Waiting
Login processing...

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

Engineering

Ontwikkeling van een 3D Grafeen elektrode dielectrophoretic 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

Een micro-inrichting met hoge doorvoer potentieel gebruikt om driedimensionale (3D) diëlektroforese (DEP) tonen met nieuwe materialen. Grafeen nanoplatelet papier en dubbelzijdig tape werden afwisselend gestapeld; een 700 urn micro-put werd geboord dwars op de lagen. DEP gedrag polystyreen korrels werd aangetoond in de micro-put.

Abstract

Het ontwerp en de fabricage van een nieuwe 3D-elektrode microdevice behulp van 50 micrometer dik grafeen papier en 100 pm dubbelzijdige tape wordt beschreven. Het protocol beschrijft de procedures om een ​​veelzijdige, herbruikbare, meerdere lagen, gelaagd dielectrophoresis kamer te bouwen. In het bijzonder werden zes lagen van 50 micrometer x 0,7 cm x 2 cm grafeen papier en vijf lagen van dubbelzijdige tape afwisselend op elkaar gestapeld, daarna vastgeklemd zit op een glasplaatje. Vervolgens werd een 700 urn diameter micro-put geboord door de gelamineerde structuur met een computergestuurde micro boormachine. Isolerende eigenschappen van de band laag tussen aangrenzende lagen grafeen werden verzekerd door de weerstand testen. Zilver geleidende epoxy verbonden afwisselende lagen van grafeen papier en vormden stabiele verbindingen tussen het grafeen papier en externe koperdraad elektroden. De afgewerkte apparaat werd vervolgens geklemd en verzegeld aan een glasplaatje. De elektrische veldgradiënt is gemodelleerd in thij meerlaagse apparaat. Diëlektroforetische gedrag van 6 urn polystyreen parels werden aangetoond in de 1 mm diep micro-put in de droogtrommel geleidbaarheden variërend van 0,0001 S / m tot 1,3 S / m en toegevoerde signaal frequenties van 100 Hz tot 10 MHz. Negatieve diëlektroforetische responsen waargenomen in drie dimensies over het grootste deel van de geleiding-frequentieruimte en een gemengde frequentiewaarden zijn consistent met eerder gemelde literatuurwaarden. Het apparaat kon niet verhinderen dat AC elektro en elektrothermische stromen, die zich in de lage en hoge frequentie gebieden, respectievelijk. Het grafeen papier gebruikt in dit apparaat is veelzijdig en kan vervolgens functioneren als een biosensor na dielectrophoretic karakteriseringen zijn voltooid.

Introduction

Grafeen is een nieuw materiaal dat bekend staat om zijn hoge kwaliteit elektronische eigenschappen en mogelijke chemische en biosensor applicaties 1. Grafeen nanoplatelets zijn gebruikt voor katalysatorsteun 2, 3, 4 biosensoren, super-condensatoren 5, en composiet-elektroden, met inbegrip grafeen / polyaniline en silicium nanodeeltjes / grafeen composieten 6-8. Dit manuscript beschrijft het gebruik van grafeen papier als elektroden in een unieke driedimensionale (3D), gelaagde microfluïdische apparaat. Grafeen papier elektroden werden gelamineerd met isolerende dubbelzijdige tape en een kamer geboord waarin 3D AC dielectrophoresis van polystyreen korrels werd uitgevoerd.

