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Engineering

एक 3 डी ग्राफीन इलेक्ट्रोड Dielectrophoretic डिवाइस के विकास

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

उच्च throughput क्षमता के साथ एक microdevice उपन्यास सामग्री के साथ तीन आयामी (3 डी) dielectrophoresis (रवानगी) प्रदर्शित करने के लिए प्रयोग किया जाता है. ग्राफीन nanoplatelet कागज और दो तरफा टेप बारी - बारी से खड़ी कर रहे थे; एक 700 माइक्रोन सूक्ष्म अच्छी तरह परतों को अनुप्रस्थ drilled किया गया था. Polystyrene मनकों की रवानगी व्यवहार सूक्ष्म कुएं में प्रदर्शन किया गया.

Abstract

50 माइक्रोन मोटी graphene कागज और 100 माइक्रोन दो तरफा टेप का उपयोग कर एक उपन्यास 3D इलेक्ट्रोड microdevice के डिजाइन और निर्माण में वर्णित है. प्रोटोकॉल एक बहुमुखी, पुन: प्रयोज्य, कई परत, टुकड़े टुकड़े में dielectrophoresis कक्ष के निर्माण के लिए प्रक्रियाओं का विवरण. विशेष रूप से, एक्स 0.7 सेमी x 2 सेमी graphene कागज 50 माइक्रोन और दो तरफा टेप के पांच परतों के छह परतों बारी - बारी से एक साथ खड़ी कर रहे थे, तो एक गिलास स्लाइड पर clamped. फिर एक 700 माइक्रोन व्यास सूक्ष्म अच्छी तरह से एक कंप्यूटर नियंत्रित सूक्ष्म ड्रिलिंग मशीन का उपयोग कर टुकड़े टुकड़े संरचना के माध्यम से drilled किया गया था. आसन्न graphene परतों के बीच टेप की परत इन्सुलेट गुणों प्रतिरोध परीक्षण द्वारा आश्वासन दिया गया था. चांदी प्रवाहकीय epoxy graphene कागज के वैकल्पिक परतों जुड़े और graphene कागज और बाहरी तांबा तार इलेक्ट्रोड के बीच स्थिर कनेक्शन का गठन. समाप्त डिवाइस तो clamped और एक गिलास स्लाइड को सील किया गया. बिजली के क्षेत्र ढाल टी के भीतर मॉडलिंग की थीवह बहु परत डिवाइस. 6 माइक्रोन polystyrene मनकों की Dielectrophoretic व्यवहार 0.0001 से एस / एम 1.3 एस / एम से लेकर मध्यम conductivities साथ गहरी सूक्ष्म अच्छी तरह से 1 मिमी, में प्रदर्शन किया, और 10 मेगाहर्ट्ज के लिए 100 हर्ट्ज से संकेत आवृत्तियों लागू किया गया. नकारात्मक dielectrophoretic प्रतिक्रियाओं आवृत्ति मूल्यों जैसा कि पहले बताया साहित्य मूल्यों के साथ संगत कर रहे हैं चालकता आवृत्ति अंतरिक्ष और क्रॉस ओवर की सबसे अधिक तीन आयामों में मनाया गया. डिवाइस एसी electroosmosis और electrothermal निम्न और उच्च आवृत्ति क्षेत्रों में हुई बहती है,, क्रमशः रोकने नहीं किया. इस डिवाइस में उपयोग graphene कागज बहुमुखी है और dielectrophoretic अभिलक्षण पूरा कर रहे हैं के बाद बाद में एक biosensor के रूप में कार्य कर सके.

Introduction

ग्राफीन अपने उच्च गुणवत्ता इलेक्ट्रॉनिक गुणों और संभावित रासायनिक और biosensor आवेदनों 1 के लिए जाना जाता है एक उपन्यास सामग्री है. ग्राफीन nanoplatelets उत्प्रेरक समर्थन 2, 3, biosensors 4, सुपर capacitors 5, और graphene / polyaniline और सिलिकॉन nanoparticle / graphene कंपोजिट 6-8 सहित समग्र इलेक्ट्रोड के लिए इस्तेमाल किया गया है. इस पांडुलिपि एक अद्वितीय तीन आयामी (3 डी) में इलेक्ट्रोड, स्तरित microfluidic डिवाइस के रूप में graphene कागज के उपयोग का वर्णन करता है. ग्राफीन कागज इलेक्ट्रोड रोधन दो तरफा टेप और polystyrene मनकों की 3 डी एसी dielectrophoresis प्रदर्शन किया गया था, जो भीतर drilled एक कक्ष के साथ टुकड़े टुकड़े किए गए थे.

