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Engineering

Desarrollo de un dispositivo 3D grafeno Electrodo dielectroforéticas

doi: 10.3791/51696 Published: June 22, 2014

Summary

Un microdispositivo con potencial de alto rendimiento se utiliza para demostrar en tres dimensiones (3D) dielectroforesis (DEP) con nuevos materiales. Papel nanoplatelet grafeno y la cinta de doble cara se apilaban alternativamente; un micro-así 700 micras fue perforado transversal a las capas. DEP comportamiento de perlas de poliestireno se demostró en el micro-así.

Abstract

El diseño y la fabricación de una novela microdispositivo electrodo 3D utilizando 50 micras de espesor de papel de grafeno y 100 micras cinta de doble cara se describe. El protocolo detalla los procedimientos para construir una, reutilizable, de múltiples capas versátil cámara dielectroforesis laminado. Específicamente, seis capas de 50 m x 0,7 cm x 2 cm de papel de grafeno y cinco capas de cinta de doble cara se apilaron alternativamente juntos, a continuación, sujetan a un portaobjetos de vidrio. A continuación, un m de diámetro micro-así 700 fue perforado a través de la estructura laminada usando una máquina de micro perforación controlado por ordenador. Propiedades aislantes de la capa de cinta entre capas de grafeno adyacentes fueron asegurados por las pruebas de resistencia. Plata epoxi conductor conectado capas alternas de papel de grafeno y formó conexiones estables entre el papel de grafeno y los electrodos de alambre de cobre externos. A continuación, el dispositivo acabado se sujeta y se sella a un portaobjetos de vidrio. El gradiente de campo eléctrico fue modelado en tque el dispositivo de múltiples capas. Comportamientos dielectroforéticas de 6 micras perlas de poliestireno se demostraron en los 1 mm de profundidad de micro pocillos, con conductividades medianas que van desde 0,0001 S / m a 1,3 S / m, y se aplican frecuencias de la señal de 100 Hz a 10 MHz. Se observaron respuestas dielectroforéticas negativos en tres dimensiones más de la mayor parte del espacio de la conductividad-frecuencia y de cruce valores de frecuencia son consistentes con valores de la bibliografía se informó anteriormente. El dispositivo no impidió electroósmosis y electrotérmicos flujos de corriente alterna, que se produjeron en las regiones de alta y baja frecuencia, respectivamente. El papel de grafeno utilizado en este dispositivo es muy versátil y, posteriormente, podría funcionar como un biosensor después de caracterizaciones dielectroforéticas son completa.

Introduction

El grafeno es un nuevo material conocido por sus propiedades electrónicas de alta calidad y potenciales químicos y biosensores aplicaciones 1. Nanoplatelets grafeno se han utilizado para soporte del catalizador 2, 3, 4, biosensores super-condensadores 5 y compuestas-electrodos incluidos grafeno / polianilina y compuestos de nanopartículas de silicio / grafeno 6-8. Este manuscrito describe la utilización de papel de grafeno como electrodos en una única tridimensional (3D), dispositivo de microfluidos de capas. Electrodos de papel de grafeno se laminaron con aislante cinta de doble cara y una cámara perforado dentro de la cual se realizó dielectroforesis AC 3D de perlas de poliestireno.

