Waiting
Login processing...

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

Engineering

Utvikling av en 3D Graphene 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

En microdevice med høy gjennomstrømning potensial anvendes for å demonstrere tre-dimensjonale (3D) dielectrophoresis (DEP) med nye materialer. Graphene nanoplatelet papir og dobbeltsidig tape ble vekselvis stablet; en 700 mikrometer mikro-brønn ble boret på tvers av lagene. DEP oppførsel av polystyren-perler ble vist i mikro-brønn.

Abstract

Design og fabrikasjon av en roman 3D elektrode microdevice bruker 50 mikrometer tykt graphene papir og 100 mikrometer dobbeltsidig tape er beskrevet. Protokollen beskriver prosedyrer for å konstruere en allsidig, gjenbrukbare, flere lag, laminert dielectrophoresis kammer. Nærmere bestemt, ble seks lag 50 mikrometer x 0,7 cm x 2 cm graphene papir og fem lag med dobbeltsidig tape vekselvis stablet sammen, deretter festet til et glass lysbilde. Så en 700 mikrometer diameter mikro-brønnen ble boret gjennom laminert struktur ved hjelp av en datastyrt mikro boring maskin. Isolerende egenskaper av båndlaget mellom tilstøtende graphene lag ble sikret ved motstandstester. Silver ledende epoxy koblet alternative lag av graphene papir og dannet stabile forbindelser mellom graphene papir og eksterne kobbertråd elektroder. Den ferdige enheten ble deretter festet og forseglet til en glass-slide. Den elektriske feltet gradient ble modellert innenfor tHan flerlags enhet. Dielectrophoretic atferd av 6 mikrometer isopor perler ble demonstrert i en mm dypt mikro-Vel, med middels ledningsevne i området fra 0,0001 S / m til 1,3 S / m, og anvendt signalfrekvenser fra 100 Hz til 10 MHz. Negative dielectrophoretic responser ble observert i tre dimensjoner over det meste av den ledningsevne-frekvensplass og cross-over frekvensverdier er i overensstemmelse med tidligere rapporterte litteraturverdier. Enheten har ikke hindre AC electroosmosis og elektrostrømmer, som skjedde i lav og høy frekvens regioner, henholdsvis. Graphene papir benyttes i denne enheten er allsidig og kan deretter fungere som en biosensor etter dielectrophoretic characterizations er fullført.

Introduction

Graphene er en roman materiale som er kjent for sin høye kvalitet elektroniske egenskaper og potensielle kjemiske og biosensor applikasjoner en. Graphene nanoplatelets har blitt brukt for katalysator støtte 2, 3, biosensorer 4, super-kondensatorer fem, og kompositt-elektroder inkludert graphene / polyaniline og silisium nanopartikkel / graphene kompositter 6-8. Denne manuskriptet beskriver utnyttelse av graphene papir som elektroder i en unik tredimensjonal (3D), lagdelte mikrofluidenhet. Graphene papir elektroder ble laminert med isolerende dobbeltsidig tape og et kammer boret innen hvilke 3D AC dielectrophoresis av isopor perler ble utført.

Dielectrophoresis (DEP) refererer til bevegelse av polariser partikler under ikke-uniform elektriske felt. Positive DEP (pDEP) eller negativ DEP (NDEP) oppstår når partiklene er mer eller mindre polariserbar enn det omgivende medium, resulting i bevegelse mot den sterkeste og svakeste elektriske felt, henholdsvis. Denne ikke-lineære elektrokine verktøyet har blitt brukt for separasjon, sortering, fangst, og identifisering av partikler og biologiske celler 9-15. Den dielectrophoretic kraft som oppleves av en polarisert partikkel er en funksjon av det elektriske felt gradient, partikkelradius og form, partikkel dielektriske egenskaper, inkludert konduktivitet og permittivitet, så vel som medie konduktivitet og permittivitet. I tradisjonell to-dimensjonale (2D) DEP, er partikkelbevegelsen i det primære planet av det elektriske felt gradient typisk dannet mellom microfabricated overflateelektrodene; bevegelse i vertikalretningen er neglisjerbar i forhold til in-plane retninger i de fleste enheter. Men å utnytte denne tredje dimensjonen av elektriske felt gradienter for 3D DEP tillater høyere prøvekapasitet og øker allsidigheten til å utforme nye og forbedrede dielectrophoretic separasjoner der strømmen er traveRSE til feltet bakker 16, 17. Andre spesifikke design inkluderer 3D isolator basert DEP 18, 3D karbon-elektrode DEP 13, 19, og 3D galvanisering DEP 10. Som dokumentert av forskning på 3D-strukturer, kan slike enheter brukes i kontinuerlig flyt-modus for å oppnå høyere hastigheter. Observasjon av 3D partikkelbevegelse i vårt lagdelte 3D-enhet oppnås som en funksjon av frekvens og middels ledningsevne via lysmikroskopi ved forskjellige brenn høyder.

