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Engineering

3D 그래 핀 전극 유전 영동 장치의 개발

doi: 10.3791/51696 Published: June 22, 2014

Summary

높은 처리량 잠재력을 가진 마이크로 디바이스는 새로운 재료와 3 차원 (3D) 유전 (DEP)를 설명하는 데 사용됩니다. 그래 핀 nanoplatelet 종이 양면 테이프가 교대로 적층 하였다; 700 μm의 마이크로 웰 층에 가로을 드릴 하였다. 폴리스티렌 비즈의 DEP 동작은 마이크로에 잘 입증되었다.

Abstract

50 ㎛ 두께의 그라 핀 종이와 100 μm의 양면 테이프를 사용하여 새로운 차원 전극 마이크로 디바이스의 설계 및 제조가 설명되어 있습니다. 이 프로토콜은 다양한 재사용, 다중 층 적층 유전 챔버를 구성하는 절차에 대해 자세히 설명합니다. 특히, X 0.7 cm X 2cm의 그래 핀 종이 50 ㎛ 및 양면 테이프의 5 개의 층의 6 개의 층이 교대로 함께 적층 한 후 유리 슬라이드에 고정. 이어서 700 ㎛의 직경이 마이크로 웰 컴퓨터 제어 마이크로 드릴링 머신을 사용하는 적층 구조체를 통해 천공 하였다. 인접하는 그라 펜 층들 사이의 테이프 층의 절연 특성은 저항 시험으로 확신되었다. 실버 전도성 에폭시는 그라 펜 용지의 교대 ​​층을 접속하고 그래 핀 종이 및 외부 구리 와이어 전극 사이의 안정적인 연결을 형성. 완성 된 장치는 다음 클램핑하고 유리 슬라이드로 밀봉 하였다. 전기장 구배 t 내에 모델링된다그 다층 소자. 6 μm의 폴리스티렌 비즈의 유전 행동은 0.0001에서 S / M 1.3 S / M에 이르기까지 다양한 매체 전도도 깊은 마이크로 아니라 1mm에 보여, 10 MHz로 100 Hz에서에서 신호 주파수를 적용했다. 음의 유전 응답은 주파수 값이 이전에보고 된 문헌 값과 일치 도전 주파수 공간과 크로스 오버의 가장 위에 입체적으로 관찰되었다. 장치는 AC의 전기 삼투 및 전열 낮고 높은 주파수 영역에서 발생한 유동, 각각을 방지하지 않았다. 이 장치에 사용되는 그래 핀의 논문은 다재다능하고 유전 특성 분석이 완료된 후 이후 바이오 센서로 작동 할 수 있습니다.

Introduction

그래 핀은 높은 품질의 전자 특성과 잠재적 인 화학 및 바이오 센서의 응용 프로그램 1 알려진 새로운 소재입니다. 그래 핀 nanoplatelets 촉매 지원 2, 3, 바이오 센서 4, 슈퍼 커패시터 (5), 그래 핀 / 폴리아닐린 및 실리콘 나노 입자 / 그래 핀 합성 6-8 등의 복합 전극에 사용되어왔다. 이 원고는 고유 한 3 차원 (3D)의 전극 층 미세 유체 장치로 그래 핀 종이의 사용을 설명합니다. 그래 핀 종이 전극은 절연 양면 테이프 및 폴리스티렌 구슬의 3D AC의 유전 영동을 수행 한 내 드릴 챔버 적층 하였다.

