Waiting
Login processing...

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

Engineering

Utveckling av en 3D Grafen elektrod dielektroforetisk 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 mikroanordning med hög genomströmning potential användes för att demonstrera tredimensionella (3D) dielektrofores (DEP) med nya material. Grafen nanoplatelet papper och dubbelhäftande tejp var omväxlande staplas; en 700 ìm mikro borrades tvärs skikten. DEP beteende polystyren pärlor visades i mikro-bra.

Abstract

Utformning och tillverkning av en ny 3D-elektrodmikroanordning med hjälp av 50 nm tjockt grafen papper och 100 nm dubbelhäftande tejp beskrivs. Protokollet detaljer förfaranden för att bygga en mångsidig, återanvändbara, i flera skikt, laminerat dielektrofores kammaren. Specifikt sex skikt av 50 ^ m x 0,7 cm x 2 cm grafen papper och fem skikt av dubbelsidig tejp ades växelvis staplade tillsammans, fastklämmes sedan till en glasplatta. Därefter gjordes en 700 um diameter mikro-brunn borras genom den laminerade strukturen med användning av en datorkontrollerad mikro borrmaskin. Isolerande egenskaper hos tejpskikt mellan intilliggande grafen lager försäkrades av resistenstester. Silver ledande epoxi anslutna alternerande lager av grafen papper och bildade stabila anslutningar mellan grafen papper och yttre koppartrådelektroder. Den färdiga anordningen därefter fastspänd och tätad mot en glasplatta. Det elektriska fältet lutning modellerades inom than flerskiktsanordning. Dielektroforetiska beteenden av 6 um polystyren pärlor visades på 1 mm djupa mikro-Tja, med medel konduktivitet varierar från 0,0001 S / m till 1,3 S / m, och tillämpad signalfrekvenser från 100 Hz till 10 MHz. Negativa dielektroforetiska svar observerades i tre dimensioner än de flesta av utrymme konduktiviteten-frekvens och cross-over frekvensvärden överensstämmer med tidigare rapporterade litteraturvärden. Enheten hindrade inte AC elektroosmos och elektroflöden, som inträffade i de låga och höga regioner frekvens, respektive. I grafen papper som används i den här enheten är mångsidig och kan sedan fungera som en biosensor efter dielektroforetiska karakteriseringar är klar.

Introduction

Grafen är ett nytt material som är känt för sin elektroniska egenskaper av hög kvalitet och potentiella kemiska och biosensor ansökningar 1. Grafen nanoplatelets har använts för katalysatorbärare 2, 3, biosensorer 4, superkondensatorer 5 och kompositelektroder inklusive grafen / polyanilin och kisel nanoparticle / grafen kompositer 6-8. Detta manuskript beskriver användning av grafen papper som elektroder i en unik tredimensionell (3D), skiktad mikroflödessystem enhet. Grafen pappers elektroder laminerade med isolerande dubbelhäftande tejp och en kammare borrad inom vilken 3D AC dielektrofores av polystyrenpärlor utfördes.

Dielectrophoresis (DEP) avser förflyttning av polariserbara partiklar under icke-likformiga elektriska fält. Positiv DEP (PDEP) eller negativ DEP (NDEP) uppstår när partiklar som är mer eller mindre polariserbara än det omgivande mediet, resulting i rörelse mot den starkaste eller svagaste elektriska fält, respektive. Denna icke-linjära elektrokinetiskt verktyg har använts för separering, sortering, fånga, och identifiering av partiklar och biologiska celler 9-15. Den dielektroforetiska kraften som upplevs av en polariserad partikel är en funktion av det elektriska fältets gradient, partikel radie och form, partikel dielektriska egenskaper inklusive konduktivitet och permittivitet, liksom media konduktivitet och permittivitet. I traditionell två-dimensionell (2D) DEP är partikelrörelsen i det primära planet för det elektriska fältet lutning typiskt bildad mellan mikrofabricerade ytelektroder; rörelse i vertikal riktning är försumbar jämfört med i planet riktningar i de flesta enheter. Men att utnyttja denna tredje dimension av elektriska fältgradienter för 3D DEP möjliggör högre provkapacitet och ökar mångsidigheten för att utforma nya och förbättrade dielektroforetiska separationer där flödet är traverse till fältgradienter 16, 17. Andra specifika mönster inkluderar 3D-isolator-baserade DEP 18, 3D-kol-elektrod DEP 13, 19, och 3D galvanisering DEP 10. Som framgår av den forskning om 3D-strukturer, kan sådana anordningar användas i kontinuerligt flöde läge för att uppnå en större försäljning. Observation av 3D partikelrörelse i vårt skiktat 3D anordning uppnås som en funktion av frekvens och medel ledningsförmåga via Ijusmikroskopi vid olika fokala höjder.