Dielectrophoresis (रवानगी) गैर वर्दी बिजली क्षेत्र के अंतर्गत polarizable कणों के आंदोलन को दर्शाता है. कणों अधिक या कम polarizable मध्यम आसपास, resu से कर रहे हैं जब सकारात्मक रवानगी (pDEP) या नकारात्मक रवानगी (nDEP) होता हैक्रमशः, मजबूत या सबसे कमजोर बिजली के क्षेत्र की ओर आंदोलन में lting. इस nonlinear electrokinetic उपकरण, छँटाई फँसाने, और कणों और जैविक कोशिकाओं 9-15 की पहचान, अलग होने के लिए इस्तेमाल किया गया है. एक polarized कण द्वारा अनुभवी dielectrophoretic बल बिजली के क्षेत्र ढाल, कण त्रिज्या और आकार, चालकता और permittivity सहित कण ढांकता हुआ गुण, साथ ही मीडिया चालकता और permittivity के एक समारोह है. परंपरागत दो आयामी (2 डी) रवानगी में, कण आंदोलन आम तौर पर microfabricated सतह इलेक्ट्रोड के बीच का गठन बिजली के क्षेत्र ढाल के प्राथमिक विमान में है; ऊर्ध्वाधर दिशा में आंदोलन सबसे उपकरणों में में विमान दिशाओं की तुलना में नगण्य है. हालांकि, 3 डी रवानगी के लिए बिजली के क्षेत्र ढ़ाल के इस तीसरे आयाम दोहन उच्च throughput नमूना के लिए अनुमति देता है और प्रवाह trave है जिसमें नए और बेहतर dielectrophoretic विभाजन डिजाइन करने के लिए बहुमुखी प्रतिभा बढ़ जाती हैक्षेत्र को RSE 16, 17 gradients. अन्य विशिष्ट डिजाइन 3 डी इन्सुलेटर आधारित रवानगी 18, 3 डी कार्बन इलेक्ट्रोड रवानगी 13, 19, और रवानगी 10 विद्युत 3 डी में शामिल हैं. 3 डी संरचनाओं में अनुसंधान से सबूत के रूप में, इस तरह के उपकरणों उच्च throughputs प्राप्त करने के लिए सतत प्रवाह मोड में संचालित किया जा सकता है. हमारे स्तरित 3 डी डिवाइस में 3 डी कण आंदोलन के अवलोकन से अलग फोकल ऊंचाइयों पर प्रकाश माइक्रोस्कोपी के माध्यम आवृत्ति और मध्यम चालकता के एक समारोह के रूप में हासिल की है.

Fatoyinbo एट अल. पहले वैकल्पिक रूप से खड़ी 30 माइक्रोन एल्यूमीनियम पन्नी और 150 माइक्रोन epoxy राल फिल्मों में 20 का उपयोग कर इलेक्ट्रोड / इन्सुलेशन संरचना टुकड़े टुकड़े में एक 3 डी में रवानगी की सूचना दी. Hübner एट अल. तो 35 माइक्रोन तांबे टेप और 118 माइक्रोन Polyimide चिपकने वाला 21 के साथ इसी तरह 3 डी टुकड़े टुकड़े में इलेक्ट्रोड बनाया गया. यह काम 3 डी अच्छी तरह से डिजाइन 22, 23 उधार लेता है, और विशिष्ट सील और पर्याप्त बिजली के परिरक्षण हासिल की जो इन्सुलेट परत के रूप में आयोजित करने परतों और 100 माइक्रोन डबल पक्षीय टेप के रूप में 50 माइक्रोन graphene कागज की सुविधा का इस्तेमाल करता. Graphene nanoplatelets समवर्ती इस समूह पहले 24 जो प्रदर्शन biosensors के रूप में कार्य करने की क्षमता है क्योंकि ग्राफीन कागज बहुमुखी प्रतिभा 3D इलेक्ट्रोड microdevices के लिए एक विशिष्ट लाभ है.

graphene कागज / बहुलक के भीतर प्राप्त क्षेत्र ढ़ाल 3D microdevices सूक्ष्म अच्छी तरह आयाम, graphene कागज परतों, और आवेदन बिजली क्षेत्र पर निर्भर टुकड़े टुकड़े में. महत्वपूर्ण आयाम खड़ी इलेक्ट्रोड रिक्ति (परत मोटाई का आयोजन और इन्सुलेट) और सूक्ष्म अच्छी तरह व्यास और ऊंचाई (खड़ी परतें द्वारा निर्धारित) शामिल हैं. बिजली संकेत आयाम और आवृत्ति के माध्यम से देखते जा सकता है. वर्तमान डिवाइस संरचना बैच ऑपरेशन के लिए है, लेकिन एक सतत प्रवाह डिवाइस के अनुरूप किया जा सकता है. डिवाइस फैबयहाँ वर्णित rication तकनीक 3 डी बस उपयोग graphene कागज का आदान प्रदान से graphene nanoplatelet संपत्तियों की एक विस्तृत विविधता के साथ इलेक्ट्रोड टुकड़े टुकड़े के विकास के लिए उपयुक्त है. Graphene कागज के उपयोग के लाभ भौतिक और रासायनिक गुणों की चंचलता, कम खर्च कर रहे हैं, और biosensors bioanalytes 24 की एक विस्तृत श्रृंखला का पता लगाने के रूप में graphene nanoplatelets समवर्ती कार्य कर सकते हैं. उच्च throughput 3D रवानगी सिस्टम की लंबी अवधि के लक्ष्यों को तेजी से सेल प्रकार 25-27 की पहचान, या स्वस्थ कोशिकाओं 28 की आबादी से रोगग्रस्त कोशिकाओं के लेबल से मुक्त, विद्युत मध्यस्थता सेल छँटाई प्राप्त करने के लिए कर रहे हैं. इस कागज सामग्री अनुकूलन और चित्रण और ठेठ परिणामों के विश्लेषण के बाद डिवाइस तैयार करने और आपरेशन को दर्शाता है.

