Login processing...

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

Engineering

3D Grafen Elektrot dielektroforetik Cihazı Geliştirilmesi

doi: 10.3791/51696 Published: June 22, 2014

Summary

Yüksek verimli bir potansiyele sahip olan yeni microdevice malzemeler ile üç boyutlu (3D) dielektroforez (DEP) göstermek için kullanılır. Grafen nanoplatelet kağıt ve çift taraflı bant dönüşümlü yığılmış; 700 ml'lik bir mikro-gözenekli tabakaların enine delinmiştir. Polistiren boncuklar DEP davranışı mikro iyi gösterilmiştir.

Abstract

50 mikron kalınlığında grafen kağıdı ve 100 mikron çift taraflı bant kullanarak yeni bir 3D elektrot mikrocihazda tasarım ve imalat açıklanmıştır. Protokol çok yönlü, yeniden kullanılabilir, çoklu katman, lamine dielektroforez odasını oluşturmak için prosedürleri ayrıntıları. Özel olarak, x 0.7 cm x 2 cm graphene kağıt 50 um ve çift taraflı bant beş kat altı tabakaları dönüşümlü olarak bir araya konmuş, daha sonra, bir cam slayt kenetlenir. Daha sonra, bir 700 mikron çapında mikro zamanda bir bilgisayar kontrollü mikro delme makinesi kullanılarak tabakalı yapısı ile delinmiştir. Komşu grafen katmanları arasında bant tabakasının yalıtım özellikleri direnç testleri ile güvence verildi. Gümüş iletken epoksi grafen kağıdı alternatif katmanları bağlı ve grafen kağıdı ve dış bakır tel elektrotlar arasında istikrarlı bağlantıları kurdu. Bitmiş cihaz kilitlenir ve daha sonra, cam bir kapak ile kapatılır. Elektrik alan degrade t içinde modellenmişO çok katmanlı cihaz. 6 um polistiren boncuklar dielelektroforetik davranışları 0.0001 S / m 1.3 S / m arasında değişen orta iletkenlik derin mikro de 1 mm gösterdiği ve 10 MHz 100 Hz sinyal frekansları uygulanmıştır. Olumsuz dielelektroforetik tepkiler frekans değerleri, daha önce bildirilen literatür değerleri ile tutarlıdır iletkenlik frekans alanı ve çaprazlama en fazla üç boyutlu olarak gözlenmiştir. Cihaz AC elektroozmoz ve elektro-düşük ve yüksek frekans bölgelerinde meydana gelen akışları, sırasıyla engel olamadı. Bu cihazın kullanılan grafen kağıdı yönlüdür ve dielektroforetik karakterizasyonu tamamlandıktan sonra sonradan bir biyosensör olarak işlev olabilir.

Introduction

Grafen yüksek kaliteli elektronik özellikleri ve potansiyel kimyasal ve biyosensör uygulamalarında 1 için bilinen yeni bir malzemedir. Grafen nanoplatelets katalizör desteği 2, 3, 4 biyosensörler, süper kondansatör 5 ve grafin / polianilin ve silikon nanopartikül / graphene kompozitler 6-8 içeren kompozit elektrotlar kullanılmaktadır. Bu el yazması eşsiz bir üç boyutlu (3D) elektrotlar, katmanlı mikroakışkan cihazı olarak grafen kağıdı kullanımını açıklar. Grafen kağıt elektrotlar olarak yalıtkan, çift taraflı bant ve polistiren boncuklar 3D AC dielektroforez uygulandı, içinde delinmiş bir bölme ile lamine edilmiştir.