La dielectroforesis (DEP) se refiere al movimiento de partículas polarizables bajo campos eléctricos no uniformes. DEP Positivo (pDEP) o DEP negativo (nDEP) se produce cuando las partículas son más o menos polarizable que el medio circundante, resulting en movimiento hacia el campo eléctrico más fuerte o más débil, respectivamente. Esta herramienta electrocinético no lineal se ha usado para la separación, clasificación, atrapando, y la identificación de partículas y células biológicas 9-15. La fuerza dielectroforética experimentada por una partícula polarizada es una función del gradiente de campo eléctrico, radio de la partícula y la forma, propiedades dieléctricas de partículas incluyendo la conductividad y la permitividad, así como la conductividad medios de comunicación y la permitividad. En tradicional de dos dimensiones (2D) de DEP, el movimiento de partículas está en el plano principal de la gradiente de campo eléctrico típicamente formado entre electrodos de superficie microfabricados; movimiento en la dirección vertical es insignificante en comparación con las direcciones en el plano, en la mayoría de los dispositivos. Sin embargo, el aprovechamiento de esta tercera dimensión de gradientes de campo eléctrico para el 3D DEP permite un mayor rendimiento de la muestra y aumenta la flexibilidad para diseñar nuevas y mejores separaciones dielectroforéticas en la que el flujo es traverse al campo gradientes 16, 17. Otros diseños específicos incluyen 3D DEP basado en 18 aislante, electrodos de carbono 3D DEP 13, 19 y 3D galvanoplastia DEP 10. Como queda de manifiesto por la investigación en las estructuras 3D, tales dispositivos pueden ser operados en modo de flujo continuo para lograr rendimientos más altos. Observación del movimiento de partículas 3D en nuestro dispositivo 3D en capas se logra como una función de frecuencia y conductividad media a través de microscopía de luz a diferentes alturas focales.

Fatoyinbo et al. Primero informó DEP en un 3D laminado estructura del electrodo / aislamiento utilizando apilados alternativamente 30 micras papel de aluminio y 150 películas de resina epoxi 20 micras. Hubner et al. Diseñaron electrodos laminados 3D similares con 35 m de cinta de cobre y 118 micras de poliamida adhesivo 21. Este trabajo toma prestado el diseño en 3D, bueno 22, 23, Y utiliza de forma exclusiva la comodidad de 50 micras de papel grafeno como las capas conductoras y 100 m de cinta de doble cara como las capas aislantes, que logró sellar y con suficiente blindaje eléctrico. El grafeno papel versatilidad es una clara ventaja para microdispositivos electrodos 3D porque los nanoplatelets grafeno tienen la capacidad de actuar al mismo tiempo como biosensores, que este grupo previamente demostrada 24.

Los gradientes de campo logrados en el grafeno papel / polímero laminado microdispositivos 3D dependen de las dimensiones micro-así, las capas de papel de grafeno, y el campo eléctrico aplicado. Las dimensiones críticas incluyen la separación vertical del electrodo (conductor y aislante espesores de capa) y el diámetro micro pocillos y altura (determinado por capas apiladas). La señal eléctrica se puede ajustar a través de la amplitud y la frecuencia. La estructura del dispositivo actual es para el funcionamiento por lotes, pero se puede adaptar a un dispositivo de flujo continuo. El fabuloso dispositivotécnica rication descrito aquí es adecuado para el desarrollo de 3D laminado electrodos con una amplia variedad de propiedades nanoplatelet grafeno simplemente intercambiando el papel de grafeno utilizado. Ventajas de la utilización de papel de grafeno son versatilidad de propiedades físicas y químicas, gasto reducido, y los nanoplatelets de grafeno simultáneamente pueden actuar como biosensores para detectar una amplia gama de bioanalytes 24. Las metas a largo plazo de los sistemas de DEP en 3D de alto rendimiento son identificar rápidamente los tipos de células 25-27, o lograr sin etiquetas, clasificación de células eléctricamente mediada de las células enfermas de las poblaciones de células sanas 28. En este trabajo se demuestra la optimización del material y preparación de equipo y el servicio seguido de la ilustración y el análisis de los resultados típicos.