유전 (DEP)가 균일하지 않은 전기장에서 극성 입자의 이동을 의미한다. 입자가 다소 극성 주변 매체, 열매보다 때 긍정적 인 DEP (pDEP) 또는 음의 DEP (NDEP)가 발생각각 강한 또는 약한 전기장을 향한 움직임에 lting. 이 비선형 동 전기 도구, 정렬 트래핑, 입자 및 세포 생물학 9-15의 식별, 분리에 사용되었습니다. 편광 된 입자에 의해 경험 유전 힘은 전기장 구배, 입자 모양과 반경 전도도 및 유전율 등 입자 유전 특성뿐만 아니라 미디어 전도도와 유전율의 함수이다. 기존의 2 차원 (2D) DEP에서, 입자 운동은 일반적으로 미세 표면 전극 사이에 형성된 전계 구배의 주 평면에있다; 수직 방향의 운동은 대부분의 장치에서 평면 방향에 비해 무시할 수있다. 그러나 3D DEP에 대한 전기장 구배이 3 차원을 활용하면 시료 처리량이 가능하며 흐름이 트라 베되는 새롭고 개선 된 유전 분리를 디자인하는 다양성을 증가필드 RSE는 16, 17 그라디언트. 다른 특정한 디자인은 3D 절연체 기반 DEP 18 일 3D 탄소 전극 DEP 13, 19, 및 DEP (10)를 전기 3D 있습니다. 3 차원 구조로 연구에 의해 입증되는 바와 같이, 이러한 장치는 높은 처리량을 달성하기 위해 연속 흐름 모드로 동작 할 수있다. 우리 계층화 3D 장치에서 3D 입자 운동의 관측은 상이한 초점 높이에서 광학 현미경을 통해 주파수 및 중간 도전성의 함수로서 이루어진다.

Fatoyinbo 등. 먼저 대안 누적 30 μm의 알루미늄 호일 및 150 μm의 에폭시 수지 필름 (20)을 사용하여 전극 / 절연 구조를 적층 3D로 DEP를보고했다. Hubner 등은. 후 35 ㎛의 구리 테이프와 118 μm의 폴리이 미드 접착제 (21)와 유사한 3 차원 적층 전극을 설계했습니다. 이 작품은 3D 잘 디자인 22, 23를 빌려, 고유 밀봉 충분한 전기 차폐 달성 절연 층 등 전도성 층과 100 μm의 양면 테이프로 50 μm의 그라 핀 종이의 편의를 사용합니다. 그래 핀 nanoplatelets 동시에이 그룹은 이전에 24을 입증 바이오 센서로 행동 할 수있는 능력을 가지고 있기 때문에 그래 핀 종이 다재 다능 한 3 차원 전극 마이크로 디바이스에 대한 뚜렷한 장점입니다.

그라 펜 종이 / 중합체 내에 달성 필드 구배 차원 마이크로 디바이스는 마이크로 웰 치수, 그라 펜 종이 층 및인가 전계에 따라 적층. 임계 치수는 세로 전극의 간격 (층 두께 전도성 및 절연성) 및 마이크로 웰 지름과 높이 (적층에 의해 결정)을 포함한다. 전기 신호는 진폭 및 주파수를 통해 조정될 수있다. 현재 장치의 구조는 배치 작업이지만, 연속 흐름 장치에 맞출 수 있습니다. 장치 FAB여기에 설명 rication 기술은 3D가 단순히 사용되는 그래 핀의 용지를 교환하여 그래 핀 nanoplatelet의 다양한 속성에 전극을 적층 개발에 적합하다. 그라 펜 용지를 이용하는 장점은 물리적 및 화학적 특성의 다양성, 감소 된 비용이며, 바이오 센서는 bioanalytes (24)의 넓은 범위를 검출하기 그라 펜 nanoplatelets 동시에 작용할 수있다. 높은 처리량의 3D DEP 시스템의 장기 목표는 빠르게 세포 유형에게 25 ~ 27을 확인하거나 건강한 세포 (28)의 집단에서 병에 걸린 세포의 라벨이없는 전기적 매개 세포 정렬을 달성 할 수 있습니다. 이 논문은 재료의 최적화 및 그림 전형적인 결과를 분석 한 다음 장치의 준비와 작업을 보여줍니다.