Dielektroforez, (DEP) eşit olmayan elektrik alanlarının altında polarize parçacıkların hareketi ifade eder. Partiküller daha fazla veya daha az polarize olabilir çevreleyen ortam, resu daha olduğunda pozitif DEP (pDEP) veya negatif DEP (NDEP) ortaya çıkarsırasıyla, güçlü ya da zayıf elektrik alanına doğru hareketi lting. Bu doğrusal olmayan elektrokinetik aracı, ayırma yakalama ve parçacıklar ve biyolojik hücre kimlik, 9-15 arasında, ayrılması için kullanılmıştır. Bir polarize parçacığın karşılaştığı dielektroforetik kuvvet elektrik alan gradyan, partikül çapı ve şekli, iletkenlik ve geçirgenlik gibi parçacık dielektrik özelliklerinin yanı sıra medya iletkenlik ve geçirgenlik bir fonksiyonudur. Geleneksel iki boyutlu (2B) DEP olarak, tipik haliyle parçacık hareket mikrofabrike yüzeye elektrotlar arasında oluşan elektrik alanının gradyanı birincil düzleminde olduğu; dikey yönde hareket en cihazlarda in-düzlem yönlerde kıyasla ihmal edilebilir düzeydedir. Ancak, 3D DEP için elektrik alan degradelerin bu üçüncü boyut koşan daha yüksek örnek sağlar ve akış trave olduğu yeni ve geliştirilmiş dielektroforetik ayrımlarını tasarım çok yönlülüğü artırıralana RSE 16, 17, gradyanlar. Diğer özel tasarımlar 3D izolatör-tabanlı DEP 18, 3D karbon-elektrot DEP 13, 19, ve DEP 10 galvanik 3D içerir. 3B yapılar halinde araştırma kanıtladığı gibi, bu cihazlar yüksek verim elde etmek için sürekli bir akış modunda çalıştırılabilir. Bizim katmanlı 3B cihazında 3D parçacık hareketinin gözlenmesi farklı odak yüksekliklerde ışık mikroskobu ile frekans ve orta iletkenliğinin bir fonksiyonu olarak elde edilmektedir.

Fatoyinbo vd. Ilk alternatif yığılmış 30 mikron alüminyum folyo ve 150 mikron epoksi reçine filmleri 20 kullanılarak elektrot / yalıtım yapıya lamine bir 3D DEP bildirdi. Hubner vd. Sonra 35 mikron bakır şerit ve 118 mikron poliimit yapıştırıcı 21 ile benzer 3D lamine elektrotları tasarlanmıştır. Bu çalışma, 3D-iyi tasarım 22, 23 ödünç, Ve eşsiz bir sızdırmazlık ve yeterli elektrik koruma elde yalıtım katmanları olarak iletken tabaka ve 100 um çift taraflı bir bant olarak 50 um grafin kağıt kolaylık kullanır. Grafen nanoplatelets anda bu grup daha önce 24 gösterildiği biyosensör olarak hareket yeteneğine sahip, çünkü Grafen kağıdı yönlülüğü 3D elektrot mikrocihazlar için ayrı bir avantajdır.

Grafen kağıdı / polimer içinde elde alan eğimleri 3D mikrovasıtalar mikro kuyu boyutları, grafen kağıt katmanları ve uygulanan elektrik alan bağlıdır lamine. Kritik boyutlar dikey elektrot boşluğu (tabaka kalınlıkları iletken ve yalıtkan) ve mikro-kuyu çapı ve yüksekliği (yığılı katmanları tarafından belirlenir) içerir. Elektrik sinyali genliği ve frekansı ile ayarlanmış olabilir. Geçerli aygıt yapısı toplu işlem için, ama sürekli bir akış cihazı için uygun olabilir. Cihaz fabBurada anlatılan teknik, rication 3D sadece kullanılan grafen kağıdı alışverişi grafin nanoplatelet özelliklerinin geniş bir yelpazede olan elektrotlar lamine geliştirmek için uygundur. Grafen kağıdı kullanan Avantajları fiziksel ve kimyasal özelliklerinin çok yönlülük, azaltılmış gider, ve biyosensörler bioanalytes 24 geniş bir tespit olarak grafen nanoplatelets aynı anda hareket edebilir. Yüksek kapasiteli 3D DEP sistemlerinin uzun vadeli hedefleri hızla hücre tipleri 25-27 tanımlamak, ya da sağlıklı hücrelerin 28 popülasyonlarında hastalıklı hücrelerin etiket ücretsiz, elektriksel aracılı hücre sıralamayı elde etmek için vardır. Bu kağıt malzeme optimizasyonu ve gösterim ve tipik sonuçların analizi, ardından cihaz hazırlık ve işlem gösterilmektedir.