Diëlektroforese (DEP) verwijst naar de beweging van polariseerbare deeltjes onder niet-uniforme elektrische velden. Positieve DEP (pDEP) of negatief DEP (nDEP) ontstaat wanneer deeltjes min of meer polariseerbaar dan het omringende medium, automalting in beweging in de richting van de sterkste of zwakste elektrisch veld, respectievelijk. Deze lineaire elektrokinetische instrument is gebruikt voor de scheiding, het sorteren, het opsluiten, en identificatie van deeltjes en biologische cellen 9-15. De diëlektroforetische kracht ervaren door een gepolariseerde deeltje is een functie van de elektrische veldgradiënt, deeltjes straal en vorm, deeltjes diëlektrische eigenschappen zoals geleidbaarheid en permittiviteit, en de media geleidbaarheid en permittiviteit. In traditionele tweedimensionale (2D) DEP, deeltje beweging in het primaire vlak van de elektrische veldgradiënt typisch gevormd tussen mikro oppervlakte-elektroden; beweging in verticale richting verwaarloosbaar is vergeleken met in-vlak richtingen meeste apparaten. Echter, maken van deze derde dimensie van elektrisch veld gradiënten 3D DEP tegen hogere monsterdoorvoer en verhoogt de veelzijdigheid om nieuwe en verbeterde diëlektroforetische scheidingen waarbij de stroming Trave ontwerpenrse de veldgradiënten 16, 17. Andere specifieke ontwerpen omvatten 3D-isolator gebaseerde DEP 18, 3D koolstof-elektrode DEP 13, 19, en 3D galvaniseren DEP 10. Zoals blijkt uit het onderzoek naar 3D-structuren kunnen dergelijke inrichtingen continue stroom modus functioneren op hogere doorzet te bereiken. Observatie van de 3D deeltjesbeweging in onze gelaagde 3D inrichting wordt bereikt als functie van de frequentie en middelgrote geleiding via lichtmicroscopie op verschillende hoogtes brandpunt.

Fatoyinbo et al.. Eerst gemeld DEP in een 3D gelamineerd elektrode / isolatiestructuur gebruik afwisselend gestapeld 30 micrometer aluminiumfolie en 150 micrometer epoxyhars films 20. Hubner et al.. Vervolgens ontworpen vergelijkbaar 3D gelamineerde elektroden met 35 micrometer kopertape en 118 micrometer polyimide lijm 21. Dit werk leent de 3D-putontwerp 22, 23En unieke gebruik het gemak van 50 urn grafeen papier de geleidende lagen en 100 urn dubbelzijdige tape als isolerende lagen, die bereikt afdichting en voldoende elektrische afscherming. Grafeen papier veelzijdigheid is een duidelijk voordeel voor 3D elektrode Microdevices omdat de grafeen nanoplatelets de mogelijkheid om gelijktijdig fungeren als biosensoren, die deze groep eerder aangetoond 24.

De veldgradiënten verwezenlijkt in het grafeen papier / polymeer gelamineerd 3D Microdevices afhankelijk van het micro-put dimensies, de grafeen papierlagen, en het aangelegde elektrische veld. Kritische afmetingen zijn de verticale elektrode-afstand (geleidende en isolerende laag diktes) en micro-put diameter en hoogte (bepaald door lagen gestapeld). Het elektrische signaal kan worden afgestemd via amplitude en frequentie. De huidige inrichting structuur voor batch operatie, maar kan worden aangepast aan een continue stroom apparaat. Het apparaat fabrication techniek die hier beschreven is voor de ontwikkeling van 3D gelamineerd elektroden met een grote verscheidenheid van grafeen nanoplatelet eigenschappen door eenvoudig uitwisselen van de grafeen papier gebruikt. Voordelen van het gebruik van grafeen papier zijn veelzijdigheid van de fysische en chemische eigenschappen, minder kosten, en het grafeen nanoplatelets kan gelijktijdig fungeren als biosensoren om een breed scala van bioanalytes 24 detecteren. Langetermijndoelen van high throughput 3D DEP-systemen zijn om snel te identificeren celtypes 25-27, of bereiken label-free, elektrisch gemedieerde cel sortering van zieke cellen van populaties van gezonde cellen 28. Deze paper toont materiaaloptimalisatie en voorbereiding en werking van het apparaat, gevolgd door illustratie en analyse van typische resultaten.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Fabriceren een gelamineerde elektrode / isolatie 3D Structuur