Protocol

1. Fabrique una estructura 3D laminado Electrodo / aislamiento

  1. Para una capa de grafeno 6, 5 dispositivo de capa de cinta, cortar el papel de grafeno con un bisturí o cuchilla de afeitar similares y una regla de borde recto en seis 0,7 cm x 1,5 cm rectángulos y usar las tijeras para cortar la cinta de doble cara sensible a la presión en cinco 1.3 cm x ~ 5 cm rayas.
    NOTA: Como se muestra en la Figura 1a, esto produce un electrodo de 3 planta, 3 dispositivo de electrodo de señal de CA. El 7 mm realización de anchura de la capa es lo suficientemente estrecha como para que quepan en un portaobjetos de vidrio, sin embargo, lo suficientemente amplia como para facilitar la perforación. La longitud de 2 mm no se rompen con facilidad en el uso repetido y tiene espacio suficiente para conectar los cables de cobre. La profundidad del equipo es limitada por las profundidades de la fresa más.
  2. Coloque la primera capa de papel de grafeno sobre un portaobjetos de vidrio limpio. Lentamente cubrir un extremo del papel de grafeno con una franja de cinta, dejando un margen de ~ 2 mm para asegurar el aislamiento entre las dos capas de papel de grafeno adyacentes (Figura 1b
  3. Coloque la segunda capa de papel de grafeno en la parte superior de la cinta de desplazamiento a la primera capa de papel de grafeno (Figura 1a). Aplique una presión moderada (presión de manera uniforme con el pulgar, ~ 100 N durante 0,7 cm 2 de área) después de la adición de cada capa de la realización para asegurar un buen sellado entre capas.
  4. Repita los pasos 1.2 y 1.3 para el resto de capas, dejando la parte superior e inferior del papel capas de grafeno. Cortar a lo largo de la línea de puntos se muestra en la Figura 1b para eliminar el exceso de cinta de los bordes del dispositivo dejando un pequeño margen de ~ 1 mm para asegurar el aislamiento sellada entre capas de papel de grafeno (Figura 1b).
    NOTA: La cinta de doble cara no se utiliza como las capas superior e inferior para evitar la recogida de residuos, ya que la estructura laminada se perfora, montado en un portaobjetos, y se llena con la muestra.
  5. Realizar una prueba de aislamiento rápido con un multímetro (modo de resistencia). Coloque las sondas positivos y negativos en dos lados diferentes de thdispositivo electrónico (A y B en la figura 1c); alta resistencia (kilo-mega-ohmios) indica un buen aislamiento entre las capas. Retire la estructura en capas de la lámina de vidrio para preparar para la perforación de micro pocillos.
    NOTA: Un dispositivo normalmente no pasa la prueba de aislamiento cuando las capas de papel de grafeno adyacentes hacen contacto durante los pasos 1.2 a 1.4. Deseche estos dispositivos.

2. Taladro Micro-bien en la estructura laminada

  1. Use una máquina mecánica micro-fresado controlado por ordenador y elegir una fresa con un 700 micras de diámetro y 2,1 mm de longitud de corte. Inmovilizar la estructura laminada en la etapa de micro-fresado utilizando abrazaderas apropiadas (Figuras 2A y B). Ejecutar el husillo de la máquina de molienda a 8.600 rpm, a continuación, baje la fresa de extremo lentamente en y a través del centro de la estructura laminada. Mueva la fresa de espiga giratoria hacia arriba y abajo a través de la micro-y para alisar la pared interior.
    1. Elija micro-asídiámetros, que están limitados por disposición molino de extremo de diámetro / longitud de los ratios de aspecto de corte. Asegúrese de que la superficie interna de las micro-así es como vertical y limpio posible para gradientes de campo eléctrico óptimo y paso de la luz a través de la micro pocillos.
  2. Limpie los residuos de micro-bien con el aire a presión. Realice otra prueba de aislamiento como se describe en 1.5.

3. Conecte los cables eléctricos a la estructura laminada

  1. Doblar dos 3 cm de largo 32 T hilos de cobre a un ángulo recto en 2 cm. Mezclar ~ 1,5 ml de la parte A y B de la plata epoxi conductora.
    NOTA: Ecuación 1
  2. Aplicar manualmente epoxi plata mezclada con la parte superior y las puntas de las 3 capas de papel de grafeno para asegurar un buen contacto entre las capas en el lado A de la estructura estratificada (Figura 1c), a continuación, coloque el extremo del cable de cobre de 1 cm en el epoxi y entre dos capas. Suavemente cuadradosueeze las capas para eliminar el exceso de epoxi y asegurar un buen contacto eléctrico. Repita para el lado B de la estructura laminada.
  3. Coloque todo el dispositivo en la rejilla del horno, secar durante la noche a 70 ° C y 1 atm a.