Protocol

1. 박판 전극 / 절연 3D 구조를 제작

  1. 6 그라 핀 층의 경우, 5 테이프 계층 장치는 6 0.7 ㎝ × 1.5 ㎝의 직사각형으로 메스 또는 유사한 면도날과 가장자리가 직선 자와 그래 핀의 종이를 잘라 다섯 1.3 cm로 양면 압력에 민감한 테이프를 가위로 잘라 사용 X ~ 5cm 줄무늬.
    :도 1a에 도시 된 바와 같이, 이것은 3 접지 전극, 3 AC 신호 전극 소자를 수득 하였다. 층의 폭을 실시 7m​​m 쉽게 드릴링 충분히 넓은 아직, 유리 슬라이드에 들어갈 정도로 좁다. 2 mm 길이 쉽게 반복 사용에 휴식과 구리 와이어를 부착 할 수있는 충분한 공간이되지 않습니다. 장치의 깊이는 엔드 밀 깊이에 의해 제한됩니다.
  2. 깨끗한 유리 슬라이드에 그래 핀 용지의 첫 번째 레이어를 놓습니다. 천천히 두 개의 인접한 그래 핀 종이 층 사이의 절연 (그림 1b을 보장하기 위해 ~ 2mm의 여백을두고, 테이프의 한 스트라이프와 그래 핀 종이의 한쪽 끝을 커버
  3. 그라 펜 용지 (도 1A)의 첫번째 층에 오프셋 테이프 위에 그래 핀 종이의 두번째 층을 배치. 층 사이 좋은 바다 표범 어업을 보장하기 위해 각 전도 층을 첨가 한 후, 적당한 압력 (엄지 손가락으로 균일하게 눌러 ~ 100 N 0.7 cm 이상의 2 영역)을 적용합니다.
  4. 반복의 맨 위 층과 맨 아래 층의 그래 핀 종이 모두를 떠나, 1.2, 나머지 층 1.3 단계를 반복합니다. 그래 핀 종이 층 사이의 밀폐 된 절연 보장하기 위해 작은 ~ 1mm의 여유 떠나는 장치의 가장자리에서 여분의 테이프를 제거하기 위해 그림 1b에 표시된 점선을 따라 잘라 (그림 1B).
    참고 : 양면 테이프이 적층 구조로 파편을 수집 방지하기 위해 상단과 하단 레이어를 드릴로 슬라이드에 장착, 사용 및 샘플로 작성되지 않았습니다.
  5. 멀티 미터 (저항 모드)와 함께 빠른 절연 테스트를 수행합니다. 일의 두 가지 측면의 긍정과 부정 프로브의 위치를전자 장치 (그림 1C에 A와 B); 고 저항 (메가 옴 킬로로는) 층 사이 좋은 절연을 나타냅니다. 마이크로 우물 시추 준비하기 위해 유리 슬라이드에서 계층 구조를 제거합니다.
    NOTE : 인접하는 그라 펜 종이 층이 1.4 내지 1.2 단계 동안 접촉 할 때 장치는 일반적 절연 테스트에 실패한다. 이러한 장치를 폐기하십시오.

2. 적층 구조의 마이크로 잘 드릴

  1. 컴퓨터 제어 기계 마이크로 밀링 머신을 사용하여 직경 700 μm의 컷 2.1 mm 길이 엔드 밀을 선택합니다. 적절한 클램프를 사용하여 마이크로 밀링 무대에서 적층 구조 고정시킨다 (그림 2A와 B). 8,600 rpm의 밀링 기계 스핀들을 실행 한 후 엔드 밀 천천히에와 적층 구조의 중심을 내립니다. 안쪽 벽을 부드럽게 마이크로 웰을 통해 위아래로 회전 엔드 밀을 이동합니다.
    1. 마이크로 잘 선택컷의 화면 비율의 사용 가능한 엔드 밀 직경 / 길이의 제약을받습니다 직경. 마이크로 웰의 내부 표면은 마이크로 웰을 통해 최적의 전계 그라데이션과 빛 통과를 위해 가능한 한 수직하고 깨끗한 지 확인합니다.
  2. 압축 공기와 마이크로 잘 깨끗 파편. 1.5에 설명 된대로 다른 절연 테스트를 수행합니다.

3. 적층 구조로 전기 리드를 연결합니다

  1. 2cm에서 직각으로 두 3cm 길이 32 G 구리 와이어를 접습니다. ~ 혼합 부와 실버 전도성 에폭시 B 1.5 ML.
    주 : 식 (1)
  2. 수동으로 정상에 혼합은 에폭시를 적용하고 3 그래 핀 종이 층의 팁 적층 구조 (그림 1C)의 측면에 레이어 사이 좋은 접촉을 보장하기 위해, 다음 에폭시와 두 사이에 1cm 구리 철사 끝을 배치 층. 부드럽게 평방여분의 에폭시를 제거하고 좋은 전기적 접촉을 보장하기 위해 레이어를 ueeze. 적층 구조의 B면에 대해 반복합니다.
  3. 하룻밤에 70 ° C와 1 기압을 건조, 오븐 선반에 전체 장치를 놓습니다.