  1. Voor een 6 grafeen laag, 5 tapelaag apparaat, snijden grafeen papier met een scalpel of een soortgelijke scheermesje en rechte randen heerser in zes 0,7 cm x 1,5 cm rechthoeken en gebruik een schaar om dubbelzijdige drukgevoelige tape gesneden in vijf 1,3 cm x ~ 5 cm strepen.
    OPMERKING: Zoals getoond in figuur 1a, levert dit een aardelektrode 3, 3 AC signaal elektrodetoestel. De geleidende laag 7 mm breedte is smal genoeg om breed genoeg passen op een glasplaatje, maar eenvoudig boren. De 2 mm lengte niet makkelijk breken bij herhaald gebruik en heeft voldoende ruimte om koperdraden hechten. De diepte apparaat wordt beperkt door frees diepte.
  2. Leg de eerste laag grafeen papier op een schoon glasplaatje. Betrekking langzaam ene uiteinde van de grafeen papier met een streep tape, waardoor een ~ 2 mm marge isolatie tussen de twee aangrenzende lagen grafeen papier (Figuur 1b verzekeren
  3. Plaats de tweede laag grafeen papier op de bovenkant van de band offset naar de eerste laag grafeen papier (figuur 1a). Solliciteer matige druk (druk gelijkmatig met duim, ~ 100 N dan 0,7 cm 2-gebied) na toevoeging van elke geleidende laag om een goede afdichting tussen de lagen te waarborgen.
  4. Herhaal de stappen 1.2 en 1.3 voor de resterende lagen, waarbij de bovenste en onderste lagen grafeen papier. Knip langs de stippellijn in figuur 1b getoond om de overtollige tape van het apparaat randen waardoor een kleine ~ 1 mm marge verzegeld isolatie tussen grafeen papier lagen verzekeren verwijderen (Figuur 1b).
    OPMERKING: Dubbelzijdig plakband wordt niet gebruikt als de onderste en bovenste laag om te voorkomen dat het verzamelen van afval, omdat dit gelamineerde structuur wordt geboord, gemonteerd op een slede, en gevuld met het monster.
  5. Voer een snelle isolatie test met een multimeter (weerstand-modus). Plaats de positieve en negatieve probes aan twee zijden van ee inrichting (A en B in figuur 1c); hoge weerstand (kilo-mega-Ohm) geeft een goede isolatie tussen de lagen. Verwijder de gelaagde structuur van het glaasje te bereiden micro-boren.
    OPMERKING: Een apparaat faalt meestal de isolatie proef gesteld wanneer aangrenzende grafeen papier lagen maken contact tijdens stappen 1.2 tot 1.4. Gooi dergelijke apparaten.

2. Boor Micro-goed in de gelamineerde structuur

  1. Gebruik een computergestuurde mechanische micro-freesmachine en kies een frees met een 700 urn in diameter en 2,1 mm lengte gesneden. Immobiliseer de gelamineerde structuur op het podium micro-malen met geschikte klemmen (figuren 2a en b). Voer de freesmachine spil bij 8600 rpm, laat de frees langzaam in en door het midden van de gelamineerde structuur. Verplaats de roterende frees en neer door de micro-goed op de binnenwand glad.
    1. Kies micro-putdiameters, die worden beperkt door beschikbare frees diameter / lengte van de snede beeldverhoudingen. Zorg ervoor dat het binnenoppervlak van micro-put verticale en schoon mogelijk optimaal elektrisch veld gradiënten en lichte passage door de micro-put.
  2. Schoon puin van micro-put met perslucht. Maak een andere isolatie test zoals beschreven in 1.5.

3. Bevestig de elektrische leidingen naar de gelamineerde structuur

  1. Vouw twee 3 cm lang 32 G koperdraden om een ​​rechte hoek op 2 cm. Meng ~ 1,5 ml van deel A en B van zilver geleidende epoxy.
    OPMERKING: Vergelijking 1
  2. Handmatig toepassing gemengde zilver epoxy naar de top en de uiteinden van 3 grafeen papierlagen goed contact tussen lagen aan een zijde van de gelamineerde structuur (figuur 1c) verzekeren, plaats de 1 cm koperdraad gebied in het epoxy en tussen twee lagen. Softly squeeze de lagen om overtollige epoxy te verwijderen en zorgen voor een goed elektrisch contact. Herhaal dit voor kant B van de gelamineerde structuur.
  3. Plaats het hele apparaat in de oven rek, om 's nachts 70 ° C bij en 1 atm drogen.