Fatoyinbo et al. Først rapportert DEP i en 3D laminert elektrode / isolasjon struktur ved hjelp av alternativt stablet 30 mikrometer aluminiumsfolie og 150 mikrometer epoksyresinprodukter filmer 20. Hubner et al. Deretter utviklet lignende 3D ​​laminerte elektroder med 35 mikrometer kobber tape og 118 mikrometer polyimid limet 21. Dette arbeidet låner 3D-brønndesign 22, 23, Og unikt utnytter fordelene med 50 mikrometer graphene papir som de ledende lagene og 100 mikrometer dobbeltsidig tape som isolerende lag, som oppnådde tetting og tilstrekkelig elektrisk skjerming. Graphene papir allsidighet er en klar fordel for 3D-elektrode Microdevices fordi graphene nanoplatelets har muligheten til å samtidig opptre som biosensorer, som denne gruppen tidligere demonstrert 24.

Felt gradienter oppnådd innenfor graphene papir / polymer laminert 3D Microdevices avhenge av mikrobrønn dimensjoner, graphene papir lag, og anvendt elektriske feltet. Kritiske dimensjoner er den vertikale avstand mellom elektroden (ledende og isolerende lag-tykkelsene) og mikro-brønn diameter og høyde (bestemt av lagene stablet). Det elektriske signalet kan være innstilt via amplitude og frekvens. Den aktuelle enhetsstruktur er for satsvis drift, men kan tilpasses til en kontinuerlig strømningsenhet. Enheten fabfabrikasjonstjenester teknikk som er beskrevet her er egnet til utvikling av 3D laminert elektroder med et bredt utvalg av graphene nanoplatelet egenskaper ganske enkelt ved å skifte ut graphene papir anvendes. Fordeler av å utnytte graphene papir er allsidigheten av fysiske og kjemiske egenskaper, redusert utgift, og graphene nanoplatelets kan samtidig fungere som biosensorer til å oppdage et bredt spekter av bioanalytes 24. Langsiktige mål av høy gjennomstrømming 3D DEP systemer er å raskt identifisere celletyper 25-27, eller oppnå label-fri, elektrisk mediert celle sortering av syke celler fra populasjoner av friske celler 28. Dette papiret demonstrerer materialet optimalisering og forberedelse enhet og drift fulgt av illustrasjon og analyse av typiske resultater.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

En. Lag en laminert elektrode / isolasjon 3D Structure

  1. For en 6 graphene lag, 5 tape lag enhet, skjære graphene papir med en skalpell eller lignende barberblad og rettkantet hersker i seks 0,7 cm x 1,5 cm rektangler og bruke saks til å klippe tosidige trykkfølsom tape i fem 1,3 cm x ~ 5 cm striper.
    MERK: Som vist i figur 1a, og dette gir da en 3 jordelektroden, 3 AC signal elektrode-enheten. Den 7 mm ledende laget bredden er smal nok til å passe inn i en glass-slide, og bred nok for lett boring. Den 2 mm lengde ikke lett brekke ved gjentatt bruk og har tilstrekkelig plass til å feste kobbertråder. Dybden enheten er begrenset av ende møllen dybder.
  2. Lå det første laget av graphene papir på et rent glass lysbilde. Sakte dekke en ende av graphene papir med en stripe av tape, og etterlater en ~ 2 mm margin for å sikre isolasjon mellom to tilstøtende graphene papirlagene (Figur 1b
  3. Plasser det andre laget av graphene papir på toppen av båndet offset til det første laget av graphene papir (Figur 1a). Påfør moderat trykk (trykk jevnt med tommelen, ~ 100 N over 0.7 cm 2 område) etter tilsetning av hver ledende laget for å sikre god tetning mellom lagene.
  4. Gjenta trinn 1,2 og 1,3 for de resterende lagene, forlater både topp-og bunnlagene graphene papir. Skjær langs den stiplede linjen er vist i Figur 1b for å fjerne overflødig tape fra enheten kanter forlater en liten ~ 1 mm margin for å sikre forseglet isolasjon mellom graphene papir lag (Figur 1b).
    MERK: Dobbeltsidig tape er ikke benyttet de øverste og nederste lag for å unngå å samle rusk som denne laminert struktur er boret, montert på et lysbilde, og fylt med prøven.
  5. Utfør en rask isolasjonstesten med et multimeter (motstand modus). Plasser de positive og negative sonder på to forskjellige sider av the anordning (A og B på figur 1c); høy motstand (kilo-til mega-ohm) indikerer god isolasjon mellom lagene. Fjern den lagdelte strukturen fra glass-slide å forberede for mikro-brønnboring.
    MERK: En enhet vanligvis mislykkes isolasjonstesten når tilstøtende graphene papirlagene tar kontakt i løpet av trinn 1,2 gjennom 1.4. Kast slike enheter.