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Protocol

1. एक टुकड़े टुकड़े में इलेक्ट्रोड / इन्सुलेशन 3 डी संरचना निर्माण करना

  1. एक 6 graphene परत के लिए, 5 टेप परत डिवाइस, छह 0.7 सेमी x 1.5 सेमी आयतों में एक छुरी या इसी तरह की धार और सीधे धार शासक के साथ graphene कागज काटने और पांच 1.3 सेमी में दो तरफा दबाव के प्रति संवेदनशील टेप में कटौती के लिए कैंची का उपयोग एक्स ~ 5 सेमी धारियों.
    नोट: चित्रा 1 ए में दिखाया गया है, यह एक 3 जमीन इलेक्ट्रोड, 3 एसी संकेत इलेक्ट्रोड डिवाइस पैदावार. परत चौड़ाई का आयोजन 7 मिमी आसान ड्रिलिंग के लिए काफी व्यापक है और अभी तक एक गिलास स्लाइड पर फिट करने के लिए काफी संकीर्ण है. 2 मिमी लंबाई आसानी से दोहराया उपयोग पर तोड़ने और तांबे के तारों संलग्न करने के लिए पर्याप्त जगह नहीं है नहीं है. डिवाइस गहराई एंड मिल गहराई तक सीमित है.
  2. एक साफ ग्लास स्लाइड पर graphene कागज के पहले परत करना. धीरे धीरे दो आसन्न graphene कागज परतों के बीच इन्सुलेशन (चित्रा 1 बी आश्वस्त करने के लिए एक ~ 2 मिमी मार्जिन छोड़ने के टेप की एक पट्टी के साथ graphene कागज के एक छोर कवर
  3. Graphene कागज (चित्रा 1 ए) की पहली परत के लिए ऑफसेट टेप के शीर्ष पर graphene कागज की दूसरी परत रखें. परतों के बीच अच्छा सील सुनिश्चित करने के लिए प्रत्येक का आयोजन परत के बाद इसके अलावा मध्यम दबाव (अंगूठे के साथ समान रूप से प्रेस, ~ 100 एन 0.7 ओवर 2 सेमी क्षेत्र) लागू करें.
  4. दोहराएँ ऊपर और नीचे परतों graphene कागज दोनों को छोड़कर, 1.2 और शेष परतों के लिए 1.3 दोहराएँ. Graphene कागज परतों के बीच सील इन्सुलेशन आश्वस्त करने के लिए एक छोटा सा ~ 1 मिमी मार्जिन छोड़ने डिवाइस किनारों से अतिरिक्त टेप को दूर करने के लिए चित्रा 1 बी में दिखाया बिंदीदार रेखा के साथ कट (चित्रा 1 बी).
    नोट: डबल पक्षीय टेप इस टुकड़े टुकड़े संरचना के रूप में मलबा इकट्ठा करने से बचने के लिए ऊपर और नीचे परतों drilled है के रूप में एक स्लाइड पर घुड़सवार, उपयोग, और नमूने के साथ भरा नहीं है.
  5. एक मल्टीमीटर (प्रतिरोध मोड) के साथ एक त्वरित इन्सुलेशन परीक्षण प्रदर्शन करते हैं. वीं के दो अलग अलग पक्षों पर सकारात्मक और नकारात्मक जांच स्थित करेंई डिवाइस (चित्रा 1C पर ए और बी); उच्च प्रतिरोध (मेगा ओम किलो तक) परतों के बीच अच्छा इन्सुलेशन इंगित करता है. माइक्रो खैर ड्रिलिंग के लिए तैयार करने के लिए कांच स्लाइड से स्तरित संरचना निकालें.
    नोट: आसन्न graphene कागज परतों कदम 1.4 के माध्यम से 1.2 के दौरान संपर्क कर जब एक डिवाइस आमतौर पर इन्सुलेशन परीक्षण विफल रहता है. इस तरह के उपकरणों त्यागें.

2. टुकड़े टुकड़े संरचना में सूक्ष्म अच्छी तरह से ड्रिल

  1. एक कंप्यूटर नियंत्रित यांत्रिक सूक्ष्म मिलिंग मशीन का प्रयोग करें और एक व्यास में 700 मीटर और कटौती की 2.1 मिमी लंबाई के साथ एक अंत चक्की का चयन करें. उचित clamps का उपयोग सूक्ष्म मिलिंग मंच पर टुकड़े टुकड़े संरचना स्थिर (आंकड़े 2A और बी). 8,600 rpm पर मिलिंग मशीन धुरी भागो, तो अंत चक्की धीरे धीरे में और टुकड़े टुकड़े संरचना के केंद्र के माध्यम से कम है. अंदर दीवार सुचारू करने के लिए सूक्ष्म अच्छी तरह से ऊपर और नीचे घूर्णन एंड मिल ले जाएँ.
    1. सूक्ष्म अच्छी तरह से चुनेंकटौती पहलू अनुपात के उपलब्ध एंड मिल व्यास / लंबाई से विवश कर रहे हैं जो व्यास,. सूक्ष्म अच्छी तरह से की भीतरी सतह सूक्ष्म अच्छी तरह से इष्टतम बिजली के क्षेत्र ढ़ाल और प्रकाश पारित होने के लिए संभव के रूप में खड़ी है और साफ है कि सुनिश्चित करें.
  2. दबाव हवा के साथ सूक्ष्म अच्छी तरह से साफ मलबे. 1.5 में वर्णित के रूप में एक और इन्सुलेशन परीक्षण प्रदर्शन करते हैं.

3. टुकड़े टुकड़े संरचना करने के लिए होता है बिजली अटैच

  1. 2 सेमी पर एक सही कोण करने के लिए दो 3 सेमी लंबे 32 जी तांबे के तारों मोड़ो. ~ मिक्स भाग ए और चांदी प्रवाहकीय epoxy की बी के 1.5 मिलीलीटर.
    नोट: 1 समीकरण
  2. मैन्युअल शीर्ष पर मिश्रित रजत epoxy लागू करते हैं और सभी 3 graphene कागज परतों के सुझावों के टुकड़े टुकड़े संरचना (चित्रा -1 सी) की ओर एक पर परतों के बीच अच्छा संपर्क आश्वस्त करने के लिए, तो epoxy में और किसी भी दोनों के बीच 1 सेमी तांबे के तार अंत जगह परतों. धीरे वर्गअतिरिक्त epoxy हटाने और अच्छा बिजली के संपर्क आश्वस्त करने के लिए परतों ueeze. टुकड़े टुकड़े में संरचना की ओर बी के लिए दोहराएँ.
  3. रात भर में 70 डिग्री सेल्सियस और 1 एटीएम सुखाने के लिए, ओवन रैक में पूरे उपकरण रखें.