Protocol

1.. Bir Lamine Elektrot / yalıtım 3D Yapı Üretiyor

  1. 6 grafen tabakası için, 5 bant katmanı cihazı, altı 0.7 cm x 1.5 cm dikdörtgenler halinde bir neşter ya da benzer bir jilet ve düz kenarlı cetvel ile grafen kağıdı kesti ve beş 1.3 cm içine çift taraflı basınca duyarlı bant kesmek için makas kullanın x ~ 5 cm çizgili.
    NOT: Şekil 1a'da gösterildiği gibi, bir toprak elektrotu 3, 3 AC sinyali elektrotlu bir aygıt elde edilir. Tabaka genişliği yürüten 7 mm kolay delme için yeterince geniş, henüz bir cam slayt üzerine sığacak kadar dar olduğunu. 2 mm uzunluk kolayca tekrar tekrar kullanımı üzerine kırmak ve bakır tel takmak için yeterli oda vardır değil. Cihaz derinlik derinliklerine freze ile sınırlıdır.
  2. Temiz bir cam slayt grafen kağıdı ilk katman yatıyordu. Yavaşça iki bitişik graphene kağıt tabakaları arasında yalıtım (Şekil 1b sağlamak için bir ~ 2 mm kenar boşluğu bırakarak şeridinin bir şerit ile grafen kağıdın bir ucunu kapsar
  3. Graphene kağıt (Şekil 1a) birinci tabaka ofset bandın üzerine grafen kağıt, ikinci kat yerleştirin. Tabakalar arasında iyi bir sızdırmazlık sağlamak için, her iletken tabakanın ilave edildikten sonra orta basınç (başparmak ile muntazam pres, ~ 100 N fazla 0,7 cm 2 alan) uygulanır.
  4. Tekrar üst ve alt katmanları grafen kağıdı hem bırakarak, 1.2 ve kalan katmanları için 1.3 adımları. Graphene kağıt tabakası arasında yalıtım sağlamak için, küçük bir ~ 1 mm kenar boşluğu bırakarak cihaz kenarlarından fazla bandı çıkarmak için Şekil 1b de gösterildiği gibi kesikli bir hat boyunca kesilmiş (Şekil 1b).
    NOT: Çift taraflı bant, bu lamine yapı olarak enkaz toplama önlemek için alt ve üst katmanlar delinmiş gibi bir slayt üzerine monte, kullanılan ve örnek ile dolu değil.
  5. Bir multimetre (direnç modu) ile hızlı bir izolasyon testi yapın. Th iki farklı yanları üzerinde pozitif ve negatif probları yerleştirine cihazı (Şekil 1c A ve B); yüksek direnç (mega Ohm kilo kadar) katmanlar arasında iyi bir yalıtım gösterir. Mikro kuyu sondajı için hazırlamak için cam slayt katmanlı yapısını çıkarın.
    NOT: komşu grafen kağıdı tabakaları adımlarla 1,4 ile 1,2 esnasında temas yaparken bir cihaz genellikle yalıtım test başarısız olur. Bu tür cihazlar atın.

2.. Lamine Yapısı Mikro-iyi Matkap

  1. Bir bilgisayar kontrollü mekanik mikro-freze makinesi kullanın ve bir çapı 700 mikron ve kesim 2.1 mm uzunluğunda bir uç değirmeni seçin. Uygun kelepçeler kullanılarak mikro-freze sahnede lamine yapıyı hareketsiz (Şekil 2a ve b). 8600 rpm'de freze milini çalıştırın ve ardından uç değirmen içine yavaş yavaş ve tabakalı yapının merkezi boyunca aşağı indirin. Iç duvarını yumuşatmak için mikro-kuyunun yukarı ve aşağı dönen uç değirmen taşı.
    1. Mikro-iyi seçinkesim boy oranları mevcut freze çap / uzunluğuna göre kısıtlı çapları. Mikro kuyusunun iç yüzeyinin mikro-gözenekli sayesinde optimal elektrik alan gradyanları ve ışık geçişi için mümkün olduğu kadar dikey ve temiz olduğundan emin olun.
  2. Basınçlı hava ile mikro-kuyudan temiz enkaz. 1.5 açıklandığı gibi başka bir yalıtım testi yapın.

3.. Lamine Yapısı Elektrik İlanlar takın

  1. 2 cm bir dik açı ile iki 3 cm uzunluğunda 32 G bakır teller katlayın. ~ Karıştırın kısım A ve gümüş iletken epoksi B 1.5 ml.
    NOT: Denklem 1
  2. El üstüne gümüş karışık epoksi uygulanır ve 3 grafin kağıt tabakalarının uçları tabakalı yapı (Şekil 1c) yan A tabakalar arasında iyi bir temas sağlamak için, daha sonra epoksi ve ikisi arasında 1 cm bakır tel ucunu yerleştirmek katmanları. Softly sqaşırı epoksi kaldırmak ve iyi bir elektrik teması sağlamak için katmanları ueeze. Lamine yapının yan B için tekrarlayın.
  3. Gece boyunca at 70 ° C ve 1 atm kuruması için, fırın rafa bütün yerleştiriniz.