Fatoyinbo et al. Först rapporterade DEP i en 3D-laminerad elektrod / isolering struktur med hjälp alternativt staplas 30 um aluminiumfolie och 150 ìm epoxiharts filmer 20. Hubner et al. Sedan utformat liknande 3D ​​laminerade elektroder med 35 um kopparband och 118 ìm polyimid lim 21. Detta arbete lånar 3D-bra konstruktion 22, 23Och som är entydigt utnyttjar bekvämligheten xm grafen papper 50 som de ledande skikten och 100 ^ m dubbelhäftande tejp som de isolerande skikten, vilka uppnås tätning och tillräcklig elektrisk skärmning. Grafen papper mångsidighet är en klar fördel för 3D-elektrodmicrodevices eftersom grafen nanoplatelets har förmågan att samtidigt fungera som biosensorer, som denna grupp tidigare visat 24.

De fältgradienter uppnås inom den grafen papper / polymerlamin 3D mikrokomponenter beror på de mikro-brunnsdimensioner, grafen papperskikt och det pålagda elektriska fältet. Kritiska mått inkluderar det vertikala elektrodavståndet (ledande och isolerande skikttjocklek) och mikro väl diameter och höjd (bestäms av lager staplade). Den elektriska signalen kan avstämmas via amplitud och frekvens. Den aktuella anordningsstruktur är för satsvis drift, men kan anpassas till en kontinuerlig flödesenhet. Anordningen fabsmörjning teknik som beskrivs här är lämpliga för utveckling av 3D laminerade elektroder med en bred variation av grafen nanoplatelet egenskaper helt enkelt genom utbyte av grafen papper utnyttjas. Fördelar med användning av grafen papper är mångsidigheten hos de fysiska och kemiska egenskaper, minskad kostnad, och grafen nanoplatelets kan samtidigt fungera som biosensorer för att detektera ett brett spektrum av bioanalytes 24. Långsiktiga mål med hög genomströmning 3D DEP system är att snabbt identifiera celltyper 25-27, eller uppnå etikett-fri, elektriskt medierad cellsortering av sjuka celler från populationer av friska celler 28. Detta dokument visar materialoptimering och enhet förberedelse och drift följt av illustration och analys av typiska resultat.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Tillverka en laminerad elektrod / isolering 3D Structure

  1. För en 6 grafen skikt, 5 tejpskikt anordningen, skär grafen papper med en skalpell eller liknande rakblad och raka kanter linjal i sex 0,7 cm x 1,5 cm rektanglar och använda sax för att klippa dubbelsidiga, tryckkänsliga band i fem 1,3 cm x ~ 5 cm ränder.
    OBS: Som visas i figur 1a, ger detta en 3 jordelektroden, 3 AC-signalelektrodanordningen. Den 7 mm ledande skikt bredden är tillräckligt smal för att passa på en glasskiva, men ändå tillräckligt bred för enkel borrning. Den 2 mm längd inte lätt sönder vid upprepad användning och har tillräckligt med utrymme för att fästa koppartrådar. Enheten djupet begränsas av fräs djup.
  2. Lägg det första lagret av grafen papper på en ren glasskiva. Långsamt täcka en ände av grafen papper med en rand av bandet, vilket ger en ~ 2 mm marginal för att säkerställa isolering mellan de två intilliggande grafen pappersskikt (figur 1b
  3. Placera det andra skiktet av grafen papper ovanpå tejpen förskjutningen till det första skiktet av grafen papper (Figur 1a). Applicera måttligt tryck (tryck jämnt med tummen, ~ 100 N över 0,7 cm 2 område) efter tillsats av varje ledande skikt för att säkerställa god tätning mellan lagren.
  4. Upprepa steg 1,2 och 1,3 för de återstående skikten och att lämna både topp-och bottenskikten grafen papper. Klipp längs den streckade linjen som visas i figur 1 b att ta bort överskott tejpen från enheten kanterna som lämnar en liten ~ 1 mm marginal för att försäkra förseglade isolering mellan grafenpapperslager (Figur 1b).
    NOTERA: Dubbelhäftande tejp används inte som de övre och nedre skikt för att undvika uppsamling av skräp som denna laminerade struktur är borrad, monterad på en slid, och fylld med provet.
  5. Genomför en snabb isolationstest med en multimeter (motståndsläge). Placera de positiva och negativa sonder på två olika sidor av the-enhet (A och B på figur 1c); högt motstånd (kilo-för mega-Ohm) indikerar god isolering mellan lagren. Ta bort den skiktade strukturen från glasskiva för att förbereda sig för mikrobrunnsborrning.
    OBS: En enhet misslyckas typiskt isoleringstestet när intilliggande grafenpappersskikt gör kontakt under steg 1.2 till 1.4. Släng sådana anordningar.