4. नमूना और मीडिया की तैयारी

  1. एक चालकता मीटर का उपयोग conductivities का स्पेक्ट्रम, 290 मिमी mannitol शेयर समाधान और isotonic फॉस्फेट बफर खारा (पीबीएस) के सीरियल परिवर्धन के isotonic मीडिया तैयार करें.
    ध्यान दें: एक रैखिक संबंध ~ 290 mOsm / एल mannitol समाधान (गैर का आयोजन) में (संचालन) ~ 290 mOsm / एल पीबीएस की चालकता और मात्रा एकाग्रता के बीच मौजूद है. वीडियो 0.01 एस / एम चालकता के एक मध्यम सुविधाएँ.
  2. वॉल अनुपात: एक 1:50 वॉल्यूम के लिए तैयार चालकता मीडिया या ई शुद्ध पानी (~ 5 एक्स -6 10 एस / एम) के साथ polystyrene मोती मिलाएं. इस प्रोटोकॉल के रूप में अच्छी तरह से जैविक कोशिकाओं को आसानी से अनुकूल है.

5. सेटअप प्रयोग और डिवाइस संचालित

  1. डिवाइस ओ दबानासंशोधित कागज clamps या समकक्ष का उपयोग मध्यम दबाव (चित्रा 2 डी) के साथ एक गिलास स्लाइड Nto. आधार नमूना रिसाव को रोकने गिलास स्लाइड को टुकड़े टुकड़े संरचना सील करने के लिए सूक्ष्म अच्छी तरह से करने के लिए पर्याप्त बंद हो जाना चाहिए. दबाना टुकड़े टुकड़े संरचना के विरूपण को रोकने के लिए एक करने के लिए अनुकूलित दबाव) के साथ खुर्दबीन मंच के भीतर फिट, और ख) सूक्ष्म अच्छी तरह से तरल पदार्थ लीक नहीं करता है यह सुनिश्चित करना चाहिए. विरूपण प्रयोग reproducibility को कम करने में अच्छी तरह से ज्यामिति और प्रकाश पथ को परिवर्तित कर देता.
  2. एक सूक्ष्म सिरिंज या समकक्ष का प्रयोग, धीरे धीरे सूक्ष्म कुएं में नमूना की ~ 1 μl इंजेक्षन और किसी भी बुलबुले शुरू करने से बचें. यदि आवश्यक हो तो इंजेक्शन दोहराएँ और तेज सुई के साथ सूक्ष्म अच्छी तरह से दीवारों को नुकसान नहीं करने के लिए ध्यान का उपयोग करें. थोड़ा सूक्ष्म अच्छी तरह से परिपूर्ण और तुरंत अतिरिक्त तरल पदार्थ को निकालने के वाष्पीकरण को रोकने, और एक प्रयोग के लिए प्रतिलिपि प्रस्तुत करने योग्य मात्रा में सुनिश्चित करने के लिए माइक्रो अधिक अच्छी तरह से कवर गिलास स्लाइड.
    नोट: SCOR के लिए अच्छी तरह से काम करता है glasscutter एक हीरे की नोकआकार के लिए ई और दरार कवर गिलास.
  3. खुर्दबीन मंच को पूरा टुकड़े टुकड़े में microdevice सुरक्षित और डिवाइस पर ले जाता है दो तांबे के लिए समारोह जनरेटर इलेक्ट्रोड तारों देते हैं. AxioVision (जीस सॉफ्टवेयर) में, बहुआयामी अधिग्रहण मोड में कैमरा रिकॉर्डिंग शुरू करने के लिए बटन पर क्लिक करें. लागू साथ और बिजली क्षेत्र के बिना प्रतिक्रियाओं दस्तावेज़ करने सीसीडी कैमरा रिकॉर्डिंग शुरू करने के बाद एक निश्चित समय अवधि में समारोह जनरेटर संकेत आरंभ करें.
    नोट: यहाँ 100 हर्ट्ज एक 15 वी चोटी पीक संकेत के साथ मेगाहर्ट्ज आवृत्ति 10 को लागू किया गया और प्रयोगों 2 सेकंड के लिए गिलास स्लाइड सतह से ऊपर 1-200 पर 10x बढ़ाई पर मनाया गया क्षेत्र के बिना और क्षेत्र के साथ ~ 5 मिनट आवेदन किया. छवियाँ डिजिटली आगे के विश्लेषण के लिए सेकंड (एफपीएस) के अनुसार 1 से 5 तख्ते पर बच गए.
  4. प्रयोग पूरा होने पर, युक्ति को हटाने और clamps विघटित. साबुन के पानी में कांच स्लाइड और युक्ति दोनों को विसर्जित कर दिया, तो अच्छी तरह कुल्ला. 30 बार के बारे में पुन: उपयोग उपकरणोंलगातार प्रदर्शन के साथ है.