4.. Numune ve Medya hazırlayın

  1. Bir iletkenlik ölçer kullanılarak iletkenliklerinin spektrumu, 290 mM mannitol stok çözeltisi ve izotonik fosfat tamponlu salin (PBS) içinde seri eklemeler izotonik ortam hazırlayın.
    Not: A doğrusal bir ilişki ~ 290 mOsm / L mannitol çözeltisi (iletken olmayan) in (iletken) ~ 290 mOsm / L PBS iletkenliği ve hacim konsantrasyonu arasında bulunmaktadır. Video 0.01 S / m iletkenlik bir ortam sunmaktadır.
  2. Vol oranı: 01:50 hac için hazırlanan iletkenlik medya ya da e-saf su (~ 5 x 10 -6 S / m) ile polistiren boncuklar karıştırın. Bu protokol de biyolojik hücrelere kolaylıkla uyarlanabilir.

5.. Kurulum Deney ve Aygıtı İşlet

  1. Cihaz o Kelepçetadil edilmiş kağıt kelepçeler veya eşdeğeri kullanılarak orta basınç (Şekil 2d) ile bir cam slayt nBu. Temeller örnek sızıntının önlenmesi cam slayt lamine yapıyı mühür mikro-kuyuya kadar yakın olmalıdır. Kelepçe katmanlı yapısının deformasyonunu önlemek için optimize edilmiş bir basınç) ile mikroskop aşamasında içinde uygun ve b) mikro-gözenekli sıvı akmaması sağlamalıdır. Deformasyon deney tekrarlanabilirlik azaltarak iyi geometri ve ışık yolunu değiştirir.
  2. Bir mikro şırınga veya eşdeğeri kullanılarak, yavaş yavaş mikro kuyuya numunenin ~ 1 ul enjekte edilir ve herhangi bir baloncuklarının oluşumunu ortadan kaldırmak. Gerekirse enjeksiyon tekrarlayın ve keskin iğne ile mikro kuyu duvarları zarar için dikkatli kullanın. Biraz mikro-iyi doldurmayın ve hemen, aşırı sıvı kaldırmak buharlaşmasını önlemek ve her bir deney için tekrarlanabilir miktarlar sağlamak için mikro-kuyunun üzerinde cam kapak kaydırın.
    NOT: Scor için iyi çalışır glasscutter bir elmas uçboyutuna e ve çatlak cam kapak.
  3. Mikroskop aşamasında tamamlanmış lamine mikrocihazda Güvenli ve cihaz üzerinde yol iki bakır fonksiyon jeneratörü elektrot tel takmak. Axiovision (Zeiss) yazılımı, çok boyutlu yakalama modunda kamera kaydını başlatmak için düğmesini tıklatın. Uygulanmış ve elektrik alan olmadan tepkilerini belgelemek için CCD kamera kaydı başladıktan sonra sabit bir zaman diliminde işlev üreteci sinyali başlatın.
    Not: Burada, 100 Hz, 15 V tepe-tepe sinyal ile MHz frekansı 10 uygulanmıştır ve deneyler 2 saniye boyunca cam slayt, yüzey üzerinde 1-200 de 10X büyütmede gözlenmiştir alanı olmadan ve alanı ile ~ 5 dakika uygulanır. Görüntüler dijital fazla analiz için saniye (fps) başına 1 ila 5 kare kaydedildi.
  4. Deney tamamlandıktan sonra, aygıtı kaldırmak ve kelepçeleri sökün. Sabunlu suyla cam slayt ve cihazı hem de batırmayın, sonra iyice durulayın. 30 hakkında zaman Tekrar cihazlartutarlı bir performans ile s.

6.. Veri Analizi ve Görüntü İşleme

  1. Gibi ImageJ olarak tercih yazılımı ile görüntü verileri analiz. Belirli bir zaman adımında ardışık görüntüler arasında parçacık deplasman hızını hesaplayın.
  2. Eğilimleri derlemek ve teori 29 ile karşılaştırmak hıza dayanan deneysel DEP kuvvet ve alan gücü hesaplayın.
  3. Radyal olarak elektrik alan gradyanı şekline uygun mikro-gözenekli geometride Ölçü parçacık hızı. Mikro kuyu kenarından merkezine, 7 bölgede sonuçlanır 8 eş izoelektrik konturları (350, 300, ... 50, 0 um), tanımlamak.
    NOT: 50 mikron mesafe hız hesaplamak için kullanılan çapraz parçacıklar için zaman. Geometrik varyasyonları bunu gerektirdiği zaman, izoelektrik kontür biraz ayarlandı.