4. Preparar la muestra y Medios de Comunicación

  1. Preparar los medios de comunicación isotónica de un espectro de conductividades usando el medidor de conductividad, 290 mM de solución de manitol de stock y adiciones de serie de isotónica salina tampón fosfato (PBS).
    NOTA: Existe una correlación lineal entre la concentración de conductividad y el volumen de ~ 290 mOsm / L de PBS (la realización) en 290 ~ solución mOsm / L de manitol (no conductor). El video muestra a un medio de 0,01 S / m de conductividad.
  2. Mezclar perlas de poliestireno con medios preparados de conductividad o e-pura agua (~ 5 x 10 -6 S / m) a un vol 1:50: proporción vol. Este protocolo es fácilmente adaptable a las células biológicas.

5. Experimento configurar y utilizar dispositivos

  1. Sujete el dispositivo onto un portaobjetos de vidrio con una presión moderada (Figura 2d) con abrazaderas de papel modificados o equivalente. Las zapatas deben ser lo suficientemente cerca de la micro-bien para sellar la estructura laminada a la lámina de vidrio prevención de fugas de la muestra. La pinza debe encajar dentro de la platina del microscopio con la presión optimizado a un) evitar la deformación de la estructura laminada, y b) asegurar que el fluido de micro-así no se escapa. La deformación altera la geometría bien y trayectoria de la luz reduciendo reproducibilidad experimento.
  2. Usando una jeringa de micro o equivalente, inyectar lentamente ~ 1 l de la muestra en el micro-y así evitar la introducción de cualquier burbuja. Repetir la inyección si es necesario y tenga cuidado de no dañar las paredes micro pocillos con la aguja afilada. Un poco llene en exceso el micro pocillos y se deslice inmediatamente cubierta de vidrio sobre el micro-bien para eliminar el exceso de líquido, evitar la evaporación, y garantizar volúmenes reproducibles para cada experimento.
    NOTA: A punta de diamante glasscutter funciona bien para scorey grieta cubierta de cristal de tamaño.
  3. Asegure el microdispositivo laminada completada a la platina del microscopio y fije los cables del electrodo generador de funciones a los dos conductores de cobre en el dispositivo. En AxioVision (software Zeiss), haga clic en el botón para iniciar la grabación de la cámara en el modo de adquisición multidimensional. Iniciar señal del generador de función en un período de tiempo fijo después de comenzar la grabación de la cámara CCD para documentar las respuestas con y sin campo eléctrico aplicado.
    NOTA: Aquí 100 Hz a 10 MHz de frecuencia con una señal de pico a pico de 15 V se aplicaron y los experimentos se observaron a un aumento de 10X en 1 a 200 por encima de la superficie de portaobjetos de vidrio durante 2 segundos sin campo y ~ 5 min con campo aplicado. Las imágenes se guardan digitalmente en 1 a 5 fotogramas por segundo (fps) para su posterior análisis.
  4. Una vez finalizado el experimento, retire el dispositivo y desmantelar las abrazaderas. Sumerja tanto el portaobjetos de vidrio y el dispositivo con agua y jabón, luego enjuague bien. Dispositivos de reutilización de 30 horas con un rendimiento consistente.