4. 샘플 및 미디어를 준비

  1. 전도도 측정기를 사용하여 전도도의 스펙트럼, 290 mM의 만니톨 원액 및 등장 인산 완충 생리 식염수 (PBS)의 직렬 추가의 등장 미디어를 준비합니다.
    참고 : 선형 상관 관계가 ~ 290 mOsm / L 만니톨 용액 (비전 도성)에서 (수행) ~ 290 mOsm / L PBS의 전도도 및 볼륨 농도 사이에 존재합니다. 비디오는 0.01 S / M 전도성 매체를 제공합니다.
  2. 부피 비율 : 1:50 권 준비 전도성 매체 또는 전자 순수한 물 (~ 5 × 10 -6 S / M)와 폴리스티렌 구슬을 섞는다. 이 프로토콜은 물론 생물 세포에 쉽게 적응할 수있다.

5. 설정 실험 및 장치를 작동

  1. 장치 O를 클램프수정 된 종이 클램프 또는 이와 동등한를 사용하여 적당한 압력 (그림 2D)와 유리 슬라이드 피하려면. 재단은 샘플의 누설을 방지 유리 슬라이드에 적층 구조 인감 마이크로 웰에 가까이 있어야한다. 클램프는 적층 구조의 변형을 방지에 최적화 된 압력)로 현미경 단계에 맞게, 그리고 b)는 마이크로 잘 액이 누출되지 않습니다 확인해야합니다. 변형은 실험의 재현성을 감소 웰 형상 및 광로를 변경한다.
  2. 마이크로 주사기 또는 동급을 사용하여, 천천히 마이크로 우물에 샘플 ~ 1 μl를 주입하고 거품을 도입하지 마십시오. 필요한 경우 주사를 반복하고 날카로운 바늘로 마이크로 우물 벽을 손상하지 않도록주의를 사용합니다. 약간 마이크로 웰을 너무 많이 넣다 즉시 초과 액체를 제거 증발을 방지하고 각 실험 재현 볼륨을 보장하기 위해 마이크로 이상 잘 커버 유리를 밀어 넣습니다.
    참고 : SCOR에 잘 작동 glasscutter 다이아몬드 팁크기에 전자 및 균열 커버 유리.
  3. 현미경 단계로 완성 된 적층 마이크로 디바이스 보안 장치에 연결되는 두 개의 구리 함수 발생기의 전극 와이어를 연결합니다. AxioVision의 (혈구 소프트웨어)에서 다차원 획득 모드에서 카메라 녹화를 시작하는 버튼을 클릭합니다. 적용된 전기장이없는 응답을 문서화하는 CCD 카메라 녹화를 시작한 후 고정 기간에 함수 발생기 신호를 시작합니다.
    참고 : 다음은 100 Hz에서 15 V 피크 투 피크 신호 MHz의 주파수 (10)에 적용하고, 실험을 2 초 동안 유리 슬라이드 표면 위의 1 내지 200에 10 배 배율로 관찰되었다 필드없이 필드 ~ 5 분을 적용. 이미지는 디지털 방식으로 추가 분석을 위해 초 (FPS) 당 1 ~ 5 프레임으로 저장되었습니다.
  4. 실험 종료 후, 장치를 제거하고 클램프를 해체. 세제를 탄 물을 유리 슬라이드 및 장치 모두를 체험 한 후 잘 헹구어. 30 시간에 대한 재사용 장치일관된 성능의.