Representative Results

6 um polistiren boncuklar üzerinde dielelektroforetik deneyleri, 0.38 mm 3 silindirik, mikro-gözenekli yapılmıştır. Sonuçlar, 3D grafen kağıt tabanlı bir aygıt 3D metal folyo laminat cihazları 20, 21, geleneksel 2D metal elektrot 26, 27 benzer dielelektroforetik imzalar göstermektedir, ve 2D yalıtkan cihazları 25 için lamine göstermektedir. Aşağıdaki deneylerde, 15 V bir tepe-tepe AC sinyali uygulandı ve frekansı 100 Hz MHz 30 ile 10 arasında değişiyordu. Nitel DEP sonuçlar alan uygulaması (ilk sütun) daha önce 0 zamanında, Şekil 3'te gösterilen ve elektrik alanı, 5 dakika (ikinci sütun sonra). Hiçbir elektriksel alan mevcut iken, yerçekimi aracılığıyla cihaz altındaki (Şekil 3a ve b). Şekil 3c yavaş yavaş tortu partikülleri ve tipik pDEP gibi, 1 kHz sonuçları göstermek dmikro-gözenekli kenarlarına doğru toplama parçacıklar ile gösterilir. Şekil 3e ve merkezinde parçacıkların odaklama ile gösterildiği gibi, f, 10 MHz NDEP göstermektedir.

Şekil 4a, 100 Hz ile 10 MHz'e kadar bir frekans aralığı üzerinde 0.0001 S / m ve 1.3 S / m arasında iletkenlikler için deneysel DEP yanıtları göstermektedir. Negatif DEP (NDEP) ya da pozitif DEP (pDEP) tipik olarak mikro-gözenekli merkezinde veya kenarlarına doğru hareket boncukların gözlenmesi ile tespit edilmiştir. Bununla birlikte, bu Şekil 4a'da açık semboller ile gösterildiği gibi, iletkenlik frekans alanında iki bölgelerde DEP davranışı ile eş zamanlı olarak meydana gelen mikro kuyusunun kenarlarına yakın akım (20-50 um çap) ile yeniden sirküle karmaşıktır. Diğer tip, yüksek iletkenlik ve yüksek frekansta gözlenmiştir ise devri daim akımının bir tipi, test edilen bütün iletkenlikleri de 10 kHz ~ altında gözlendi. Çevrimli akışlar NDEP veya pDEP boncuk mot değiştirebilirdeğişen derecelerde iyonları. Bu aynı anda kuvvetlerin Şekil 4a'da parametre alanı gösterilmiştir.

Dielelektroforetik hızları mikro-gözenek içindeki konsantrik sayaçları (Şekil 5a) kullanılarak radyal konumunun bir fonksiyonu olarak tablo haline getirilmiştir. Konumu ile hız eğilimlerini Şekil 5c 'de gösterilmiştir. Beklendiği gibi, en yüksek hızlar yüksek elektrik alan yoğunluğu (Şekil 5b) ile bölgeye karşılık gelen mikro-gözenekli kenarına yakın gözlenir. Parçacıklar bir 1 dk kayıt sırasında odak düzlemi içinde ve dışında dikey olarak hareket. Bununla birlikte, bu düşey hız büyüklük olduğu tahmin edilmektedir ve bu nedenle ölçülen 5 ~ 100 mm / sn eş hızı ile karşılaştırıldığında ihmal edilebilir olmasıdır. Düzlem hızları 5 mm / sn 'den ≈ 1.07 x 10 -16 m elektrik alan yoğunluklu bölge üzerinde 4 / (V ⋅ sn) DEP hareketliliğe karşılık 36 mm / sn, değişirs 5 x 10 4 V / m V / m 5 10 x 3 arasında. Hızları 3D sistemleri 31, 32, 2 elektrot sistemleri 33 bildirilenlerle uyumludur ve DC yalıtkan DEP sistemleri 34.