4. Bereid Steekproef en Media

  1. Bereid isotone media van een spectrum van geleidbaarheden met de geleidbaarheidsmeter, 290 mM mannitol voorraadoplossing en seriële toevoeging van isotone fosfaatbuffer zoutoplossing (PBS).
    OPMERKING: Een lineaire correlatie bestaat tussen de geleidbaarheid en het volume concentratie van ~ 290 mOsm / L PBS (uitvoeren) in ~ 290 mOsm / L mannitol-oplossing (niet-geleidend). De video is voorzien van een medium van 0.01 S / m geleidbaarheid.
  2. Meng polystyreen korrels met voorbereide geleidbaarheid media of e-zuiver water (~ 5 x 10 -6 S / m) om een 01:50 vol: vol verhouding. Dit protocol is gemakkelijk aan biologische cellen ook.

5. Setup Experiment en Operate Device

  1. Klem het apparaat onto een glasplaatje met matige druk (figuur 2d) met behulp van aangepaste papier klemmen of gelijkwaardig. De fundering dient zo dicht bij de micro-goed op de gelamineerde structuur dichten aan het glaasje voorkomen monster lekkage. De klem moet passen binnen de microscoop podium met druk geoptimaliseerd om a) vervorming van de gelamineerde structuur te voorkomen, en b) zorgen voor de micro-put vloeistof lekt niet. Vervorming verandert de put geometrie en lichtpad verminderen experiment reproduceerbaarheid.
  2. Met behulp van een micro-injectiespuit of gelijkwaardig, injecteer langzaam ~ 1 ui van het monster in de micro-put en voorkomen dat er eventuele luchtbellen. Herhaal injectie indien noodzakelijk en wees voorzichtig om niet de micro-put muren beschadigen met de scherpe naald. Iets te veel in de micro-put en meteen schuif deksel glas over de micro-put om overtollig vocht te verwijderen, verdamping te voorkomen, en tot reproduceerbare volumes voor elk experiment.
    OPMERKING: Een diamant tip glasscutter goed werkt om score en crack dekking van glas op maat.
  3. Bevestig de ingevulde gelamineerde microdevice aan de microscoop podium en bevestig de functie generator elektrode draden aan de twee koperen leidt op het apparaat. In AxioVision (Zeiss software), klik op de knop om de camera-opname in multidimensionale overname te starten. Initiëren functie generator signaal op een bepaalde termijn na de start van de CCD-camera opname reacties met en zonder het elektrische veld toegepast documenteren.
    LET OP: Hier 100 Hz tot 10 MHz frequentie met een 15 V piek-piek-signaal werden toegepast en experimenten werden waargenomen bij 10x vergroting bij 1-200 boven het glaasje oppervlak 2 sec zonder veld en ca. 5 min. met veld toegepast. Beelden werden digitaal opgeslagen op 1 tot 5 beelden per seconde (fps) voor verdere analyse.
  4. Bij het experiment voltooid, verwijdert u het apparaat en het ontmantelen van de klemmen. Dompel zowel het glaasje en het apparaat in een sopje, en spoel goed. Hergebruik apparaten ongeveer 30 keers met consistente prestaties.