6. 데이터 분석 및 이미지 처리

  1. 같은 ImageJ에이 바람직 소프트웨어와 이미지 데이터를 분석합니다. 주어진 시간 단계에서 연속적인 이미지 사이의 입자 변위에서 속도를 계산합니다.
  2. 추세를 컴파일 이론 (29) 비교하는 속도에 따라 실험 DEP 힘과 필드 강도를 계산한다.
  3. 방사상 전계 구배의 형상과 부합하는 마이크로 웰 형상의 측정 입자 속도. 마이크로 아니라 가장자리에서 중심으로, 7 지역에서 발생 8 동심 등전점 윤곽 (350, 300, ... 50, 0 μM)를 식별합니다.
    참고 : 50 ㎛ 거리가 속도를 계산하는 데 사용 된 통과하는 입자의 시간을. 기하학적 인 변형을 필요하게되면, 등전위 등고선 약간 조정 하였다.

Representative Results

6 μm의 폴리스티렌 구슬 유전 실험은 0.38 mm 3 원통형 마이크로 잘 수행했다. 결과는 3 차원 그래 핀 종이 기반의 장치가 3 차원 금속 호일 적층 장치 20, 21, 전통적인 2D 금속 전극 (26, 27)와 유사한 유전 서명을 설명하고, 제 2 절연체 장치 (25) 수 적층 것을 보여줍니다. 다음 실험에서, 15 V 피크 - 피크 AC 신호를 적용하고, 주파수는 100 Hz에서 30 MHz의 10에서 변화시켰다. 질적 DEP 결과는 현장 적용 (첫 번째 열)까지의 시간 0에서 그림 3과 같이되어 전기 분야의 5 분 (두 번째 열) 후. 제공된 전계가 존재하지 않는 경우, 중력을 통해 장치 하부 (도 3ab).도 3c에 서서히 침전 입자 및 전형적인 pDEP 같이, 1 kHz에서 발생 입증 거라고마이크로 아니라 가장자리를 향해 수집 입자에 의해 지적했다. 3E 그림과 센터에있는 입자의 초점으로 표시된 바와 같이 F, 10 MHz에서 NDEP을 보여줍니다.

그림 4a는 100 Hz에서 10 MHz의 주파수 범위에서 0.0001 S / M 및 1.3 S / m 사이의 전도도에 대한 실험 DEP 응답을 보여줍니다. 네거티브 DEP (NDEP) 또는 양수 DEP (pDEP)는 전형적 마이크로 웰의 중심 또는 가장자리쪽으로 이동 비즈의 관찰에 의해 결정되었다. 그러나, 이것은도 4a에 오픈 기호로 나타낸 바와 같이 도전 주파수 공간에서 두 영역에서 DEP 동작과 동시에 일어난 마이크로 웰의 가장자리 근처 흐름 (20 내지 50 μm의 직경)을 재순환에 의해 복잡하게된다. 다른 분류는 높은 전도성과 높은 주파수에서 관찰하면서 재순환 흐름의 한 유형은 테스트 한 모든 도전성의 10 kHz의 아래 ~ 관찰되었다. 재순환 흐름은 NDEP 또는 pDEP 구슬 경구 변경다양한 각도로 이온. 이러한 동시의 힘은도 4a의 파라미터 공간에 도시된다.

유전 영동 속도는 마이크로 웰 내에 동심 카운터 (도 5a)를 사용하여 반경 방향 위치의 함수로서 표로된다. 위치와 속도의 동향도 5c에 표시됩니다. 예상 한 바와 같이, 최고 속도는 높은 전계 밀도 (도 5b)과 영역에 대응하는 마이크로 웰 에지 부근에 관측된다. 입자는 1 분 촬영시 초점면의 안팎으로 수직으로 이동합니다. 그러나,이 수직 속도의 크기는 것으로 추정 따라서 측정 5 ~ 100 μm의 / 초 동심 속도에 비해 무시할 수있다. 평면 속도는 5 μm의 / 초에서 ≈ 1.07 × 10 -16 m의 전기장 밀도 영역에 대한 4 / (V ⋅ 초)의 DEP 이동도에 해당하는 36 μm의 / 초, 범위의 5 × 4 V / m V / m 5 10 × 3의. 속도는 3 차원 시스템 (31), (32), 제 2 전극 시스템 (33)에보고 된 것과 일치하고, DC 절연체 DEP 시스템 (34).