6. Análisis de Datos y Procesamiento de Imágenes

  1. Analizar los datos de imágenes con software preferido, como ImageJ. Calcular la velocidad del desplazamiento de partículas entre imágenes consecutivas en un intervalo de tiempo dado.
  2. Calcular la fuerza la fuerza y el campo DEP experimental basado en la velocidad de compilar las tendencias y comparar con la teoría 29.
  3. Medida de velocidad de las partículas radialmente en la geometría de micro-así coherente con la forma de la gradiente de campo eléctrico. Desde el borde de micro-bien en el centro, identificar 8 contornos concéntricos isoeléctricos (350, 300, ... 50, 0 M), lo que resulta en 7 regiones.
    NOTA: La hora de las partículas para atravesar la distancia de 50 m se utilizó para calcular la velocidad. Cuando las variaciones geométricas que requerían, los contornos isoeléctricos se ajustaron ligeramente.

Representative Results

Experimentos dielectroforéticas en 6 perlas de poliestireno micras se llevaron a cabo en un 0,38 mm 3 cilíndrico micro pocillos. Los resultados demuestran que un 3D laminado dispositivo basado en el papel de grafeno puede ilustrar firmas dielectroforéticas similares como dispositivos de laminado de hoja metálica 3D 20, 21, tradicional 2D de metal-electrodo 26, 27, y los dispositivos aisladores 2D 25. En los siguientes experimentos, se aplicó una señal de CA 15 V pico a pico y la frecuencia se varió de 100 Hz a 10 MHz 30. DEP resultados cualitativos se muestran en la Figura 3 en el tiempo 0 antes de la aplicación de campo (primera columna) y después de 5 min (segunda columna) en el campo eléctrico. Cuando no hay campo eléctrico estaba presente, las partículas lentamente de sedimentos en el fondo del dispositivo a través de la gravedad (fig. 3 ayb). Figura 3c yd demuestran típica pDEP traduce a 1 kHz, comoindicado por partículas agrupando hacia los bordes micro-así. Figura 3E y F ilustrar nDEP a 10 MHz, como se indica por la concentración de partículas en el centro.

Figura 4a ilustra las respuestas DEP experimentales para conductividades entre 0,0001 S / m y 1,3 S / m sobre una gama de frecuencias de 100 Hz a 10 MHz. DEP Negativo (nDEP) o DEP positivo (pDEP) se determinó típicamente por la observación de los granos se mueven hacia el centro o los bordes de la micro-así. Sin embargo, esto se complica por la recirculación de los flujos (20-50 micras de diámetro) cerca de los bordes de la micro-así que ocurrieron simultáneamente con el comportamiento DEP en dos regiones en el espacio de conductividad frecuencia como se muestra por los símbolos abiertos en la Figura 4a. Un tipo de flujo de recirculación se observó por debajo de ~ 10 kHz a todas las conductividades ensayadas mientras que el otro tipo se observó a alta conductividad y alta frecuencia. Los flujos de recirculación alteran nDEP o pDEP grano MOTiones en diversos grados. Estas fuerzas concurrentes se ilustran en el espacio de parámetros en la figura 4a.

Velocidades dielectroforéticas se tabulan como una función de la posición radial usando contadores concéntricos (Figura 5A) dentro de la micro-así. Tendencias velocidad con la posición se muestran en la Figura 5c. Como era de esperar, las velocidades más altas se observan cerca de la micro-así borde, que corresponde a la región con la mayor densidad de campo eléctrico (Figura 5b). Las partículas se mueven verticalmente dentro y fuera del plano focal durante una grabación 1 min. Sin embargo, esta magnitud de la velocidad vertical se estima en y por lo tanto es insignificante en comparación con el m / seg de velocidad concéntrica 5 ~ 100 medido. En el plano velocidades van desde 5 m / seg a 36 m / seg, que corresponden a las movilidades DEP de ≈ 1,07 x 10 -16 m 4 / (V ⋅ seg) sobre la región de densidad de campo eléctricos de 5 x 10 4 V / m para 3 x 10 5 V / m. Las velocidades son consistentes con los reportados en los sistemas de 3D ​​31, 32, sistemas de electrodos 2D 33, y los sistemas de DEP aislantes DC 34.