2. Borra Micro-brunn i den laminerade strukturen

  1. Använd en datorstyrd mekanisk mikro-fräsmaskin och välja en ändfräs med en 700 ^ m i diameter och 2,1 mm längd av skuren. Immobilisera den laminerade strukturen på mikro-malningssteget genom att använda lämpliga klämmor (fig. 2a och b). Kör maskinspindeln fräsning vid 8.600 rpm, sänk sedan pinnfräsen sakta in och genom mitten av den laminerade strukturen. Flytta den roterande ändfräs uppåt och nedåt genom mikro-brunn för att jämna innervägg.
    1. Välj micro-welldiametrar, som begränsas av tillgängligt fräs diameter / längd på klipp bildformat. Se till att den inre ytan av mikro-brunnen är så vertikalt och rena som möjligt för optimala elektriska fältgradienter och ljuspassage genom mikro-brunn.
  2. Ta bort skräp från mikro väl med tryckluft. Gör en ny isolationstest enligt beskrivningen i 1.5.

3. Fäst elektriska ledningar till den laminerade strukturen

  1. Vik två 3 cm lång 32 g koppartrådar till en rät vinkel på 2 cm. Blanda ~ 1,5 ml av del A och B i silver ledande epoxi.
    OBS! Ekvation 1
  2. Ansöka manuellt blandade silver epoxi till toppen och tips av alla 3 grafenpappersskikt för att säkerställa god kontakt mellan lager på sidan A i den laminerade strukturen (figur 1c), placera sedan 1 cm koppartråd slut i epoxy och mellan två skikten. Slappt squeeze skikten för att avlägsna överflödig epoxi och säkerställa god elektrisk kontakt. Upprepa för sidan B av den laminerade strukturen.
  3. Placera hela enheten i ugn rack, torka över natten 70 ° C vid och 1 atm.

4. Förbered Prov och media

  1. Förbered isotoniskt medium av ett spektrum av konduktiviteter använda konduktivitetsmätare, 290 mM mannitol stamlösning, och serie tillsatser av isotonisk fosfatbuffrad koksaltlösning (PBS).
    ANMÄRKNING: En linjär korrelation existerar mellan konduktivitet och volymkoncentrationen av ~ 290 mOsm / L PBS (ledande) i ~ 290 mOsm / L mannitol-lösning (icke-ledande). Videon har ett medium på 0,01 S / m ledningsförmåga.
  2. Blanda polystyrenkulor med preparerade ledningsförmåga medier eller e-rent vatten (~ 5 x 10 -6 S / m) till en 01:50 vol: vol ratio. Detta protokoll är lätt att anpassa till biologiska celler också.