그림 1
적층 장치에 대한 그림 1. 제조 공정. ) 대안 B)를 눌러 레이어 함께. 인접 그라 핀 층 사이의 연결을 방지하기 위해 그래 핀 종이의 6 층과 양면 테이프의 5 층 스택과 빨간색 함께 여분의 양면 테이프를 잘라 점선. c)에 마이크로 잘 드릴 도 2a와 b. D에서와 같이 마이크로 밀링을 통해 센터) 준수하십시오 두 개의 구리는은 에폭시로 A와 B면을 측면에 이르게한다. 전자) 최종 제조 장치.


그림 2.) 컴퓨터 제어 마이크로 드릴링 머신. B)를 적층 구조를 클램프와 무대에 고정된다. 압축 공기는 엔드 밀. C) 마이크로 디바이스의 실험 데이터 수집을위한 현미경, CCD 카메라, 함수 발생기와 컴퓨터. D) 마이크로 디바이스의 확대보기가 현미경 단계에 유리 슬라이드에 고정으로 실시하고 떨어져 파편을 날려하는 데 사용됩니다 . 함수 발생기로부터 AC 전기 신호는 구리 리드를 통해 디바이스에인가된다.

그림 3
그림 3. 3D 내에서 일반적인 유전 응답은 마이크로 디바이스를 적층. 15 V 피크 투 피크가 1.3 × 10의 중간 전도도와 적용-4 S / m. 첫 번째 열은 실험에서 입자가 떨어져 전계하는 시작 도시 한 두 번째 열은 5 분 후에 AB)는 마이크로 웰 저부에 침전 입자 응답을 도시 한 도면 CD) 1 kHz에서, 입자가 미세 아니라 가장자리 근처에 모였다. 10 MHz에서 pDEP. EF)를 나타내는 입자는 NDEP을 나타내는 마이크로 웰 센터에 초점을 맞추었다.

그림 4
PBS의 전도도의 함수 (0.0001-1.3 S / M) 및 주파수 (100 Hz에서 10 메가 헤르츠)로 6.08 μm의 폴리스티렌 구슬의 그림 4.) 실험 DEP 동작은 만니톨 솔루션을 수정합니다. 작은 순환과 낮은 주파수 (<1 kHz에서) 모든 테스트 매체 전도도뿐만 아니라, 높은 주파수와 높은 매체 전도도에 대한 마이크로 아니라 가장자리 주변의 DEP 동작이 동시에 관찰되었다. 열기 기호 부정적인 DEP 및 재순환 긍정적 인 DEP를 나타내는 동안 고체 상징 재순환없이 NDEP를 나타냅니다. ~ 100 Hz 이하, 전기 거품이 관찰되었고, Δ. B로 표시됩니다) 0.0001 S / M S / M 1.3에서 크로스 오버 주파수를 예측했다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 5
그림 5.) 15 V 피크 투 피크, 1MHz의 필드에 NDEP가 발생 폴리스티렌 구슬의 이미지. 그들은 마이크로 웰을 통과으로 동심원은 입자의 이동을 추적. 전계 구배 b) COMSOL 시뮬레이션 (V / m2) 내 반경 위치의 함수로 구슬의 클러스터 마이크로 아니라. C) 유전 속도의 단면의 마이크로 아니라. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

Discussion

이 원고는 소설 6 그라 핀 층과 5 테이프 층의 마이크로 디바이스를 제조하기위한 프로토콜을 자세히 설명합니다. 또한, 장치의 동작은 독특한 기하학적 관련 입자 속도 분석 방법과 함께 6.08 μm의 폴리스티렌 비즈 관찰 DEP 행동을 통해 설명된다. 동등하게 신뢰할 수있는 결과를 산출하면서 비선형 동 전기 장치를 구성하는 이러한 다양한 접근 방식은 전극과 유체 층의 미세 가공 기술보다 비용이 많이 든다.