6. डेटा विश्लेषण और छवि प्रसंस्करण

  1. ऐसे ImageJ के रूप में पसंद सॉफ्टवेयर, साथ छवि डेटा का विश्लेषण. एक निश्चित समय के कदम पर लगातार छवियों के बीच कण विस्थापन से वेग की गणना.
  2. रुझानों के संकलन और सिद्धांत 29 के साथ तुलना करने के वेग पर आधारित प्रयोगात्मक रवानगी बल और क्षेत्र शक्ति की गणना.
  3. त्रिज्यात बिजली के क्षेत्र ढाल के आकार के साथ संगत माइक्रो अच्छी तरह से ज्यामिति में उपाय कण वेग. सूक्ष्म अच्छी तरह से किनारे से केंद्र के लिए, 7 क्षेत्रों में जो परिणाम 8 गाढ़ा समविद्युतविभव आकृति (350, 300, ... 50, 0 माइक्रोन), की पहचान.
    नोट: 50 माइक्रोन दूरी वेग की गणना करने के लिए इस्तेमाल किया गया था पार करने के लिए कणों के लिए समय है. ज्यामितीय विविधताओं यह जरूरी है, जब समविद्युतविभव आकृति थोड़ा समायोजित किया गया.

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Representative Results

6 माइक्रोन polystyrene मनकों पर Dielectrophoretic प्रयोगों एक 0.38 एमएम 3 बेलनाकार सूक्ष्म कुएं में आयोजित की गई. परिणाम एक 3 डी graphene कागज आधारित डिवाइस 3D धातु पन्नी टुकड़े टुकड़े में उपकरणों के 20, 21, पारंपरिक 2D धातु इलेक्ट्रोड 26, 27 के रूप में समान dielectrophoretic हस्ताक्षर उदाहरण देकर स्पष्ट करना, और 2 डी इन्सुलेटर उपकरणों 25 सकता टुकड़े टुकड़े कि प्रदर्शित करता है. निम्नलिखित प्रयोगों में, एक 15 वी चोटी पीक एसी संकेत लागू किया गया था और आवृत्ति 100 हर्ट्ज मेगाहर्ट्ज 30 से 10 से विविध था. गुणात्मक रवानगी परिणामों क्षेत्र आवेदन (प्रथम स्तंभ) से पहले समय 0 पर 3 चित्र में दिखाया गया है और कर रहे हैं बिजली के क्षेत्र में 5 मिनट (दूसरे स्तंभ) के बाद. कोई बिजली क्षेत्र मौजूद था, गुरुत्वाकर्षण के माध्यम से डिवाइस नीचे (आंकड़े 3 ए और बी). चित्रा -3 सी करने के लिए धीरे धीरे तलछट कणों और ठेठ pDEP के रूप में, 1 kHz पर परिणाम प्रदर्शित घसूक्ष्म अच्छी तरह से किनारों की ओर जमा हो कणों ने संकेत दिया. 3E चित्रा और केंद्र में कणों का ध्यान केंद्रित करके संकेत के रूप में एफ, 10 मेगाहर्ट्ज पर nDEP वर्णन.

चित्रा -4 ए 100 हर्ट्ज से 10 मेगाहर्ट्ज करने के लिए एक आवृत्ति रेंज पर 0.0001 एस / एम और 1.3 एस / एम के बीच conductivities के लिए प्रयोगात्मक रवानगी प्रतिक्रियाओं को दिखाता है. नकारात्मक रवानगी (nDEP) या सकारात्मक रवानगी (pDEP) आम तौर पर सूक्ष्म अच्छी तरह से केंद्र या किनारों की ओर बढ़ मोतियों का अवलोकन द्वारा निर्धारित किया गया था. हालांकि, यह आंकड़ा 4 ए में खुले प्रतीकों के रूप में दिखाया चालकता आवृत्ति अंतरिक्ष में दो क्षेत्रों में रवानगी व्यवहार के साथ एक साथ हुआ है कि सूक्ष्म अच्छी तरह के किनारों के निकट बहती है (20-50 माइक्रोन व्यास) recirculating से जटिल है. अन्य प्रकार के उच्च चालकता और उच्च आवृत्ति में मनाया गया, जबकि recirculating प्रवाह का एक प्रकार का परीक्षण सभी conductivities में 10 kHz ~ नीचे मनाया गया. recirculating प्रवाह nDEP या pDEP मनका चुटकुला बदलडिग्री बदलती करने के आयनों. ये समवर्ती बलों चित्रा -4 ए में पैरामीटर अंतरिक्ष में सचित्र हैं.

Dielectrophoretic वेग सूक्ष्म अच्छी तरह से भीतर गाढ़ा काउंटरों (चित्रा 5A) का उपयोग रेडियल स्थिति के एक समारोह के रूप में सारणीबद्ध रहे हैं. स्थिति के साथ वेग प्रवृत्तियों चित्रा 5C में दिखाया गया. जैसी कि उम्मीद थी, उच्चतम वेग उच्चतम बिजली के क्षेत्र घनत्व (चित्रा 5 ब) के साथ इस क्षेत्र से मेल खाती है जो सूक्ष्म अच्छी तरह से किनारे के पास मनाया जाता है. कण एक 1 मिनट रिकॉर्डिंग के दौरान फोकल हवाई जहाज़ के अंदर और बाहर खड़ी चाल है. हालांकि, इस ऊर्ध्वाधर वेग परिमाण होने का अनुमान है और इसलिए मापा 5 ~ 100 माइक्रोन / सेक गाढ़ा वेग की तुलना में नगण्य है. में विमान वेग 5 माइक्रोन / सेक से ≈ 1.07 x 10 -16 एम बिजली के क्षेत्र घनत्व क्षेत्र से अधिक 4 / (वी ⋅ सेक) की रवानगी mobilities के अनुरूप जो 36 माइक्रोन / सेक, के लिए सीमाएस 5 एक्स 10 4 / वी एम वी / एम 5 10 एक्स 3 के लिए की. वेग 3 डी सिस्टम 31, 32, 2 डी इलेक्ट्रोड सिस्टम 33 रिपोर्ट में उन लोगों के साथ संगत कर रहे हैं, और डीसी इन्सुलेटर रवानगी सिस्टम 34.