2. Bor Micro-brønn i laminert struktur

  1. Bruk en datastyrt mekanisk mikro-Fres og velge en slutt mill med en 700 mikrometer i diameter og 2,1 mm snittlengde. Immobilisere den laminerte strukturen på mikro-maletrinnet ved hjelp av egnede braketter (figur 2a og b). Kjør Fres spindelen ved 8600 rpm, og deretter senke enden mølle langsomt inn i og gjennom sentrum av den laminerte struktur. Beveg roterende ende møllen opp og ned gjennom den mikro-brønn for å jevne ut innerveggen.
    1. Velg mikro-brønndiametre, som er begrenset av tilgjengelig slutten mill diameter / lengde kutt størrelsesforhold. Sikre at den indre overflate av mikro-brønn blir så vertikalt og rent som mulig for optimal elektrisk felt gradienter og lette passasjen gjennom mikro-brønn.
  2. Fjern rusk fra mikro-godt med trykkluft. Utfør en annen isolasjonstesten som beskrevet i 1.5.

Tre. Fest Elektriske ledninger til Laminert Struktur

  1. Brett to 3 cm lange 32 G kobber ledninger til en rett vinkel på 2 cm. Bland ~ 1,5 ml av en del A og B av sølv ledende epoxy.
    MERK: Ligning 1
  2. Anvende manuelt blandede sølv epoxy til toppen og spissen av alle tre graphene papirlagene for å sikre god kontakt mellom lagene på side A av den laminerte strukturen (figur 1c), og deretter plassere en cm kobbertråd ende i harpiksen, og mellom hvilke som helst to lag. Softly kvadratueeze sjiktene for å fjerne overskudd av epoxy og sikre god elektrisk kontakt. Gjenta for side B av den laminerte struktur.
  3. Plasser hele enheten i ovnen rack, tørke over natten 70 ° og 1 atm.

4. Forbered Utvalg og Media

  1. Forbered isotonisk materiale av et spekter av konduktivitet ved å bruke konduktivitetsmåler, 290 mM mannitol stamløsning og serie tilsetninger av isotonisk fosfatbuffer saltvannsoppløsning (PBS).
    MERK: En lineær korrelasjon mellom ledningsevne og volumkonsentrasjon på ~ 290 mOsm / L PBS (ledende) i ~ 290 mOsm / L mannitol-løsning (ikke-ledende). Video har et medium på 0,01 S / m ledningsevne.
  2. Bland isopor perler med preparerte ledningsevne medier eller e-rent vann (~ 5 x 10 -6 S / m) til en 1:50 vol: vol forholdet. Denne protokollen er lett tilpasses til biologiske celler også.