Şekil 1
Lamine cihaz için Şekil 1. Fabrikasyon süreci. a) Alternatif b) Basın katmanlar birlikte. komşu grafen katmanları arasındaki bağlantıyı önlemek için grafen kağıdı 6 kat ve çift taraflı bant 5 katmanları yığını ve kırmızı birlikte aşırı çift taraflı bant kesilmiş kesik çizgi. c) bir mikro-iyi Matkap Şekiller 2a ve b,. d'de gösterildiği gibi mikro-öğütme vasıtasıyla orta) uyun iki bakır gümüş epoksi ile A ve B Yan yan yol açar. e) Nihai imal cihazı.


Şekil 2. A) Bilgisayar kontrollü mikro-sondaj makinesi. B) Lamine yapısı kelepçeler ile sahnede immobilize edilir. Basınçlı hava milinde. C) mikrocihazda deneyler veri toplama için bir mikroskop, CCD kamera, fonksiyon jeneratör ve bilgisayar. D) mikrocihazda Close-up görünümü mikroskop sahnede bir cam slayt üzerine kenetlenir ile yürütülen kapalı enkaz darbe için kullanılır . Fonksiyon jeneratörü AC elektrik sinyali bakır yol aracılığıyla cihaza uygulanır.

Şekil 3,
Şekil 3. 3D içinde tipik dielektroforez tepkiler mikrocihazda lamine. A 15 V tepe-tepe 1.3 x 10 bir orta iletkenliği ile uygulandı-4 S / m. Birinci sütun deneyi de parçacıklar, elektrik alanı ile başlar göstermektedir ve ikinci kolon, 5 dakika sonra ab) mikro-gözenekli alt tortu parçacıklar yanıtı göstermektedir; cd) 1 kHz'de, parçacıklar mikro-gözenekli kenarına yakın toplandı. , 10 MHz'de pDEP. ef) gösteren parçacıklar NDEP gösteren mikro-kuyu merkezine duruldu.

Şekil 4,
PBS içinde iletkenliğinin bir fonksiyonu (0,0001-1,3 S / m) ve frekans (100 Hz-10 MHz) 6.08 um olarak polistiren boncuklar Şekil 4 a.) Deneysel DEP davranış mannitol çözeltisi ayarlandı. Küçük dönüşümler düşük frekanslarda (<1 kHz) ve tüm test edilen orta iletkenlik, hem de yüksek frekanslarda ve daha yüksek, orta iletkenlik de mikro-gözenekli kenarlarına yakın DEP davranışı ile eş zamanlı gözlenmiştir. Açık semboller , negatif DEP ve devridaim pozitif DEP temsil ederken katı sembolü resirkülasyon olmadan NDEP temsil eder. ~ 100 Hz altında, elektroliz kabarcıklar gözlendi ve Δ. B ile temsil edilmektedir) 0.0001 S / m S / m 1.3 ila geçit frekansları Öngörülen. , bu rakamın daha büyük bir versiyonunu görmek için buraya tıklayınız.

Şekil 5,
Şekil 5 a.) 15 V peak-peak, 1MHz alanında NDEP yaşandığı polistiren boncuklar Görüntüler. Onlar kuyu geçerken içe daire parçacıkların hareketini izleyebilirsiniz. Elektrik alan gradyan b) COMSOL simülasyon (V / m2) içindeki radyal konumun bir fonksiyonu olarak boncukların kümelerin mikro-iyi. C) dielektroforetik hızlarının bir kesitinin mikro kuyu. , bu rakamın daha büyük bir versiyonunu görmek için buraya tıklayınız.

Discussion

Bu el yazması bir roman 6 grafen tabakası ve 5 bant katmanı mikrocihazda imalatı için protokoller ayrıntıları. Ayrıca, cihaz işlemi benzersiz, geometrik ilgili parçacık hız analizi yaklaşımı ile birlikte 6.08 mikron polistiren boncuklar gözlenen DEP davranışları aracılığıyla gösterilmektedir. Aynı derecede güvenilir sonuçlar veren ise doğrusal olmayan elektrokinetik cihazlar oluşturmak için bu çok yönlü yaklaşım, elektrot ve akışkan tabaka mikroimalat tekniklerden daha az maliyetlidir.