6. Data-analyse en Beeldverwerking

  1. Analyseer beeldgegevens met voorkeur software, zoals ImageJ. Bereken snelheid van het deeltje verplaatsing tussen opeenvolgende beelden op een gegeven tijdstap.
  2. Bereken experimentele DEP kracht en veldsterkte op basis van snelheid om trends te stellen en te vergelijken met de theorie 29.
  3. Meet deeltjes-snelheid radiaal in de micro-put geometrie overeenstemming met de vorm van de elektrische veldgradiënt. Uit de micro-put rand naar het centrum identificeren 8 concentrisch isoelektrische contouren (350, 300, ... 50, 0 um), wat resulteert in 7 gebieden.
    OPMERKING: De tijd voor deeltjes te doorkruisen de 50 um afstand werd gebruikt om de snelheid te berekenen. Wanneer geometrische variaties hij moest, werden de iso-elektrische contouren enigszins aangepast.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Diëlektroforetische experimenten 6 urn polystyreen parels werden uitgevoerd in een 0,38 mm 3 cilindrische micro-put. Resultaten tonen dat een 3D gelamineerd grafeen papieren apparaat kan dit diëlektroforetische handtekeningen illustreren als 3D metaalfolie gelamineerde inrichtingen 20, 21, traditionele 2D metaal-elektrode 26, 27 en 2D isolator apparaten 25. In de volgende experimenten werd een 15 V piek-piek AC wordt toegevoerd en de frequentie werd gevarieerd van 100 Hz tot 10 MHz 30. Kwalitatieve DEP resultaten worden getoond in Figuur 3 op tijdstip 0 voor toepassingsgebied (eerste kolom) en na 5 min (tweede kolom) in het elektrisch veld. Als er geen elektrisch veld aanwezig is, d deeltjes langzaam sediment het apparaat onder via zwaartekracht (figuren 3a en b). Figuur 3c en tonen typische pDEP resultaten bij 1 kHz, zoalsaangegeven door deeltjes verzamelen naar de micro-put randen. Figuur 3e en f illustreren nDEP op 10 MHz, zoals aangegeven door concentratie van deeltjes in het centrum.

Figuur 4a toont de experimentele DEP antwoorden voor geleidbaarheid tussen 0,0001 S / m en 1,3 S / m over een frequentiebereik van 100 Hz tot 10 MHz. Negatieve DEP (nDEP) of positief DEP (pDEP) werd kenmerkend bepaald door de waarneming van korrels beweegt naar het midden en de randen van de micro-put. Dit wordt echter gecompliceerd door recirculatie-stromen (20-50 urn diameter) nabij de randen van de micro-goed dat gelijktijdig plaats met DEP gedrag op twee gebieden in de geleidbaarheidstype frequentieruimte zoals door open symbolen in figuur 4a. Een type recirculerende stroom werd onder ~ 10 kHz op alle geteste geleidbaarheid waargenomen terwijl het andere type werd waargenomen bij hoge geleidbaarheid en hoge frequentie. De recirculatie stromen veranderen nDEP of pDEP kraal motionen in verschillende mate. Deze gelijktijdige krachten worden geïllustreerd in de parameterruimte in figuur 4a.

Diëlektroforetische snelheden worden getabelleerd als functie van de radiale positie met concentrische tellers (figuur 5a) in de micro-put. Velocity trends standpunt in figuur 5c. Zoals verwacht, zijn de hoogste snelheden waargenomen bij micro-well rand, die overeenkomt met het gebied met de grootste elektrische veld dichtheid (figuur 5b). Deeltjes verticaal bewegen in en uit het beeldvlak gedurende een 1 min opname. Dit is echter stijgsnelheid omvang geschat en daarom verwaarloosbaar vergeleken met de 5 ~ 100 um / sec concentrische snelheid gemeten. In vlak snelheden variëren van 5 um / sec tot 36 um / sec, die overeenkomen met DEP mobiliteiten van ≈ 1,07 x 10 -16 m 4 / (V ⋅ sec) via elektrische veld dichtheids van 5 x 10 4 V / m tot 3 x 10 5 V / m. Snelheden komen overeen met die gerapporteerd in 3D-systemen 31, 32, 2D elektrodesystemen 33 en DC isolator DEP-systemen 34.