Figura 1
Figura 1. Proceso de fabricación para el dispositivo de laminado. a) apilar Alternativamente 6 capas de papel de grafeno y 5 capas de cinta de doble cara para evitar la conexión entre las capas de grafeno adyacentes. b) Pulse capas juntas y cortar el exceso de cinta de doble cara a lo largo de la línea roja discontinua. c) Haga un micro-bien en el centro a través de micro-fresado como se muestra en las figuras 2a y b. d) Cumplir dos conductores de cobre para los lados A y B con epoxi plata. e) dispositivo fabricado Final.


Figura 2. A) máquina de micro-perforación controlada por ordenador. B) la estructura laminada se inmoviliza en el escenario con abrazaderas. El aire a presión se utiliza para soplar los escombros fuera de la fresa de espiga. C) experimentos Microdevice se llevan a cabo con un microscopio, cámara CCD, generador de funciones y equipo de adquisición de datos. D) Vista de primer plano de microdispositivo sujeta sobre una placa de vidrio sobre la platina del microscopio . Señal eléctrica de CA desde el generador de función se aplica al dispositivo a través de los cables de cobre.

Figura 3
Figura 3. Dielectroforesis respuestas típicas dentro de la 3D laminan microdispositivo. Un 15 V pico a pico se aplicó con una conductividad media de 1,3 x 10-4 S / m. La primera columna muestra partículas en el experimento comienza con el campo eléctrico fuera, y la segunda columna muestra la respuesta después de 5 min ab) las partículas de sedimento en el fondo de micro-también;. Cd) a 1 kHz, las partículas se reunieron cerca del borde micro-así , lo que indica. pDEP ef) A 10 MHz, las partículas se concentraron al centro de micro-así, lo que indica nDEP.

Figura 4
Figura 4. A) Comportamiento experimental DEP de 6,08 m perlas de poliestireno como una función de la conductividad (0,0001 a 1,3 S / m) y la frecuencia (100 Hz-10 MHz) en PBS solución de manitol ajustar. Recirculaciones pequeñas se observaron concurrente con el comportamiento DEP cerca de los bordes de micro-pocillos para frecuencias bajas (<1 kHz) y todas las conductividades medianas probados, así como a altas frecuencias y mayor conductividad medio. Los símbolos abiertos representar DEP negativo y DEP positiva con recirculación, mientras que el símbolo sólido representa nDEP sin recirculación. Debajo ~ 100 Hz, se observaron burbujas de electrólisis y están representados por. Δ b) pronosticó frecuencias de corte de 0,0001 S / ma 1,3 S / m. Por favor, haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

La figura 5
Figura 5. A) Imágenes de perlas de poliestireno que experimentan nDEP en un pico-pico de 15 V, 1 MHz campo. Círculos concéntricos seguir el movimiento de las partículas a medida que atraviesan el pocillo. B) simulación de COMSOL de gradiente de campo eléctrico (V / m2) de una sección transversal de las microempresas así. C) velocidades dielectroforéticas de grupos de cuentas en función de la posición radial dentro de la micro-así. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Discussion

Este manuscrito detalla los protocolos para fabricar una capa de grafeno novela 6 y 5 capas de cinta microdispositivo. Además, el funcionamiento del dispositivo se ilustra a través de los comportamientos observados DEP de 6,08 m perlas de poliestireno junto con un enfoque de análisis de velocidad de la partícula única, geométricamente relevante. Este enfoque versátil para construir dispositivos electrocinéticos no lineales es menos costoso que el electrodo y técnicas de microfabricación capa de fluidos, mientras que dando resultados igualmente fiables.