또한,이 새로운 3D 그래 핀 종이 마이크로 디바이스는 모두 이론적으로 예측 된 행동에 동의 유전 실험 결과를 굴복 이전에 실험 결과 35를보고했다. 최대 10 MHz와 미디어 전도도에 1에서 100 Hz에서의 신호 주파수에 대한 × 10 -4 S / M 1.3 S / m로, 실험 pDEP이 관찰 된 아래와 NDEP이 관찰 된 위의 크로스 오버 주파수의 존재를 확인했습니다. 예상 한 바와 같이,NDEP는도 4a에 도시 된 바와 같이 도전 주파수 공간의 대부분에 걸쳐 관찰 하였다. 이론은 6.08 μm의 균일 한 폴리스티렌 비즈 (ε ρ = 2.55, σ ρ = 1.3 × 10 -3 S / M 36) 크로스 오버 주파수를 예측하는 경우 σ의 Mρ = 1.3 × 10-3 S / m. 나머지 매개 변수 공간에 1에서 X 10 -4 S / M는 S / M, ≈ 1 kHz에서의 순서에 크로스 오버 주파수 (F 공동이 약 1.3 × 10 -3 관찰하기는. 예를 들어, F 공동 1 kHz로했다 이전 1.0에서 실험 결과를보고하면서 3.9 × 10 -4 S / M 매체 × 10 -3는 S / M이 값이 168 kHz에서 37 ~ 39이었다 예측 공동 = 5 kHz에서 35 F 및 모델 기반으로했다.이 세 가지 결과는 중간 공동으로 변경하는 크로스 오버 주파수의 감도 주어진 거친 계약으로 간주특정 영역 (40)뿐만 아니라 다른 배합 전하 유도 인자 및 장비 바리에이션 nductivity. 미디어 전도도 변화가 경미 1 × 104 S / m -3 S / m 10 × 1.3로부터, 대응하는 크로스 오버 주파수는이 수십 배 이상의 감소로서,도 4b에 도시 된 바와 같이. 상기 지정된 고정 파라미터와 모델의 크로스 오버 주파수로 168 kHz로를 사용하여, 하나는 입자 전도성 해결하고 S / 1.3 × 10-3 S의 실제 값과 비교 m는 1.00 X 10-3로 찾을 수 / M (23 % 차이).

재순환 두 종류의 관측 도전 주파수 공간에서 흐른다 관찰 각각 낮은 및 높은 주파수 영역에서의 AC 전기 삼투 및 전열 흐름에 기인 하였다. 낮은 주파수에 대한 모든 테스트 매체 전도도, 지방 입자의 순환 속도에서 (<10 ㎑의 주파수) 주파수로 증가중간 전도도에 의한 약간의 변동이 감소 하였다. 전도성 주파수 조건과 순환 롤 (20 ~ 50 μm의)의 크기는 모두 이전의 AC 전기 흐름 연구 41-43에 동의합니다. 상대적으로 높은 주파수 상대적으로 높은 전도성 매체에서 (> 100 kHz에서) (> 0.01 S / M)의 경우, NDEP는 재순환에 의해 압도되기 시작한다. 중간 전도성 증가로 재순환 입자 속도는 증가하고 주파수는 증가 하였다. 다시, 도전 주파수 조건으로 순환과 크기 모두가 이전 연구 결과와 일치 44-47.

3D DEP에서, 입자는 또한 마이크로 아니라 여러 수직 위치에 인접 그래 핀 종이의 층 사이의 입자를 밀어 유전의 힘을 경험한다. 빛이 초점을 맞춘 DEP 입자 이상 관심의 평면 아래에 의해 산란되기 때문에 이것의 광학 현미경 관찰은 부분적으로 손상된다. 때문에 시간, MOR에 중력 침전에E 입자 (48) (데이터는 미도시)의 최상위 DEP 포커싱 평면보다 아래쪽 DEP 초점 평면 근처에 관찰되었다.