5. Setup Experiment och Operate Device

  1. Kläm enheten onto en glasskiva med måttligt tryck (figur 2d) med hjälp av modifierade klämmor papper eller motsvarande. De fundament bör vara tillräckligt nära den mikro väl för att täta den laminerade strukturen till objektglaset förhindra provläckage. Klämman bör passa inom mikroskopbordet med tryck optimeras för att a) förhindra deformation av den laminerade strukturen, och b) se läcka mikro väl vätskan inte. Deformation förändrar väl geometri och ljusvägen minskar experiment reproducerbarhet.
  2. Med hjälp av en mikrospruta eller liknande, långsamt injicera ~ 1 pl av provet i mikro väl och undvika att införa några bubblor. Upprepa injektionen om det behövs och var försiktig för att inte skada mikro såväl väggar med den vassa nålen. Något för mycket mikro väl och omedelbart glida täckglas över mikro väl för att avlägsna överflödig vätska, förhindra avdunstning, och säkerställa reproducerbara volymer för varje experiment.
    OBS: En diamant spets glasscutter fungerar bra till score och spricka täckglas till storlek.
  3. Säkra färdig laminerade mikroanordning till mikroskop scenen och fästa funktion generator elektrodkablarna till två koppar leder på enheten. I AxioVision (Zeiss-programvara), klicka på knappen för att starta inspelning i flerdimensionell förvärvsläge. Påbörja funktionsgenerator signal vid en fast tid efter start CCD-kamera inspelning för att dokumentera svaren med och utan det elektriska fältet appliceras.
    OBS: Här 100 Hz till 10 MHz med en 15 V topp-topp-signal applicerades och experiment observerades vid 10x förstoring på 1 till 200 över glasskiva yta för 2 sek utan fält och ~ 5 min med fält tillämpas. Bilder ades digitalt sparade på 1 till 5 bilder per sekund (fps) för vidare analys.
  4. Vid experiment avslutad, ta bort enheten och demontera klämmorna. Sänk både glasskiva och enheten i tvålvatten, skölj sedan väl. Återanvänd enheter omkring 30 tids med jämn prestanda.

6. Dataanalys och bildbehandling

  1. Analysera bilddata med drog programvara, till exempel ImageJ. Beräkna hastighet från partikelförskjutningen mellan bilder i följd i ett givet tidssteg.
  2. Beräkna experimentell DEP kraft och fältstyrka baserad på hastighet för att sammanställa trender och jämföra med teori 29.
  3. Mät partikelhastigheten radiellt i mikro-brunn geometri som överensstämmer med formen på det elektriska fältet lutning. Från mikro väl kant till centrum, identifiera 8 koncentriska isoelektriska konturer (350, 300, ... 50, 0 M), vilket resulterar i 7 regioner.
    OBS: Tiden för partiklar att korsa 50 nm avstånd användes för att beräkna hastigheten. När geometriska variationer krävde det, de isoelektriska konturer justeras något.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Dielektroforetiska experiment på 6 ìm polystyren pärlor utfördes i en 0,38 mm 3 cylindriska mikro väl. Resultaten visar att en 3D lamin grafen pappersbaserad enhet kan illustrera liknande dielektroforetiska signaturer som 3D metallfolie laminerade enheter 20, 21, traditionell 2D metallelektrod 26, 27, och 2D isoleringsanordningar 25. I följande experiment användes en 15 V topp-topp-AC-signal appliceras och frekvensen varierades från 100 Hz till 10 MHz 30. Kvalitativa DEP Resultaten visas i fig 3 vid tidpunkten 0 innan fältapplikation (första spalten) och efter 5 min (andra kolumnen) i det elektriska fältet. När inget elektriskt fält var närvarande, partiklar långsamt sediment till enhetens botten via gravitation (figur 3a och b). Figur 3c och d visar typiska PDEP resultat vid 1 kHz, somindikeras av partiklar samla in mot de mikro väl kanterna figur. 3e och f illustrerar NDEP vid 10 MHz, vilket indikeras genom att fokusera partiklar i centrum.

Figur 4a illustrerar de experimentella DEP svar för konduktivitet mellan 0,0001 S / m och 1,3 S / m över ett frekvensområde från 100 Hz till 10 MHz. Negativ DEP (NDEP) eller positiva DEP (PDEP) till bestäms typiskt genom observationen av pärlor som rör sig mot mitten eller kanterna av mikro-brunn. Men detta försvåras av recirkulerande flöden (20-50 ìm diameter) nära kanterna på mikro väl som hände samtidigt med dataexekveringsskyddet beteende vid två regioner i konduktivitet-frekvensutrymme för vilket framgår av öppna symboler i figur 4a. En typ av återcirkulerande flöde observerades under ~ 10 kHz vid alla konduktiviteter testade medan den andra typen observerades vid hög ledningsförmåga och hög frekvens. Den återcirkulerande flöden förändrar NDEP eller PDEP vulst MOTjoner i olika grad. Dessa samtidigt krafter illustreras i parameterrymden i figur 4a.