5. Setup Eksperimenter og drive Device

  1. Klem enheten onto et glass lysbilde med moderat trykk (figur 2d) bruker modifiserte papirklemmer eller tilsvarende. De len bør være nær nok til mikro-brønn for å forsegle den laminerte struktur til en glass-slide hindrer prøve lekkasje. Klemmen bør passe innenfor den objektbord med trykk optimalisert til a) å forhindre deformasjon av den laminerte strukturen, og b) at mikrobrønnfluid ikke lekker. Deformasjoner endrer vel geometri og lysbanen redusere eksperiment reproduserbarhet.
  2. Ved hjelp av en mikrosprøyte eller tilsvarende, langsomt injisere ~ 1 pl av prøven inn i mikro-brønn og unngå å innføre noen bobler. Gjenta injeksjon hvis nødvendig, og vær forsiktig for å ikke skade mikrobrønnveggene med skarp nål. Noe overfylle mikro-brønn og umiddelbart skyver dekkglass over mikro-brønn for å fjerne overskudd av væske, forhindre fordamping, for å sikre reproduserbare volumer for hvert eksperiment.
    MERK: En diamant spissen glasscutter fungerer godt for å score og sprekk cover glass til størrelse.
  3. Fest ferdig laminert microdevice til mikroskopet scenen og fest funktionsgenerator elektrode ledninger til to kopper fører på enheten. I AxioVision (Zeiss-programvaren), klikk knappen for å starte kameraet opptak i flerdimensjonale oppkjøpsmodus. Start funksjonen generator signal til en fast tidsperiode etter oppstart av CCD-kamera-opptak for å dokumentere tiltak med og uten elektrisk felt påføres.
    MERK: Her 100 Hz til 10 MHz frekvens med et 15 V peak-peak-signalet ble anvendt og eksperimenter ble observert ved 10x forstørrelse på 1 til 200 over glass glideflate for 2 sek uten felt og ~ 5 min med felt påføres. Bilder ble digitalt lagret på 1 til 5 bilder per sekund (fps) for videre analyse.
  4. Ved forsøket er ferdig, fjerner du enheten og demontere klemmer. Fordyp både glass-slide og enhet i såpevann, skyll godt. Gjenbruk enheter ca 30 gangs med konsistent ytelse.

6. Dataanalyse og bildebehandling

  1. Analyser bildedata med foretrukne programvare, som for eksempel ImageJ. Beregn hastighet av partikkelforflytningen mellom etterfølgende bilder ved et gitt tidstrinn.
  2. Beregn eksperimentell DEP kraft og feltstyrke basert på hastighet å kompilere trender og sammenligne med teori 29.
  3. Målt partikkelhastighet radialt i det mikro-brønn geometri i samsvar med formen av det elektriske felt-gradient. Fra mikro-vel kant til sentrum, identifisere åtte konsentriske isoelektriske konturer (350, 300, ... 50, 0 mm), noe som resulterer i syv regioner.
    MERK: Tiden for partikler å traversere 50 mikrometer avstand ble brukt til å beregne hastighet. Når geometriske variasjoner nødvendig det, ble isoelectric konturene justeres litt.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Dielectrophoretic eksperimenter på 6 mikrometer polystyren perler ble gjennomført i en 0,38 mm 3 sylindrisk mikro-brønnen. Resultatene viser at en 3D laminert graphene papirbasert enhet kan illustrere lignende dielectrophoretic signaturer som 3D metallfolie laminert enheter 20, 21, tradisjonelle 2D metall-elektroden 26, 27 og 2D isolator-enheter 25.. I de følgende eksperimenter, var en 15 V spiss-peak vekselstrømsignalet tilført, og frekvensen ble variert fra 100 Hz til 10 MHz 30.. Kvalitative DEP Resultatene er vist i figur 3 på tidspunktet 0 før feltanvendelse (første kolonne) og etter 5 min (andre kolonne) på det elektriske feltet. Når ingen elektriske felt var tilstede, partikler langsomt sediment til enhetens bunn via tyngdekraften (figurene 3a og b). Figur 3c og d viser typiske pDEP resultater ved 1 kHz, somindikert av partikler som samles mot mikro-brønn kanter. Figur 3e og f illustrerer NDEP på 10 MHz, som vist ved fokusering av partikler i sentrum.