장치 제조는 매우 다양한입니다 제공하는 프로토콜을 쉽게 층 이상 또는 다른 물질과 장치에 적용 할 수 있습니다. 대안 절연 층 재료로서, 폴리 디메틸 실록산 (PDMS) 박막 제어와 상당히 균일 한 두께로 스핀 코팅 될 수있다. PDMS는 물론 전기 및 표면 화학 특성을 특징으로하지만, 같은 깨지기 쉬운 얇은 필름을 처리하는 것은 귀찮았습니다. 양면 테이프는보다 균일 한 두께를 가지며,보다 나은 층간 밀봉으로 쉽게 처리 할 수​​ 있었고, 따라서 최적의 기능 소자의 높은 성공률을 수득 하였다. XG 과학 그라 핀 용지 (잎 B-072)를 전극 재료로도 작용하고 맞춤형 제조는 다양한 전기적, 기계적 특성을 제공했다. 높은 nanoplatelet 농도는 종이 저항 (24)과 polym 감소셀룰로오스 지지체 수분 확산 (데이터는 도시하지 않음)을 허용하면서 에릭 방지 수분 흡착을 지원한다.

장치의 기능과 합병증은 잘 표면에서 증가 저항, 깨진 전기 연결, 전기 거품, 샘플로드하는 동안 거품 소개하고, 기울어 잘 형상을 포함 할 수 있습니다. 절차 단계 1.5 절연 시험 전에 장치의 무결성을 평가하기 위해 각 실험에 사용되어야한다. 마이크로 웰에 노출 활용 XG 그래 핀 종이 표면은 후 ~ 30 실험을 착용했다. 일관성 DEP 결과는 쉽게 적용 가능성에 마이크로 잘 또는 전혀 응답을 통해 이상한 세계의 흐름을 통해 인정했다. 부드럽게 처리하지 않을 경우 장치의 측면 및 사이드 B (그림 1C) 그래 핀 층이 중단 될 수 있습니다. 이러한 경우, 여분의 장치가 필요하다. 100 Hz에서 이하의 주파수에서는, 3D 그라 전극 O 2와 H 2 버블을 생산하기 위해 물의 전기 분해 촉매. 일주파수 임계 값은 입자 또는 생물 세포가 심문 할 수있는 조작 공간을 확장 전통적인 2D 미세 전극 (49)이 그룹의 이전의 결과보다 더 낮은 크기의이 순서이다. 샘플 주사기에서 공기 방울로 인해 전기장 형상 및 광학 간섭을 피해야한다. 마지막으로, 완벽하게 수직 마이크로 우물 시추 일관된 광 조명과 DEP 행동의 관찰에 매우 중요합니다. 마이크로 웰 기울임 라미네이트 층의 수가 증가함에 따라 관리하는 것이 더 어려워진다. 대부분의 공 촛점 가벼운 현미경은 1mm 이하 작동 거리, 그래서 DEP 행동은 쉽게 위의 두께로 관찰 할 수 없습니다. 그러나, 3 차원을 증가시키는 대규모 DEP 처리에 유리하다.

간단 적층 그라 핀 종이 / 테이프 구조는 배치 식 3D DEP의 마이크로 디바이스로 증명되었다. 미래의 응용 프로그램, 입자 또는 기원LL 현탁액을 연속적으로 50 선별 높은 처리량을 달성하기 위해 DEP 장치를 통해 흐를 수있다. 희귀 세포를 분리하고 식별하는 많은 양의 정렬을 필요로 특정 생물 의학 응용 프로그램은 종양 세포의 51 패혈증 (52) 순환의 검출이 (가) 있습니다. 또, 흡수성 그라 종이 동시에 입자 / 세포 농축기 전극과 확산 매체로서 기능 할. 마지막으로, 그래 핀 논문은 가능한 바이오 센서 (24)로 증명되었다. 여기에 설명 된 장치는 그래 핀 표면에서 동시 DEP 농도 및 생체 검지에 사용할 수있다. 따라서, 다른 그래 핀 용지 종류는 동 전기학 및 / 또는 바이오 센서를 채용 높은 처리량 마이크로 유체 시스템에 유용 전극 할 수있다.

Disclosures

저자는 공개 할 충돌이 없습니다.

Acknowledgments

그라 펜 종이의 관대 한 기부에 대한 XG 과학에 감사합니다. 관대 우리가 마이크로 드릴링 장비를 사용시키는 박사 C. 프리드리히에게 감사합니다. 특별 감사는 비디오를 해설에 Tayloria 아담스로 확장된다.

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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3D 그래 핀 전극 유전 영동 장치의 개발
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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).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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