Dielektroforetisk hastigheter tabuleras som en funktion av radiell position med användning av koncentriska räknare (figur 5A) i den mikro-brunn. Velocity trender med positionen visas i figur 5c. Som väntat är de högsta hastigheterna observeras nära mikro väl kant, som motsvarar den region som har den högsta elektriska fältdensiteten (figur 5b). Partiklar röra sig vertikalt in och ut ur fokalplanet under en 1 min inspelning. Detta är dock vertikala hastigheten storleksordning uppskattas till och därför är försumbar jämfört med 5 ~ 100 nm / sek koncentrisk hastighet mäts. I-planet hastigheter varierar från 5 ^ m / sek till 36 ^ m / sek, vilket motsvarar DEP mobiliteter av ≈ 1,07 x 10 -16 m 4 / (V ⋅ sek) över den elektriska fälttätheten regions av 5 x 10 4 V / m till 3 x 10 5 V / m. Hastigheter överensstämmer med de som rapporterats i 3D-system 31, 32, 2D-elektrodsystem 33 och DC isolator DEP system 34.

Figur 1
Figur 1. Tillverkningsprocessen för den laminerade anordningen. a) Alternativt stapla sex lager av grafen papper och fem skikt av dubbelsidig tejp för att förhindra förbindelse mellan intilliggande grafen lager. b) Tryck ihop lagren och skars överskott dubbelhäftande tejp längs den röda streckade linjen. c) Borra ett mikro-brunn i centrum via mikro-fräsning som visas i figurerna 2a och b.. d) Följ två koppar leder till Side A och sida B med silver epoxi. e) Slut fabricerade enhet.


Figur 2. A) Datorstyrd mikro borrmaskin. B) laminerad struktur är immobiliserad på scenen med klämmor. Tryckluft används för att blåsa skräp utanför slutet mill. C) mikroanordning experiment utförs med ett mikroskop, CCD-kamera, funktionsgenerator och dator för datainsamling. D) Närbild av mikroanordning fastspänd på en glasskiva på mikroskop scenen . AC elektriska signalen från funktionsgeneratorn matas till anordningen via kopparledningar.

Figur 3
Figur 3. Typiska dielectrophoresis svar inom 3D laminmikroanordning. A 15 V topp-topp applicerades med ett medium konduktivitet på 1,3 x 10-4 S / m. Den första kolumnen visar partiklar vid experiment börjar med det elektriska fältet utanför, och den andra kolumnen visar svar efter 5 min ab) Partiklar sediment till mikrobrunnsbotten,. Cd) vid 1 kHz, partiklar samlades nära mikro väl kanten , vilket indikerar PDEP. ef) Vid 10 MHz, partiklar fokuserade på mikro-såväl centrum, vilket tyder NDEP.

Figur 4
Figur 4. A) Experimentell DEP beteende 6,08 | im polystyrenpärlor som en funktion av konduktivitet (0,0001 till 1,3 S / m) och frekvens (100 Hz-10 MHz) i PBS justerad mannitollösning. Små återcirkulationer observerades samtidigt med dataexekveringsskyddet beteende nära mikro-och kanter för låga frekvenser (<1 kHz) och alla testade medel konduktivitet, samt vid höga frekvenser och högre medel ledningsförmåga. Ofyllda symboler representerar negativ DEP och positiv DEP med återcirkulation, medan den fasta symbolen representerar NDEP utan recirkulation. Nedan ~ 100 Hz, var elektrolys bubblor observeras och representeras av Δ. B) Uppskattad delningsfrekvenser från 0,0001 S / m till 1,3 S / m. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figur 5
Figur 5. A) Bilder av polystyrenkulor upplever NDEP i ett 15 V topp-topp, 1MHz fält. Koncentriska cirklar bana förflyttningen av partiklarna när de korsar mikrobrunn. B) COMSOL simulering av elektrisk fältgradient (V / m2) av ett tvärsnitt av mikro väl. C) dielektroforetiska hastigheter av kluster av pärlor som funktion av radiell position inom mikro-samt. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Detta manuskript detaljer protokoll för att tillverka en ny 6 grafenlager och 5 band lager mikroanordning. Vidare är enhetens funktion illustreras via observerade DEP beteenden av 6.08 um polystyren pärlor tillsammans med en unik, geometriskt relevanta partikelhastighet perspektiv. Denna mångsidiga tillvägagångssätt för att konstruera icke-linjära elektrokinetiska apparater är billigare än elektroden och fluidskiktet mikrotillverkningstekniker Och ändå ge lika tillförlitliga resultat.