चित्रा 1
टुकड़े टुकड़े में डिवाइस के लिए चित्रा 1. निर्माण प्रक्रिया. एक) एकांतर ख) प्रेस परतें एक साथ. आसन्न graphene परतों के बीच के संबंध को रोकने के लिए graphene कागज के 6 परतों और दो ​​तरफा टेप की परतों 5 ढेर और लाल के साथ अतिरिक्त दो तरफा टेप में कटौती धराशायी लाइन. सी) में एक सूक्ष्म अच्छी तरह से ड्रिल आंकड़े 2A और बी. डी में दिखाया के रूप में सूक्ष्म मिलिंग के माध्यम से केन्द्र) पालन दो तांबे चांदी epoxy के साथ एक और साइड B पक्ष की ओर जाता है. ई) अंतिम गढ़े डिवाइस.


चित्रा 2. एक) कंप्यूटर नियंत्रित लघु ड्रिलिंग मशीन. ख) टुकड़े टुकड़े संरचना clamps के साथ मंच पर स्थिर है. दबाव हवा एंड मिल. ग) microdevice प्रयोगों डाटा अधिग्रहण के लिए एक माइक्रोस्कोप, सीसीडी कैमरा, समारोह जनरेटर और कंप्यूटर. डी) microdevice के ऊपर बंद देखें खुर्दबीन मंच पर एक गिलास स्लाइड पर clamped के साथ आयोजित की जाती हैं बंद मलबे को उड़ाने के लिए प्रयोग किया जाता है . समारोह जनरेटर से एसी बिजली के संकेत तांबे सुराग के माध्यम से डिवाइस के लिए लागू किया जाता है.

चित्रा 3
चित्रा 3. 3 डी के भीतर विशिष्ट dielectrophoresis प्रतिक्रियाओं microdevice टुकड़े टुकड़े में. एक 15 वी चोटी पीक 1.3 x 10 का एक माध्यम चालकता के साथ लागू किया गया था-4 एस / एम. पहले कॉलम प्रयोग पर कणों से बिजली के क्षेत्र के साथ शुरू दिखाता है, और दूसरा स्तंभ 5 मिनट के बाद एबी) सूक्ष्म अच्छी तरह से नीचे करने के लिए तलछट कणों प्रतिक्रिया से पता चलता है, सीडी) 1 kHz पर, कणों सूक्ष्म अच्छी तरह से किनारे के पास एकत्र हुए. , 10 मेगाहर्ट्ज पर pDEP. एफई) का संकेत है, कणों nDEP का संकेत है, सूक्ष्म अच्छी तरह से केंद्र के लिए जोर दिया.

चित्रा 4
पीबीएस में चालकता के एक समारोह (.0001-1.3 एस / एम) और आवृत्ति (100 हर्ट्ज-10 मेगाहर्ट्ज) के रूप में 6.08 माइक्रोन polystyrene मनकों की चित्रा 4. एक) प्रायोगिक रवानगी व्यवहार mannitol समाधान निकाला. लघु recirculations कम आवृत्तियों (<1 kHz) और सभी परीक्षण मध्यम conductivities, साथ ही उच्च आवृत्तियों और उच्च मध्यम चालकता में लिए माइक्रो अच्छी तरह से किनारों के पास रवानगी व्यवहार के साथ समवर्ती मनाया गया. ओपन चिह्न , नकारात्मक रवानगी और पुनःपरिसंचरण के साथ सकारात्मक रवानगी का प्रतिनिधित्व करते हैं, जबकि ठोस प्रतीक पुनःपरिसंचरण बिना nDEP का प्रतिनिधित्व करता है. ~ 100 हर्ट्ज से नीचे, इलेक्ट्रोलिसिस बुलबुले मनाया गया और Δ. बी द्वारा प्रतिनिधित्व कर रहे हैं) 0.0001 एस / एम एस / एम 1.3 से विदेशी आवृत्तियों की भविष्यवाणी की. इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें.

चित्रा 5
चित्रा 5. एक) एक 15 वी चोटी पीक, 1MHz क्षेत्र में nDEP सामना polystyrene मनकों की छवियाँ. वे microwell पार के रूप में गाढ़ा हलकों कणों की आवाजाही पर नज़र. बिजली के क्षेत्र ढाल के ख) COMSOL सिमुलेशन (वी / एम2) के भीतर रेडियल स्थिति के एक समारोह के रूप में मोती के समूहों के सूक्ष्म अच्छी तरह से. ग) Dielectrophoretic वेग की एक पार अनुभाग की सूक्ष्म अच्छी तरह से. इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें.

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Discussion

इस पांडुलिपि एक उपन्यास 6 graphene परत और 5 टेप परत microdevice fabricating के लिए प्रोटोकॉल का विवरण. इसके अलावा, डिवाइस आपरेशन एक अनूठा, ज्यामितीय प्रासंगिक कण वेग विश्लेषण दृष्टिकोण के साथ 6.08 माइक्रोन polystyrene मोती मनाया रवानगी व्यवहार के माध्यम से यह साफ है. समान रूप से विश्वसनीय परिणाम उपज जबकि nonlinear electrokinetic उपकरणों के निर्माण के लिए इस बहुमुखी दृष्टिकोण, इलेक्ट्रोड और fluidic परत तकनीक microfabrication की तुलना में महंगा है.