Ayrıca, bu yeni 3D grafen kağıdı mikrovasıta hem teorik tahmin davranışları ile kabul deneysel dielektroforetik sonuç verdi ve daha önce deneysel sonuçlar 35 bildirdi. 10 MHz ve medya iletkenlikleri 1 ila 100 Hz sinyal frekansları için x 10 -4 S / m 1.3 S / m, deneyler pDEP gözlendi aşağıda ve NDEP gözlendi yukarıda bir crossover frekansı, varlığını doğruladı. Beklendiği gibi,NDEP Şekil 4a'da gösterildiği gibi, iletkenlik frekans alanı en fazla gözlendi. Teori 6.08 mikron homojen polistiren boncuklar ρ = 2.55, σ ρ = 1.3 x 10 -3 S / m 36) bir geçiş frekansını olduğunu tahmin olduğunda σ m <σ ρ = 1.3 x 10 -3 S / m. Kalan parametre uzayında 1'den x 10 -4 S / m S / m, ≈ 1 kHz sırasına geçit frekansları (f yaklaşık 1,3 x 10 -3 gözlenmiş. Örneğin, f ortak bir 1 kHz oldu Bir önceki 1.0 deneysel sonucunu rapor ise 3.9 x 10 -4 S / m, orta, x 10 -3 S / m değeri 168 kHz 37-39 oldu tahmin co = 5 kHz 35 f, ve model tabanlı edildi. Bu üç sonuçlar orta co değiştirmek crossover frekans hassasiyeti verilen kaba sözleşmesinde kabulbelirli bir bölge 40, hem de diğer bileşik şarj kaynaklı faktörler ve donanım varyasyonlarının nductivity. Ortam iletkenlik hafif bir değişiklik 1 x 10 4 S / m -3 S / m 10 x 1.3 arasında, tekabül eden çapraz frekansları 2 büyüklükte siparişleri ya da daha fazla azalma gibi, Şekil 4b'de gösterildiği gibi. Yukarıda belirtildiği gibi sabit parametreler ile modelde geçiş frekansı olarak 168 kHz kullanarak, bir parçacık iletkenlik için çözmek ve S / 1.3 x 10 -3 S gerçek değeri ile karşılaştırıldığında m o 1.00 x 10 -3 olması bulabilirsiniz / m (% 23 fark).

Çevrimli iki tip gözlemler iletkenliği frekans alanı akar gözlendi ve sırasıyla düşük ve yüksek frekans bölgelerinde, AC elektroozmoz ve elektrotermal akımları atfedilmiştir. Düşük frekanslar için her test orta iletkenlikleri, yerel parçacık sirkülasyon hızlarında (<10 kHz) frekans arttıkçaorta iletkenlik nedeniyle küçük değişiklikler ile azalmıştır. Iletkenlik-frekans koşulları ve sirkülasyon rulolar (20-50 mikron) boyutu hem de önceki AC elektroozmotik akım çalışmaları 41-43 katılıyorum. Görece yüksek frekanslarda görece yüksek orta iletkenlik (> 100 kHz) (> 0.01 S / m) için, NDEP devridaim kuvvetlenebilmektedir başlar. Orta iletkenlik arttıkça Çevrimli parçacık hızları artmış ve sıklığı artmıştır. Yine, iletkenlik-frekans koşulları ve dönüşümlerin boyutu, hem önceki bulgularla 44-47 katılıyorum.

3D DEP, parçacıklar, aynı zamanda, mikro-kuyuda birden çok dikey pozisyonda bitişik graphene kağıt tabakalar arasında parçacıkları itme dielelektroforetik kuvvetler yaşarlar. Odaklanmış ışık DEP parçacıkları üzerinde ve ilgi düzleminin altında göre dağılmış olduğu için, bu gibi bir optik mikroskop gözlem kısmen taviz verilmektedir. Zaman nedeniyle, mor üzerinde yerçekimi sedimantasyonae parçacıklar 48 (veriler gösterilmemiştir), üst-en DEP odaklama düzlemler içinde daha alt DEP odaklama düzlemde yakınında gözlenmiştir.

