz) à tous les conductivités moyennes testés, les vitesses de recirculation des particules locaux a augmenté en fréquencediminué avec de légères modifications dues à la conductivité moyenne. Les deux conditions conductivité fréquence et la taille des rouleaux de recirculation (20-50 um) d'accord avec ca électroosmotiques études de flux précédents 41-43. Pour relatifs hautes fréquences (> 100 kHz) à haute conductivité rapport moyen (> 0,01 S / m), nDEP commence à être maîtrisé par recirculation. Vitesses de recirculation des particules a augmenté comme la conductivité moyenne a augmenté et la fréquence a augmenté. Encore une fois, les deux conditions conductivité fréquence et la taille des recirculations d'accord avec les résultats antérieurs 44-47.

En 3D DEP, les particules subissent également des forces de poussée des particules diélectrophorétiques entre des couches de papier de graphène adjacentes à de multiples positions verticales dans le micro-puits. L'observation au microscope optique de cette partie est compromise parce que la lumière est dispersée par les particules DEP ciblés ci-dessus et en dessous du plan de l'intérêt. En raison de la sédimentation par gravité au fil du temps, la mortalitéparticules de e ont été observés à proximité des plans de focalisation de fond DEP que dans les plans supérieur de focalisation plus DEP (données non présentées) 48.

fabrication de l'appareil est extrêmement polyvalent; les protocoles fournis peuvent être facilement adaptés pour les appareils avec plusieurs couches ou d'autres matériaux. En tant que matériau de couche d'isolation variante, le polydiméthylsiloxane (PDMS), les films minces peuvent être spincoated à une épaisseur à peu près uniforme et contrôlable. PDMS a bien caractérisé les propriétés chimiques et électriques de surface, mais la manipulation de tels films minces fragiles était gênant. Ruban adhésif double face a une épaisseur plus uniforme, était plus facile à manipuler avec une meilleure étanchéité couche-à-couche et ainsi donné le taux de réussite plus élevé de dispositifs fonctionnels de manière optimale. Le document de graphène Sciences XG (Feuille B-072) a bien fonctionné comme un matériau d'électrode et la fabrication sur mesure offert qualités électriques et mécaniques polyvalents. Des concentrations plus élevées de résistivité nanoplatelet réduits de papier 24 et polymEric appuie adsorption d'eau empêché tandis que les supports cellulosiques permettre la diffusion de l'eau (données non présentées).

Les complications liées à la fonctionnalité de l'appareil peuvent inclure résistivité accrue à la surface du puits, les connexions électriques cassés, des bulles d'électrolyse, l'introduction de bulles pendant le chargement des échantillons, et de la géométrie et de travers. Le test d'isolement dans l'étape 1.5 procédure doit être utilisé avant chaque expérience pour évaluer l'intégrité de l'appareil. Le XG surface du papier graphène utilisés exposé à la cupule estompé après ~ 30 expériences. Résultats incohérents DEP ont été facilement reconnu par flux global erratique à travers le micro-bien ou pas de réponse à un potentiel appliqué. Face A et la face B (figure 1c) couches de graphène de l'appareil peuvent se briser s'ils ne sont pas manipulés avec douceur. Dans ces cas, des dispositifs de rechange sont nécessaires. A des fréquences égales ou inférieures à 100 Hz, les électrodes de graphène 3D catalysées électrolyse de l'eau pour produire de O 2 et H 2 bulles. Thest le seuil de fréquence est de 2 ordres de grandeur plus faibles que les résultats antérieurs de ce groupe avec des électrodes 2D microfabriqués traditionnels 49, qui élargit l'espace de travail dans lequel des particules ou des cellules biologiques peuvent être interrogés. Les bulles d'air de la seringue de prélèvement doivent être évités en raison de la forme du champ électrique et les interférences optiques. Enfin, micro-forage de puits parfaitement verticale est essentiel pour l'éclairage optique cohérente et l'observation des comportements DEP. Micro-même inclinaison devient plus difficile à gérer que le nombre de couches stratifiées augmente. La plupart des confocale et lumière microscopes ont des distances inférieures à 1 mm de travail, si les comportements DEP ne peuvent être facilement observés à l'épaisseur au-dessus de cela. Cependant, l'augmentation de la troisième dimension serait avantageux pour le traitement de DEP à grande échelle.

Une structure stratifiée simple papier / ruban de graphène a été démontré comme un micro-dispositif 3D DEP en discontinu. Dans les applications futures, particule ou CEll suspension pourrait en permanence circuler à travers le dispositif pour atteindre plus-débit DEP tri 50. Applications biomédicales spécifiques qui nécessitent de grands volumes tri pour séparer et identifier des cellules rares comprennent la détection de cellules tumorales circulantes 51 et 52 septicémie. En outre, le papier graphène absorbant l'eau peut fonctionner simultanément comme une électrode et moyen de diffusion pour les concentrateurs particule / cellule. Enfin, papier graphène a été démontré comme un biocapteur viable 24. Le dispositif décrit ici peut être utilisé pour la concentration et la détection simultanée DEP biologique à la surface de graphène. Ainsi, différents types de papier graphène peuvent être des électrodes utiles dans des systèmes microfluidiques à haut débit utilisant électrocinétique et / ou des biocapteurs.

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Disclosures

Les auteurs n'ont aucun conflit de divulguer.

Acknowledgments

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

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

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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).

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Physique Numéro 88 papier graphène diélectrophorèse électrodes de graphène 3D laminé microdispositifs des billes de polystyrène le diagnostic de cellules
Développement d&#39;un périphérique 3D graphène électrode diélectrophorétiques
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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).

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