Además, este nuevo papel microdispositivo grafeno 3D rindió resultados dielectroforéticas experimentales que están de acuerdo tanto con el comportamiento predicho teóricamente y se informó anteriormente los resultados experimentales 35. Para frecuencias de la señal de 100 Hz a 10 MHz y conductividades multimedia desde 1 x 10 -4 S / m a 1,3 S / m, experimentos verificaron la existencia de una frecuencia de cruce, por debajo del cual pDEP se observó y por encima del cual se observó nDEP. Como era de esperar,nDEP se observó en la mayor parte del espacio de la conductividad de frecuencia como se muestra en la Figura 4a. La teoría predice que 6,08 micras perlas de poliestireno homogéneos ρ = 2,55, σ ρ = 1,3 x 10 -3 S / m 36) tienen una frecuencia de cruce cuando σ m <σ ρ = 1,3 x 10 -3 S / m. En el espacio de parámetros restante de 1 x 10 -4 S / m a S / m, se observaron frecuencias de corte (f co del orden de ≈ 1 kHz aproximadamente 1,3 x 10 -3. Por ejemplo, f CO fue de 1 kHz en un 3,9 x 10 -4 S / m media, mientras que un resultado experimental anterior informó a 1,0 x 10 -3 S / m fue f co = 5 kHz 35, y en base pronosticado por el modelo de valor fue de 168 kHz 37-39. Estos tres resultados son considerada en el acuerdo áspera dada la sensibilidad de la frecuencia de cruce para cambiar de medio de conductivity en la región específica 40, así como otra carga de mezcladura factores inducidos y variantes de equipamiento. Como se muestra en la Figura 4b, como los cambios de conductividad de medios ligeramente de 1 x 10 4 S / m a 1,3 x 10 -3 S / m, las frecuencias de corte correspondientes disminuyen 2 órdenes de magnitud o más. El uso de 168 kHz como frecuencia de cruce en el modelo, con parámetros fijos como se especifica anteriormente, se puede resolver por la conductividad de las partículas y parece que es 1,00 x 10 -3 S / M en comparación con el valor real de 1,3 x 10 -3 S / m (diferencia 23%).

Observaciones de dos tipos de recirculación fluye en el espacio conductividad frecuencia se observaron y se atribuye a la electroósmosis y electrotérmicos flujos de corriente alterna en las regiones de frecuencia baja y alta, respectivamente. Para frecuencias bajas (<10 kHz) en todo conductividades medias probados, velocidades de recirculación de partículas locales aumentó a medida que la frecuenciadisminuido con ligeros cambios debido a la conductividad media. Tanto las condiciones de conductividad frecuencia y tamaño de los rollos de recirculación (20-50 micras) están de acuerdo con estudios de flujo anteriores AC electroosmóticas 41-43. Para altas frecuencias relativas (> 100 kHz) en relación alta conductividad media (> 0,01 S / m), nDEP comienza a ser dominado por recirculación. Velocidades de las partículas de recirculación aumentaron como la conductividad media aumentó y la frecuencia aumentaron. Una vez más, tanto las condiciones de conductividad frecuencia y el tamaño de recirculaciones de acuerdo con los resultados anteriores 44-47.

En 3D DEP, las partículas también experimentan fuerzas dielectroforéticas empujan partículas entre capas de papel de grafeno adyacentes en múltiples posiciones verticales en el micro-bien. La observación al microscopio óptico de este se ve comprometida en parte porque la luz es dispersada por las partículas enfocadas DEP por encima y por debajo del plano de interés. Debido a la sedimentación por gravedad a través del tiempo, Morpartículas e se observaron cerca de la parte inferior planos de enfoque DEP que en los aviones más superior DEP enfoque (datos no mostrados) 48.