Fig. 4a illustrerer den eksperimentelle DEP respons for konduktivitet mellom 0,0001 S / m og 1,3 S / m over et frekvensområde fra 100 Hz til 10 MHz. Negativ DEP (NDEP) eller positive DEP (pDEP) ble vanligvis bestemt av observasjon av perler som beveger seg mot midten eller kantene av mikro-brønnen. Dette er imidlertid komplisert ved å resirkulere strømmer (20-50 mikrometer diameter) nær kantene av mikro-vel som skjedde samtidig med DEP oppførsel ved to regioner i ledningsevne-frekvensen, som vist ved åpne symboler i figur 4a. En type av resirkulerende strømning ble observert under ~ 10 kHz til alle ledningsevner som ble testet, mens den andre typen ble observert ved høy ledningsevne og høy frekvens. De resirkuleringsstrømmer endre NDEP eller pDEP perle motioner i varierende grad. Disse samtidige kreftene, er illustrert i parameterområder som i figur 4a.

Dielectrophoretic hastigheter er ordnet som en funksjon av radiell posisjon ved hjelp av konsentriske tellere (figur 5a) i mikro-brønn. Velocity trender med posisjon er vist i figur 5c. Som ventet, blir de høyeste hastighetene observert ved mikro-brønn kant, som svarer til området med den høyeste elektriske felttetthet (figur 5b). Partikler bevege seg vertikalt inn og ut av midtplanet under en 1 min opptak. Imidlertid er denne vertikale størrelsen på hastigheten beregnet til og er derfor neglisjerbart sammenlignet med 5 ~ 100 pm / sek konsentrisk hastighet måles. In-plane hastighetene variere fra 5 mikrometer / sek til 36 mikrometer / sec, noe som samsvarer med DEP mobilitet av ≈ 1,07 x 10 -16 m 4 / (V ⋅ sek) over den elektriske felttetthet regions av 5 x 10 4 V / m til 3 x 10 5 V / m. Hastigheter er konsistent med det som er rapportert i 3D-systemer 31, 32, 2D elektrodesystem 33 og DC isolator DEP systemer 34.

Figur 1
Figur 1. Fabrication prosess for den laminerte enhet. a) Alternativt stable seks lag av graphene papir og 5 lag med dobbeltsidig tape for å unngå forbindelse mellom tilstøtende graphene lag. b) Trykk lagene sammen og kutte overflødig dobbeltsidig tape langs den røde stiplede linjen. c) Bor et mikro-brønn i senteret via mikro-fresing som vist i figurene 2a og b. d) Over to kobber fører til side A og side B med sølv epoxy. e) Endelig fremstille enheten.


Figur 2. A) Datastyrt mikro-boring maskin. B) Laminert struktur er immobilisert på scenen med klemmer. Trykkluft brukes til å blåse ren slutten møllen. C) microdevice forsøk er utført med et mikroskop, CCD-kamera, funksjon generator og datamaskin for datainnsamling. D) nærbilde visning av microdevice i klem på et glass lysbilde på mikroskopet scenen . AC elektrisk signal fra funksjonsgeneratoren tilføres enheten gjennom kobberledningene.

Figur 3
Figur 3. Typiske dielectrophoresis svar innen 3D laminert microdevice. Et 15 V peak-peak ble påført med en middels ledningsevne på 1,3 x 10-4 S / m. Den første kolonne viser partiklene ved forsøket starter med det elektriske feltet av, og den andre kolonnen viser responsen etter 5 min ab) sedimentpartikler til mikro-brønnbunn,. Cd) ved 1 kHz, partikler samlet i nærheten av mikro-brønn kant , noe som indikerer pDEP. ef) Ved 10 MHz, partikler fokusert til mikro-brønn-senteret, som indikerer NDEP.

Figur 4
Fig. 4. A) Eksperimentell DEP oppførselen til 6,08 mikrometer polystyrenkuler som en funksjon av konduktivitet (0,0001 til 1,3 S / m) og frekvens (100 Hz, 10 MHz) i PBS justert mannitol-løsning. Små recirculations ble observert samtidig med DEP oppførsel nær mikrobrønn kanter for lave frekvenser (<1 kHz) og alle som ble testet mellomledningsevner, så vel som ved høye frekvenser og høyere middels ledningsevne. Åpne symboler representere negative DEP og positiv DEP med resirkulering, mens solid symbol representerer NDEP uten resirkulering. Nedenfor ~ 100 Hz, ble elektrolyse bobler observert og er representert ved Δ. B) Forut crossover frekvenser fra 0.0001 S / m til 1,3 S / m. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 5
Figur 5. En) Bilder av isopor perler opplever NDEP i et 15 V peak-peak, 1MHz feltet. Konsentriske ringer spore bevegelsen av partiklene når de går gjennom mikro. B) COMSOL simulering av elektrisk felt-gradient (V / m2) av et tverrsnitt av mikrobrønn. C) Dielectrophoretic hastigheter på klynger av kuler som en funksjon av radial posisjon i mikro-brønn. Trykk her for å vise en større versjon av denne figuren.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Dette manuskriptet detaljer protokoller for å fabrikkere en roman seks graphene lag og 5 tape lag microdevice. Videre er bruken av enheten illustrert via observerte DEP atferd av 6,08 mikrometer isopor perler sammen med en unik, geometrisk relevant partikkelhastighet analyse tilnærming. Denne allsidige metode for å konstruere ikke-lineære elektrokine enheter er mindre kostbart enn elektroden og fluidic sjikt microfabrication teknikker, samtidig som gir like pålitelige resultater.