इसके अलावा, इस उपन्यास 3D graphene कागज microdevice दोनों सैद्धांतिक रूप से भविष्यवाणी व्यवहार से सहमत है कि प्रयोगात्मक dielectrophoretic परिणाम सामने आए और पहले से प्रयोगात्मक परिणाम 35 सूचना दी. ऊपर 10 मेगाहर्ट्ज और मीडिया conductivities के लिए 1 से 100 हर्ट्ज से संकेत आवृत्तियों के लिए X 10 -4 एस / एम 1.3 एस / एम के लिए, प्रयोगों pDEP मनाया गया जिसके नीचे और nDEP मनाया गया जिसके ऊपर एक अंतरराष्ट्रीय आवृत्ति, के अस्तित्व को सत्यापित. जैसी कि उम्मीद थी,nDEP चित्रा -4 ए के रूप में दिखाया चालकता आवृत्ति अंतरिक्ष की सबसे अधिक मनाया गया. थ्योरी 6.08 माइक्रोन सजातीय polystyrene मोती (ε ρ = 2.55, σ ρ = 1.3 x 10 -3 एस / एम 36) एक अंतरराष्ट्रीय आवृत्ति है भविष्यवाणी की है कि जब σ एम <σ ρ = 1.3 x 10 -3 एस / एम. शेष पैरामीटर अंतरिक्ष में 1 से 10 एक्स -4 एस / एम एस / एम, ≈ 1 kHz के आदेश पर विदेशी आवृत्तियों (एफ सह लगभग 1.3 x 10 -3 मनाया गया है. उदाहरण के लिए, एफ सह एक में 1 kHz था पिछले एक 1.0 पर प्रयोगात्मक परिणाम की सूचना दी है, जबकि 3.9 एक्स 10 -4 एस / एम मध्यम, एक्स 10 -3 एस / एम मूल्य 168 kHz 37-39 था भविष्यवाणी की सह = 5 kHz 35 एफ, और मॉडल के आधार पर किया गया था. ये तीनों परिणाम हैं मध्यम सह में परिवर्तित करने के लिए अंतरराष्ट्रीय आवृत्ति की संवेदनशीलता को देखते हुए किसी न किसी समझौते में मानाविशिष्ट क्षेत्र में 40, साथ ही अन्य समझौता प्रभारी प्रेरित कारकों और उपकरण रूपों में nductivity. मीडिया चालकता परिवर्तन थोड़ा 1 एक्स 10 4 एस / एम -3 एस / एम 10 एक्स 1.3 करने से, इसी विदेशी आवृत्तियों 2 परिमाण के आदेश या अधिक कमी के रूप में, चित्रा 4 बी में दिखाया गया है. ऊपर निर्दिष्ट के रूप में तय मानकों के साथ मॉडल में अंतरराष्ट्रीय आवृत्ति, के रूप में 168 kHz का प्रयोग, एक कण चालकता के लिए हल और एस / 1.3 x 10 -3 एस के वास्तविक मूल्य की तुलना में हूँ यह 1.00 x 10 -3 होना करने के लिए मिल सकते हैं / एम (23% अंतर).

Recirculating के दो प्रकार की टिप्पणियों चालकता आवृत्ति अंतरिक्ष में बहती मनाया और क्रमश: निम्न और उच्च आवृत्ति क्षेत्रों में एसी electroosmosis और electrothermal प्रवाह के लिए जिम्मेदार ठहराया गया. कम आवृत्तियों के लिए सभी परीक्षण मध्यम conductivities, स्थानीय कण पुनःपरिसंचरण वेग पर (<10 kHz) आवृत्ति के रूप में वृद्धिमध्यम चालकता के कारण मामूली परिवर्तन के साथ कम किया है. चालकता आवृत्ति की स्थिति और recirculating रोल्स (20-50 माइक्रोन) का आकार दोनों पिछले एसी electroosmotic प्रवाह पढ़ाई 41-43 से सहमत हूँ. रिश्तेदार उच्च आवृत्तियों सापेक्ष उच्च मध्यम चालकता में (> 100 kHz) (> 0.01 एस / एम) के लिए, nDEP पुनःपरिसंचरण द्वारा जबर्दस्ती करने लगते हैं. मध्यम चालकता वृद्धि हुई के रूप में recirculating कण वेग में वृद्धि हुई और आवृत्ति में वृद्धि हुई. फिर, चालकता आवृत्ति की स्थिति और recirculations का आकार दोनों पिछले निष्कर्ष 44-47 से सहमत हूँ.

3 डी रवानगी में, कण भी सूक्ष्म कुएं में कई ऊर्ध्वाधर पदों पर आसन्न graphene कागज परतों के बीच कणों धकेलने dielectrophoretic बलों का अनुभव. प्रकाश ध्यान केंद्रित रवानगी कणों ऊपर और ब्याज के विमान नीचे से बिखरे हुए है इस वजह से ऑप्टिकल माइक्रोस्कोप अवलोकन आंशिक रूप से समझौता किया है. नियत समय, mor के ऊपर गुरुत्वाकर्षण अवसादन के लिएई कणों 48 (नहीं दिखाया डेटा) सबसे ऊपरी रवानगी ध्यान केंद्रित विमानों की तुलना में नीचे रवानगी ध्यान केंद्रित विमानों के निकट मनाया गया.