Figuur 1
Figuur 1. Productie werkwijze voor het gelamineerde apparaat. a) Afwisselend stapelen 6 lagen grafeen papier en 5 lagen van dubbelzijdige tape om de verbinding tussen aangrenzende lagen grafeen te voorkomen. b) Druk lagen op elkaar en snijd overtollige dubbelzijdige tape langs de rode stippellijn. c) Boor een micro-put in het centrum via micro-frezen, zoals getoond in de figuren 2a en b. d) Houd u twee koperen leidt tot A en kant B kant met zilver epoxy. e) Definitieve gefabriceerd apparaat.


Figuur 2. A) Computergestuurde micro-boormachine. B) gelamineerde structuur wordt geïmmobiliseerd op het podium met klemmen. Perslucht wordt gebruikt om vuil af te blazen frees. C) microdevice experimenten worden uitgevoerd met een microscoop, CCD-camera, functie generator en computer voor data-acquisitie. D) Close-up bekijken van microdevice geklemd op een glasplaatje op de microscoop podium . AC elektrisch signaal van de functiegenerator wordt toegepast op het apparaat via de koperen draden.

Figuur 3
Figuur 3. Typische dielectrophoresis reacties binnen de 3D ​​gelamineerd microdevice. A 15 V piek-piek werd aangebracht met een medium geleidbaarheid van 1,3 x 10-4 S / m. De eerste kolom geeft deeltjes bij experiment te starten met het elektrisch veld, en de tweede kolom toont de respons na 5 min ab) Deeltjes sediment naar de micro-en onderkant;. Cd) bij 1 kHz, deeltjes verzameld in de buurt van de micro-put rand , wat aangeeft pDEP. ef) Op 10 MHz, deeltjes gericht op de micro-put centrum, met vermelding nDEP.

Figuur 4
Figuur 4. A) Experimentele DEP gedrag van 6,08 urn polystyreen korrels als functie van de geleidbaarheid (,0001-1,3 S / m) en frequentie (100 Hz-10 MHz) in PBS aangepast mannitol oplossing. Kleine doorstromingen waargenomen gelijktijdig met DEP gedrag bij micro-well randen lage frequenties (<1 kHz) en alle geteste medium geleidbaarheden, evenals bij hoge frequenties en hogere medium geleidbaarheid. Open symbolen vertegenwoordigen negatieve DEP en positieve DEP met recirculatie, terwijl de vaste symbool vertegenwoordigt nDEP zonder recirculatie. Hieronder ~ 100 Hz, werden elektrolyse bubbels geobserveerd en worden vertegenwoordigd door Δ. B) Voorspelde crossover-frequenties van 0,0001 S / m tot 1,3 S / m. Klik hier om een grotere versie van deze afbeelding te bekijken.

Figuur 5
Figuur 5. A) afbeeldingen van polystyreen korrels ervaren nDEP in een 15 V piek-piek, 1MHz veld. Concentrische cirkels volgen de beweging van deeltjes zijn bij het ​​doorkruisen de microwell. B) COMSOL simulatie van elektrische veldgradiënt (V / m2) van een dwarsdoorsnede van micro-put. C) dielectrophoretic snelheden van clusters van kralen als een functie van de radiale positie binnen de micro-put. Klik hier om een grotere versie van deze afbeelding te bekijken.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Dit manuscript Gegevens protocollen voor het vervaardigen van een nieuwe 6 grafeen laag en 5 tapelaag microdevice. Verder is het apparaat werking geïllustreerd via waargenomen DEP gedrag van 6,08 micrometer polystyreenparels samen met een unieke, geometrisch relevante deeltjessnelheid analyse aanpak. Deze veelzijdige benadering van niet-lineaire elektrokinetisch apparaten te bouwen is minder kostbaar dan elektrode en vloeibare laag microproductietechnieken, terwijl waardoor even betrouwbare resultaten.