Cihaz fabrikasyon son derece çok yönlüdür; Resim protokolleri kolayca daha fazla tabaka ya da başka malzemeler ile cihazlar için adapte edilebilir. Alternatif bir yalıtım tabakası malzemesi olarak, polidimetilsiloksan (PDMS) ince filmler, kontrol edilebilir ve oldukça düzgün bir kalınlığa spincoated edilebilir. PDMS iyi elektrik ve yüzey kimyası özellikleri karakterize, ama böyle ince kırılgan filmlerin kullanımı zahmetli olmuş. Çift taraflı bant daha muntazam bir kalınlığa sahip, iyi katman-to-tabakası sızdırmazlık ile idare etmek daha kolay oldu ve böylece optimal fonksiyonel cihazların yüksek başarı oranı elde edilmiştir. XG Bilimleri grafen kağıdı (Yaprak B-072) bir elektrot malzemesi olarak iyi işliyordu ve özel üretim yönlü elektrikli ve mekanik niteliklere sundu. Yükseköğretim nanoplatelet konsantrasyonları kağıt dirençililik 24 ve polym azaltılmışselülozik destekleri su difüzyon (veriler gösterilmemiştir) izin verirken Eric engelledi su adsorpsiyonunu destekler.

Cihaz işlevselliği ile Komplikasyonlar de yüzeyde artan direnç, kırık elektrik bağlantılarını, elektrolitik kabarcıklar, örnek yükleme sırasında kabarcık giriş ve çarpık iyi geometri içerebilir. Prosedürü adım 1.5 yalıtım testi öncesinde cihaz bütünlüğünü değerlendirmek için her bir deney için kullanılmalıdır. Kuyucuktan maruz kullanılan XG grafen kağıdı yüzey sonra ~ 30 deneyleri giydi. Tutarsız DEP sonuçları kolayca uygulanan bir potansiyele mikro-iyi ya da hayır yanıtı ile düzensiz küresel akışı ile kabul edildi. Nazikçe ele değilse cihazın yan A ve Side B (Şekil 1c) grafen katmanları kırılabilir. Bu durumda, yedek cihazları kullanmak gerekli değildir. 100 Hz veya altındaki frekanslarda, 3D grafen elektrotlar O 2 ve H 2 kabarcıklar üretmek için su elektroliz katalize. Thfrekans eşik parçacıklar veya biyolojik hücreler sorguya hangi işletim alanı genişler geleneksel microfabricated 2D elektrotlar 49, bu grubun önceki sonuçlara göre daha düşük büyüklükte 2 emirleri olduğunu. Örnek şırınga hava kabarcıkları nedeniyle elektrik alan şekil ve optik müdahalelere kaçınılmalıdır. Son olarak, mükemmel dikey mikro kuyu sondaj tutarlı optik aydınlatma ve DEP davranışlarının gözlem için önemlidir. Mikro-iyi çarpıklaşması lamine tabaka artar sayısı olarak yönetmek için daha zor hale gelir. Çoğu konfokal ve ışık mikroskopları 1 mm altındaki mesafeler çalışma var, yani DEP davranışlar kolayca bu yukarıda kalınlığında gözlenen olamaz. Ancak, üçüncü boyut artan büyük ölçekli DEP işlenmesi için avantajlı olacaktır.

Bir basit lamine grafen kağıdı / bant yapısı bir toplu-bilge 3D DEP mikrocihazda olarak kanıtlanmıştır. Gelecekteki uygulamalar, parçacık veya ce Inll süspansiyon sürekli olarak 50 sıralama daha yüksek verim elde etmek için DEP, cihazdan geçen akış olabilir. Nadir hücreleri ayırmak ve tanımlamak için geniş hacimli sınıflandırılmasını gerektiren spesifik biyomedikal uygulamaları tümör hücreleri 51 ve sepsis 52 dolaşan belirlenmesini içermektedir. Buna ek olarak, su emici kağıt grafin aynı anda partikül / hücre yoğunlaştırıcıları için bir elektrot ve yayılma ortamı olarak işlev görebilir. Son olarak, graphene kağıt uygun bir biyosensör 24 olarak elde edilmiştir. Burada açıklanan cihaz, grafen yüzeyinde eşzamanlı DEP konsantrasyon ve biyolojik saptanması için kullanılabilir. Böylece farklı grafen kağıt türleri elektrokınetik ve / veya biyohissedicilerin istihdam yüksek kapasiteli mikrosıvı sistemlerde yararlı elektrotlar olabilir.

Disclosures

Yazarlar ifşa etmek hiçbir çatışmalar var.

Acknowledgments

Grafen kağıdı cömert bağış için XG Bilimleri teşekkürler. Cömertçe bize mikro-sondaj ekipmanları kullanmak için icar Dr C. Friedrich sayesinde. Özel bir teşekkür videoyu anlatan için Tayloria Adams uzatıldı.

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).
3D Grafen Elektrot dielektroforetik Cihazı Geliştirilmesi
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

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).

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