Videre denne romanen 3D graphene papir microdevice gitt eksperimentelle dielectrophoretic resultater som er enig med både teoretisk spådd atferd og tidligere rapportert eksperimentelle resultater 35. For signalfrekvenser fra 100 Hz opp til 10 MHz og medie konduktivitet fra 1 x 10 -4 S / m til 1,3 S / m, eksperimenter bekreftet at det eksisterer et overgangsfrekvensen, under hvilken pDEP ble observert og over hvilke NDEP ble observert. Som ventetNDEP ble observert over det meste av ledningsevne-frekvensen, som vist i figur 4a. Teori spår at 6,08 mikrometer homogene isopor perler (ε ρ = 2,55, σ ρ = 1,3 x 10 -3 S / m 36) har en delefrekvens når σ m <σ ρ = 1,3 x 10 -3 S / m. I den gjenværende parameter plass fra 1 x 10 -4 S / m til omtrent 1,3 x 10 -3 S / m, crossover-frekvenser (f co i størrelsesorden 1 kHz ≈ ble observert. For eksempel f co var 1 kHz i en 3,9 x 10 -4 S / m middels, mens en tidligere rapportert resultat fra forsøk på 1,0 x 10 -3 S / m ble f co = 5 kHz 35, og modellbasert spådd verdi var 168 kHz 37-39. Disse tre resultatene er betraktet i grov enighet gitt følsomheten av overgangsfrekvensen for å endre i medium conductivity i den spesifikke region 40, så vel som andre compounding charge indusert faktorer og variasjoner i apparatutstyret. Som vist på figur 4b, som media ledningsevne endres noe fra 1 x 10 4 S / m til 1,3 x 10 -3 S / m, tilsvarende krysnings frekvenser reduseres to størrelsesordener eller mer. Ved hjelp av 168 kHz som delefrekvensen i modellen, med parametere fast som angitt ovenfor, kan man løse for partikkel ledningsevne og synes det å være 1,00 x 10 -3 S / m forhold til den virkelige verdien av 1,3 x 10 -3 S / m (23% forskjell).

Observasjoner av to typer resirkulerende renn i ledningsevne-frekvens plass ble observert og henføres til AC electroosmosis og elektrostrømmer i de lave og høye frekvens regioner, henholdsvis. For lave frekvenser (<10 kHz) på alle testede mellom konduktivitet, lokale partikkelresirkulerings hastigheter økt som frekvensredusert med små endringer på grunn av medium ledningsevne. Både ledningsevne-frekvensforhold og størrelsen på den resirkulerende ruller (20-50 mikrometer) er enig med tidligere AC electroosmotic flyt studier 41-43. For relative høye frekvenser (> 100 kHz) ved relativ høy medium konduktivitet (> 0,01 S / m), begynner NDEP å bli overmannet av resirkulasjon. Resirkulerende partikkelhastigheter økt som medium ledningsevne økt og frekvens økt. Igjen, både ledningsevne-frekvensforhold og størrelsen på recirculations enig med tidligere funn 44-47.

I 3D-DEP, partikler også oppleve dielectrophoretic krefter presser partikler mellom tilstøtende graphene papirlagene på flere vertikale posisjoner i mikro-brønnen. Den optiske mikroskop observasjon av dette er delvis svekket fordi lyset spres av fokuserte DEP partikler over og under planet av interesse. På grunn av gravitasjonssedimentering over tid, more partikler ble observert nær bunnen DEP fokus flyene enn i de øverste mest DEP fokus flyene (data ikke vist) 48.