Verder is deze nieuwe 3D grafeen papier microdevice leverde experimentele dielectrophoretic resultaten die het eens zijn met zowel de theoretisch voorspelde gedrag en eerder gerapporteerde experimentele resultaten 35. Voor signaal frequenties van 100 Hz tot 10 MHz en media geleidbaarheid van 1 x 10 -4 S / m tot 1,3 S / m, experimenten geverifieerd bestaan ​​van een wisselfrequentie, waaronder pDEP waargenomen en waarboven nDEP waargenomen. Zoals verwacht,nDEP werd waargenomen meeste geleidbaarheidstype frequentieruimte zoals getoond in figuur 4a. Theorie voorspelt dat 6,08 micrometer homogene polystyreen korrels (ε ρ = 2.55, σ ρ = 1,3 x 10 -3 S / m 36) hebben een crossover-frequentie als σ m <σ ρ = 1,3 x 10 -3 S / m. In de resterende parameterruimte van 1 x 10 -4 S / m tot ongeveer 1,3 x 10 -3 S / m, crossover frequenties (f co in de orde van ≈ 1 kHz waargenomen. Zo f co was 1 kHz in een 3,9 x 10 -4 S / m medium, terwijl een eerdere gerapporteerde experimentele resultaat op 1,0 x 10 -3 S / m was f co = 5 kHz 35, en model-gebaseerde voorspelde waarde was 168 kHz 37-39. Deze drie resultaten zijn beschouwd in ruwe overeenkomst gezien de gevoeligheid van de crossover-frequentie te veranderen in middelgrote conductivity in het specifieke gebied 40, en andere bereidingen wordt geïnduceerd factoren en uitvoeringsvarianten. Zoals getoond in figuur 4b, zoals media dingsdetector enigszins van 1 x 10 4 S / m tot 1,3 x 10 -3 S / m, overeenkomend wisselfrequenties verlagen 2 orden van grootte of meer. Met 168 kHz als de wisselfrequentie in het model, met vaste hierboven bepaalde grenzen kan men lossen voor het deeltje geleidbaarheid en vinden zijn 1,00 x 10 -3 S / m vergelijking met de werkelijke waarde van 1,3 x 10 -3 S / m (23% verschil).

Opmerkingen van twee soorten recirculerende stromen in de geleidbaarheidstype frequentieruimte waargenomen en toegeschreven aan AC elektro en elektrothermische stromen in de lage en hoge frequentiegebieden, respectievelijk. Voor lage frequenties (<10 kHz) bij alle geteste medium geleidbaarheid, lokaal deeltje recirculatie snelheden toegenomen frequentieverminderd met lichte veranderingen door middel geleidbaarheid. Zowel de geleidbaarheid-frequentie voorwaarden en de omvang van de recirculerende rollen (20-50 micrometer) het eens met eerdere AC elektro stroom studies 41-43. Voor relatief hoge frequenties (> 100 kHz) bij relatief hoge medium geleidbaarheid (> 0.01 S / m), nDEP begint te worden overweldigd door recirculatie. Recirculatie deeltjessnelheden verhoogd middellange verhoogde geleidbaarheid en frequentie verhoogd. Ook zowel de geleidbaarheid-frequentiewaarden en de omvang recirculaties overeen met eerdere bevindingen 44-47.

In 3D-DEP, deeltjes ook ervaring dielectrophoretic krachten duwen deeltjes tussen aangrenzende grafeen papieren lagen op meerdere verticale posities in de micro-put. De optische microscoop waarneming van deze gedeeltelijk aangetast omdat licht wordt verstrooid door gerichte DEP deeltjes boven en onder het vlak van belang. Door de zwaartekracht sedimentatie tijd, more deeltjes waargenomen dichtbij de bodem DEP gericht vlakken dan het bovenste meest DEP scherpstellen vlakken (gegevens niet getoond) 48.