Vidare gav denna nya 3D-grafen papper mikroanordning experimentella dielektroforetiska resultat som överensstämmer med både den teoretiskt förutsagda beteendet och tidigare rapporterade experimentella resultat 35. För signalfrekvenser från 100 Hz upp till 10 MHz och medie konduktivitet från 1 x 10 -4 S / m till 1,3 S / m, experiment verifierade förekomsten av en delningsfrekvens, under vilken PDEP observerades och över vilka NDEP observerades. Som väntatNDEP observerades över det mesta av konduktivitet-frekvensutrymmet som visas i figur 4a. Teorin förutspår att 6.08 um homogena polystyrenkulor (ε ρ = 2.55, σ ρ = 1,3 x 10 -3 S / m 36) har en delningsfrekvens när σ m <σ ρ = 1,3 x 10 -3 S / m. I de återstående parameterutrymme från 1 x 10 -4 S / m till ca 1,3 x 10 -3 S / m, delningsfrekvenser (f co i storleksordningen ≈ 1 kHz observerades. Exempelvis f co var 1 kHz i en 3,9 x 10 -4 S / m mediet, medan en tidigare rapporterade försöksresultat vid 1,0 x 10 -3 S / m var f co = 5 kHz 35, och modellbaserad förväntade värdet var 168 kHz 37-39. Dessa tre resultat beaktas i grov överenskommelse tanke på hur känsliga delningsfrekvensen att ändras i medel samarbetenductivity inom angiven region 40, samt andra blandningsavgift inducerade faktorer och variationer av utrustning. Som visas i figur 4b, som ledningsförmåga ändras medie något från 1 x 10 4 S / m till 1,3 x 10 -3 S / m, motsvarande delningsfrekvenser minskar 2 tiopotenser eller mer. Att använda 168 kHz som delningsfrekvensen i modellen, med parametrar som fastställts enligt ovan, kan man lösa för partikel ledningsförmåga och tycker att det är 1,00 x 10 -3 S / m jämfört med det verkliga värdet på 1,3 x 10 -3 S / m (23% skillnad).

Observationer av två typer av cirkulationsflöden i konduktivitet-frekvensutrymme för observerades och tillskrivs AC elektroosmos och elektroflöden i de låga och höga frekvensområden, respektive. För låga frekvenser (<10 kHz) vid alla testade medel konduktivitet, lokala partikelcirkulationshastigheterna ökade frekvensenminskade med smärre förändringar på grund av medel ledningsförmåga. Båda villkoren konduktivitet-frekvens och storlek på cirkulations rullar (20-50 mikrometer) håller med tidigare AC elektroosmotiska flödesstudier 41-43. För relativa höga frekvenser (> 100 kHz) vid relativ hög medium konduktivitet (> 0,01 S / m), börjar NDEP att övermannas av recirkulation. Recirkulerande partikelhastigheter ökade medium konduktivitet ökat och frekvensen ökade. Återigen, båda villkoren konduktivitet-frekvens och storlek återcirkulationer överens med tidigare resultat 44-47.

I 3D-DEP, partiklar upplever också dielektroforeskrafter driver partiklar mellan angränsande grafen pappersskikt på flera vertikala positioner i mikro väl. Den optiska mikroskop observation av denna är delvis äventyras eftersom ljuset sprids av fokuserade DEP partiklar över och under planet av intresse. På grund av tyngdkraften sedimentering över tid, more partiklar observerades nära botten DEP fokus plan än i de översta DEP fokus plan (data visas ej) 48.

