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Ingenieurwesen

3D 그래 핀 전극 유전 영동 장치의 개발

Published: June 22, 2014
doi:
10.3791/51696
, , , , , ,
1Department of Chemical Engineering,Michigan Technological University, 2Department of Mechanical Engineering,Michigan Technological University, 3XG Sciences, Inc.

Summary

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

Abstract

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

Introduction

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

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

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

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

Protocol

1. 박판 전극 / 절연 3D 구조를 제작 6 그라 핀 층의 경우, 5 테이프 계층 장치는 6 0.7 ㎝ × 1.5 ㎝의 직사각형으로 메스 또는 유사한 면도날과 가장자리가 직선 자와 그래 핀의 종이를 잘라 다섯 1.3 cm로 양면 압력에 민감한 테이프를 가위로 잘라 사용 X ~ 5cm 줄무늬. 주 :도 1a에 도시 된 바와 같이, 이것은 3 접지 전극, 3 AC 신호 전극 소자를 수득 하였다. 층의 폭을 실시 7m​​m …

Representative Results

6 μm의 폴리스티렌 구슬 유전 실험은 0.38 mm 3 원통형 마이크로 잘 수행했다. 결과는 3 차원 그래 핀 종이 기반의 장치가 3 차원 금속 호일 적층 장치 20, 21, 전통적인 2D 금속 전극 (26, 27)와 유사한 유전 서명을 설명하고, 제 2 절연체 장치 (25) 수 적층 것을 보여줍니다. 다음 실험에서, 15 V 피크 – 피크 AC 신호를 적용하고, 주파수는 100 Hz에서 30 MHz의 10에?…

Discussion

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

Offenlegungen

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

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

Materials

Reagents
Name of Reagent Company Catalogue Number Comments
Polystyrene Beads Spherotech, Inc. PP-60-10 6.08 um 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
Equipment:
Name of equipment  Company Catalogue Number Comments
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 Version4.8
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Referenzen

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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).
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