Apparaat fabricage is zeer veelzijdig; de protocollen geleverd kan gemakkelijk worden aangepast voor apparaten met meer lagen of andere materialen. Als alternatief isolatielaag materiaal, kan polydimethylsiloxaan (PDMS) dunne films worden spincoating een beheersbaar en redelijk uniforme dikte. PDMS is goed gekarakteriseerd elektrische en oppervlakte chemie eigenschappen, maar de behandeling van dergelijke dunne fragiele films was lastig. Dubbelzijdige tape heeft meer uniforme dikte, was gemakkelijker te hanteren met een betere laag-naar-layer afdichting en dus leverde hoger slagingspercentage van optimaal functionele apparaten. De XG Sciences grafeen papier (Blad B-072) goed gefunctioneerd als elektrode materiaal en op maat productie bood veelzijdige elektrische en mechanische eigenschappen. Hogere concentraties nanoplatelet verminderd papier weerstand 24 en Polymeric ondersteunt verhinderd wateradsorptie terwijl cellulose dragers laat het water diffusie (gegevens niet getoond).

Complicaties met device-functionaliteit kunnen ook verhoogd weerstand bij de put oppervlak, gebroken elektrische aansluitingen, elektrolytisch bellen, bel introductie tijdens monster laden en scheef goed geometrie. De test isolatie in procedure stap 1.5 moeten worden gebruikt voorafgaand aan elk experiment om de integriteit apparaat beoordelen. De gebruikte XG grafeen papier oppervlak blootgesteld aan de microwell droeg uit na ~ 30 experimenten. Inconsistente DEP resultaten werden gemakkelijk te herkennen via grillige mondiale stroom door de micro-put of geen reactie op een opgelegde potentiaal. Kant A en Kant B (figuur 1c) grafeen lagen van het apparaat kan breken als niet voorzichtig behandeld. In deze gevallen worden vervangen apparaten nodig. Bij frequenties op of onder 100 Hz, de 3D ​​grafeen elektroden gekatalyseerde elektrolyse van water tot O 2 en H 2 belletjes produceren. This frequentie drempel 2 orden van grootte lager dan de vorige resultaten van deze groep traditionele microfabricated 2D elektroden 49, die de bedieningsruimte waarin deeltjes of biologische cellen kunnen worden ondervraagd vergroot. Luchtbelletjes uit de spuit steekproef moet worden vermeden vanwege het elektrisch veld vorm en optische storingen. Ten slotte perfect verticaal micro-boren is van cruciaal belang voor een consistente optische verlichting en observatie van DEP gedrag. Micro-en rechtzetten moeilijker te beheren als het aantal gelamineerde lagen toeneemt. De meeste confocale microscopen en lichte werkafstanden dan 1 mm, zodat DEP gedrag kan niet gemakkelijk worden waargenomen dikte daarboven. Het verhogen van de derde dimensie voordelig voor grootschalige DEP verwerking zou zijn.

Een simpele gelamineerd grafeen papier / tape structuur is aangetoond als een batchgewijs 3D DEP microdevice. In toekomstige toepassingen, deeltje of cell schorsing kon continu stroom door het apparaat naar hogere doorvoersnelheid DEP sortering 50 bereiken. Specifieke biomedische toepassingen die sortering van grote volumes te zonderen en te identificeren zeldzame cellen vereisen onder meer detectie van circulerende tumorcellen 51 en sepsis 52. Bovendien kan waterabsorberende grafeen papier tegelijkertijd functioneren als een elektrode en diffusie medium voor deeltjes / cel concentrators. Ten slotte is grafeen papier is aangetoond als een levensvatbare biosensor 24. De hier beschreven inrichting kan worden gebruikt voor gelijktijdige DEP concentratie en biologische detectie bij het grafeen oppervlak. Zo kunnen verschillende grafeen papiersoorten nuttig elektroden in high throughput microfluïdische systemen gebruik elektrokinetics en / of biosensoren.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

De auteurs hebben geen conflicten te onthullen.

Acknowledgments

Dankzij XG Sciences voor gulle giften van grafeen papier. Met dank aan dr. C. Friedrich voor royaal ons te laten gebruik maken van de micro-boorapparatuur. Een speciale dank wordt uitgebreid tot Tayloria Adams voor het vertellen van de video.

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

Fysica grafeen papier dielectrophoresis grafeen elektroden 3D gelamineerd microdevice polystyreen parels cel diagnostiek
Ontwikkeling van een 3D Grafeen elektrode dielectrophoretic 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