Komponentframställning är extremt mångsidig; de protokoll som enkelt kan anpassas för enheter med flera lager eller andra material. Som ett alternativ isoleringsskikt material, kan polydimetylsiloxan (PDMS) tunna filmer vara spinnbelagd till en kontrollerbar och ganska jämn tjocklek. PDMS har väl karaktäriseras elektriska och ytkemi egenskaper, men att hantera sådana tunna sköra filmer var besvärande. Dubbelhäftande tejp har mer likformig tjocklek, var lättare att hantera med bättre lager-på-lager tätning och därmed gav större framgång för optimalt funktionella enheter. Den XG Sciences grafen papper (Leaf B-072) fungerade väl som ett elektrodmaterial och skräddarsydd tillverkning erbjuds mångsidiga elektriska och mekaniska egenskaper. Högre nanoplatelet koncentrationer minskade pappers resistivitet 24 och Polymeric stöder förhindras vatten adsorption medan cellulosa stöd att vatten diffusion (data visas ej).

Komplikationer med enhetens funktioner kan inkludera ökad resistivitet vid brunnen ytan, trasiga elektriska anslutningar, elektrolytiska bubblor, bubbla introduktion under provbelastning, och skeva och geometri. Isoleringen testet i proceduren steg 1.5 bör utnyttjas före varje experiment för att bedöma enhet integritet. Utnyttjad XG grafen pappersytan exponeras för mikro bar bort efter ~ 30 experiment. Blandat DEP resultaten var lätt igen via oberäkneligt globala flödet genom mikro-brunn eller inget svar på en applicerad potential. Sida A och sida B (figur 1c) grafenskikt enheten kan gå sönder om de inte hanteras varsamt. I dessa fall behövs utbytesenheter. Vid frekvenser vid eller under 100 Hz, 3D-grafen elektrod katalyseras vatten elektrolys att producera O 2 och H 2 bubblor. Thär tröskelfrekvensen är två storleksordningar lägre än den här gruppens tidigare resultat med traditionella mikrofabricerade 2D-elektroder 49, som expanderar förarutrymme där partiklar eller biologiska celler kan förhöras. Luftbubblor från provsprutan bör undvikas på grund av elektrisk fältform och optiska störningar. Slutligen är helt vertikal mikrobrunnsborrning kritiskt för konsekvent optisk belysning och observation av DEP beteenden. Mikro väl skev blir svårare att hantera då antalet laminerade skikt ökar. De flesta konfokala och ljus mikroskop har arbetat avstånd under 1 mm, så DEP beteenden kan inte enkelt iakttas vid tjocklek ovanför denna. Emellertid skulle öka den tredje dimensionen vara fördelaktigt för storskalig DEP bearbetning.

En enkel lamin grafen papper / bandstruktur har visats som en satsvis 3D DEP mikroanordning. I framtida applikationer, partikel eller cell fjädring kan kontinuerligt flöde genom enheten för att uppnå högre genomströmning DEP sortering 50. Specifika biomedicinska tillämpningar som kräver sortering av stora volymer för att separera och identifiera sällsynta celler omfattar detektering av cirkulerande tumörceller 51 och sepsis 52. Dessutom kan vattenabsorberande grafen papperet samtidigt fungera som en elektrod och diffusion medium för partikel / cell koncentratorer. Slutligen har grafén papper visats som en livskraftig biosensor 24. Den anordning som beskrivs här kan användas för samtidig DEP koncentration och biologisk detektion vid grafen ytan. Således kan olika grafén papperstyper vara användbara elektroder i hög genomströmning mikroflödessystem som använder elektrokinetik och / eller biosensorer.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Författarna har inga konflikter att lämna ut.

Acknowledgments

Tack till XG Sciences för generösa donationer av grafen papper. Tack till Dr C. Friedrich för generöst låter oss använda mikro borrutrustning. Ett särskilt tack utvidgas till Tayloria Adams för att berätta videon.

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

Fysik grafén papper dielektrofores grafenelektroder 3D laminerad mikroanordning polystyrenkulor celldiagnostik
Utveckling av en 3D Grafen elektrod dielektroforetisk 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