उपकरण निर्माण अत्यंत बहुमुखी है; प्रदान की प्रोटोकॉल आसानी से अधिक परतों या अन्य सामग्री के साथ उपकरणों के लिए अनुकूलित किया जा सकता. एक वैकल्पिक इन्सुलेशन परत सामग्री के रूप में, polydimethylsiloxane (PDMS) पतली फिल्मों एक चलाया हुआ है और काफी समान मोटाई के लिए spincoated किया जा सकता है. PDMS अच्छी तरह से बिजली और रसायन शास्त्र की सतह गुण विशेषता है, लेकिन इस तरह पतली नाजुक फिल्मों से निपटने परेशानी थी गया है. डबल पक्षीय टेप अधिक समान मोटाई है, बेहतर परत से परत सील के साथ संभाल करने के लिए आसान था और इस तरह बेहतर कार्यात्मक उपकरणों की उच्च सफलता दर झुकेंगे. XG विज्ञान graphene कागज (पत्ता बी 072) एक इलेक्ट्रोड सामग्री के रूप में अच्छी तरह से कार्य किया और अनुरूप निर्माण बहुमुखी विद्युत और यांत्रिक गुणों की पेशकश की. हायर nanoplatelet सांद्रता कागज प्रतिरोधकता 24 और polym कमcellulosic समर्थन करता है पानी प्रसार (नहीं दिखाया डेटा) की अनुमति है, जबकि एरिक रोका पानी सोखना का समर्थन करता है.

डिवाइस की कार्यक्षमता के साथ जटिलताओं अच्छी तरह से सतह पर वृद्धि हुई प्रतिरोधकता, टूट बिजली के कनेक्शन, electrolytic बुलबुले, नमूना लोड करने के दौरान बुलबुला परिचय, और विषम अच्छी तरह से ज्यामिति शामिल कर सकते हैं. प्रक्रिया कदम 1.5 में इन्सुलेशन परीक्षण से पहले डिवाइस अखंडता का आकलन करने के लिए एक प्रयोग करने के लिए उपयोग किया जाना चाहिए. microwell उजागर करने के लिए उपयोग किया XG graphene कागज की सतह के बाद ~ 30 प्रयोगों बंद पहनी थी. असंगत रवानगी परिणाम आसानी से एक आवेदन क्षमता के लिए माइक्रो अच्छी तरह से या कोई प्रतिक्रिया के माध्यम से अनिश्चित वैश्विक प्रवाह के माध्यम से मान्यता प्राप्त किया गया. धीरे संभाला यदि नहीं, तो डिवाइस की ओर एक और साइड बी (चित्रा 1C) graphene परतों तोड़ सकता है. इन मामलों में, प्रतिस्थापन उपकरणों की जरूरत है. 100 हर्ट्ज पर या नीचे आवृत्तियों पर, 3 डी graphene इलेक्ट्रोड ओ 2 और एच 2 बुलबुले का उत्पादन करने के लिए पानी इलेक्ट्रोलिसिस उत्प्रेरित. गुआवृत्ति सीमा कणों या जैविक कोशिकाओं से पूछताछ की जा सकती है, जिसमें परिचालन अंतरिक्ष फैलता है जो पारंपरिक microfabricated 2 डी इलेक्ट्रोड 49, के साथ इस समूह की पिछले परिणामों से कम परिमाण के 2 आदेश है. नमूना सिरिंज से हवाई बुलबुले के कारण बिजली के क्षेत्र आकार और ऑप्टिकल हस्तक्षेप करने से बचा जाना चाहिए. अन्त में, पूरी तरह से खड़ी सूक्ष्म खैर ड्रिलिंग संगत ऑप्टिकल रोशनी और रवानगी व्यवहार का प्रेक्षण के लिए महत्वपूर्ण है. माइक्रो अच्छी तरह skewing टुकड़े टुकड़े परतों बढ़ जाती है की संख्या के रूप में प्रबंधित करने के लिए और अधिक मुश्किल हो जाता है. अधिकांश confocal और प्रकाश माइक्रोस्कोप 1 मिमी नीचे दूरी काम कर रहा है, ताकि रवानगी व्यवहार को आसानी से यह ऊपर मोटाई पर देखा नहीं जा सकता. हालांकि, तीसरा आयाम बढ़ती बड़े पैमाने पर रवानगी के प्रसंस्करण के लिए फायदेमंद होगा.

एक सीधा टुकड़े टुकड़े में graphene कागज / टेप संरचना एक बैच के लिहाज से 3 डी रवानगी microdevice के रूप में प्रदर्शित किया गया है. भविष्य अनुप्रयोगों, कण या CE मेंडालूँगा निलंबन लगातार 50 छँटाई उच्च throughput रवानगी प्राप्त करने के लिए डिवाइस के माध्यम से प्रवाह कर सके. दुर्लभ कोशिकाओं को अलग किया और पहचान करने के लिए बड़ी मात्रा की छंटाई की आवश्यकता है कि विशिष्ट जैव चिकित्सा अनुप्रयोगों ट्यूमर कोशिकाओं 51 और पूति 52 परिसंचारी का पता लगाने में शामिल हैं. इसके अलावा, पानी को अवशोषित graphene पेपर एक साथ कण / सेल concentrators के लिए एक इलेक्ट्रोड और प्रसार के माध्यम के रूप में कार्य कर सके. अन्त में, graphene कागज एक व्यवहार्य biosensor 24 के रूप में प्रदर्शित किया गया है. यहाँ वर्णित डिवाइस graphene सतह पर एक साथ रवानगी एकाग्रता और जैविक पहचान के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है. इस प्रकार, विभिन्न graphene कागज प्रकार electrokinetics और / या biosensors रोजगार उच्च throughput सिस्टम microfluidic में उपयोगी इलेक्ट्रोड हो सकता है.

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Disclosures

लेखकों का खुलासा करने के लिए कोई संघर्ष है.

Acknowledgments

Graphene कागज के उदार दान के लिए XG विज्ञान के लिए धन्यवाद. उदारता से हमें लघु ड्रिलिंग उपकरण का उपयोग करने के लिए डॉ. सी. फ्रेडरिक करने के लिए धन्यवाद. एक विशेष धन्यवाद वीडियो narrating के लिए Tayloria एडम्स के लिए बढ़ा दिया है.

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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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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