La fabricación del dispositivo es muy versátil; los protocolos proporcionados se pueden adaptar fácilmente para los dispositivos con más capas u otros materiales. Como un material de la capa de aislamiento alternativa, polidimetilsiloxano (PDMS) películas delgadas se pueden spincoated a un espesor controlable y bastante uniforme. PDMS ha caracterizado bien las propiedades químicas y eléctricas de la superficie, pero el manejo de este tipo de películas delgadas y frágiles era molesto. Cinta de doble cara tiene un espesor más uniforme, era más fácil de manejar con un mejor sellado de la capa a capa y así obtener mayor tasa de éxito de los dispositivos de manera óptima funcionales. El papel de grafeno Ciencias XG (Hoja B-072) funcionó bien como un material del electrodo y la fabricación a medida ofrece cualidades mecánicas y eléctricas versátiles. Las concentraciones más altas reducen la resistividad nanoplatelet papel 24 y PolymEric apoya adsorción de agua impedido mientras que los soportes celulósicos permitir la difusión de agua (datos no mostrados).

Complicaciones con la funcionalidad del dispositivo pueden incluir incremento de resistividad en la superficie, así, las conexiones eléctricas rotas, burbujas electrolíticos, la introducción de burbujas durante la carga de la muestra, y la geometría bien sesgada. La prueba de aislamiento en el paso procedimiento 1.5 debe ser utilizado antes de cada experimento para evaluar la integridad del dispositivo. La superficie del papel utilizado XG grafeno expuesta en la cúpula se disipó después de ~ 30 experimentos. Resultados inconsistentes DEP se reconocen fácilmente por medio de flujo global errático a través de la micro-bien o ninguna respuesta a un potencial aplicado. Lado A y Lado B (Figura 1c) capas de grafeno del dispositivo pueden romperse si no se manejan con cuidado. En estos casos, se necesitan dispositivos de reemplazo. A frecuencias iguales o inferiores a 100 Hz, los electrodos de grafeno 3D catalizaron la electrólisis del agua para producir O 2 y H 2 burbujas. Thes el umbral de frecuencia es de 2 órdenes de magnitud menores que los resultados previos de este grupo con electrodos 2D microfabricados tradicionales 49, lo que amplía el campo de maniobra en la que las partículas o células biológicas pueden ser interrogados. Las burbujas de aire de la jeringa de la muestra debe ser evitado debido a la forma de campo eléctrico y las interferencias ópticas. Por último, la perforación de micro-así perfectamente vertical es fundamental para iluminación óptica coherente y la observación de los comportamientos de DEP. Sesgo Micro-así se hace más difícil de manejar como el número de capas laminadas aumenta. La mayoría de los microscopios confocal y ligeras han distancias inferiores a 1 mm de trabajo, por lo que los comportamientos del DEP no se puede observar fácilmente en espesor por encima de este. Sin embargo, el aumento de la tercera dimensión sería ventajoso para el procesamiento de DEP gran escala.

Una estructura de grafeno papel / cinta laminada directa ha sido demostrada como 3D DEP microdispositivo discontinuo. En aplicaciones futuras, partícula o CEsuspensión LL podría fluir continuamente a través del dispositivo para lograr el DEP-un mayor rendimiento de clasificación 50. Aplicaciones biomédicas específicas que requieren clasificación de grandes volúmenes para separar e identificar células raras incluyen la detección de células tumorales circulantes 51 y sepsis 52. Además, el papel de grafeno absorbente de agua puede funcionar simultáneamente como un electrodo y medio de difusión para los concentradores de partículas / célula. Por último, el papel de grafeno se ha demostrado como un biosensor viable 24. El dispositivo descrito aquí podría ser utilizado para la concentración de DEP simultánea y la detección biológica en la superficie de grafeno. Por lo tanto, los diferentes tipos de papel de grafeno pueden ser electrodos útiles en los sistemas de microfluidos de alto rendimiento que emplean electrocinética y / o biosensores.

Disclosures

Los autores no tienen conflictos a revelar.

Acknowledgments

Gracias a las Ciencias XG de generosas donaciones de papel de grafeno. Gracias al Dr. C. Friedrich para generosamente dejarnos usar el equipo de micro-perforación. Un agradecimiento especial se extiende a Tayloria Adams para narrar el 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).
Desarrollo de un dispositivo 3D grafeno Electrodo dielectroforéticas
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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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