Device fabrikasjon er ekstremt allsidig; protokollene som tilbys kan enkelt tilpasses for enheter med flere lag eller andre materialer. Som et alternativ kan isolasjonslaget materiale, kan polydimetylsiloksan (PDMS) tynne filmer bli spincoated til et kontrollerbart og ganske ensartet tykkelse. PDMS har vel preget elektriske og overflatekjemi egenskaper, men håndtering av slike tynne skjøre filmer var plagsom. Dobbeltsidig tape har mer ensartet tykkelse, var lettere å håndtere med bedre lag-på-lag tetting og dermed gitt høyere suksessrate på optimalt funksjonelle enheter. XG Sciences graphene papir (Leaf B-072) fungerte godt som en elektrode materiale og skreddersydd produksjon tilbudt allsidige elektriske og mekaniske egenskaper. Høyere nanoplatelet konsentrasjoner redusert papir resistivitet 24 og Polymeric støtter forhindret vannadsorpsjon mens cellulosestøtter gir vann diffusjon (data ikke vist).

Komplikasjoner med enheten funksjonalitet kan omfatte økt resistivitet ved brønnoverflaten, brutt elektriske forbindelser, elektrolytisk bobler, boble innføring under prøve lasting, og skjev vel geometri. Isolasjonen test i følge trinn 1,5 bør benyttes før hvert forsøk for å vurdere enhet integritet. Den utnyttet XG graphene papiroverflaten utsettes for mikro gikk av etter ~ 30 eksperimenter. Ujevn DEP resultater ble lett gjenkjennes via uberegnelig global strømning gjennom mikro-brønn eller ingen respons til et påført potensial. Side A og side B (Figur 1c) graphene lag av enheten kan bryte hvis de ikke håndteres forsiktig. I disse tilfellene er erstatningsenheter nødvendig. Ved frekvenser ved eller under 100 Hz, 3D graphene elektroder katalysert vannelektrolyse for å produsere O-2 og H to bobler. Ther frekvensterskelen er to størrelsesordener lavere enn denne gruppens tidligere resultater med tradisjonelle microfabricated 2D elektroder 49, som utvider drifts plass der partikler eller biologiske celler kan bli avhørt. Luftbobler fra prøvesprøyten bør unngås på grunn av elektrisk felt form og optiske forstyrrelser. Til slutt, er helt vertikal mikro-brønnboring kritisk for konsistent optisk belysning og observasjon av DEP atferd. Mikro-vel forvrenger blir vanskeligere å håndtere som antall laminerte lag øker. De fleste confocal og lysmikroskoper har jobbet avstander under 1 mm, så DEP atferd kan ikke være lett observeres på tykkelse over dette. Imidlertid øker den tredje dimensjon vil være fordelaktig for storskala DEP prosessering.

En grei laminert graphene papir / tape struktur er vist som en batch-messig 3D DEP microdevice. I fremtidige søknader, partikkel eller cell suspensjon kunne kontinuerlig strømme gjennom enheten for å oppnå høyere gjennomstrømning DEP sortering 50. Spesifikke biomedisinske applikasjoner som krever sortering av store volumer for å skille og identifisere sjeldne celler omfatte påvisning av sirkulerende tumorceller 51 og sepsis 52. I tillegg kan vann-absorberende graphene papiret samtidig fungere som en elektrode og diffusjon medium for partikkel / celle-konsentratorer. Til slutt, har graphene papir blitt demonstrert som en levedyktig biosensor 24. Anordningen som er beskrevet her kan brukes for samtidig DEP konsentrasjon og biologisk påvisning ved graphene overflate. Dermed kan ulike typer graphene papir være nyttige elektroder i høy gjennomstrømning microfluidic systemer ansette electrokinetics og / eller biosensorer.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Forfatterne har ingen konflikter å avsløre.

Acknowledgments

Takk til XG Sciences for sjenerøse donasjoner av graphene papir. Takket være Dr. C. Friedrich for sjenerøst å la oss bruke mikro-boreutstyr. En spesiell takk er utvidet til Tayloria Adams for fortællende 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

Fysikk graphene papir dielectrophoresis graphene elektroder 3D laminert microdevice isopor perler cellediagnostikk
Utvikling av en 3D Graphene 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