Summary

Ontwikkeling van een 3D Grafeen elektrode dielectrophoretic Device

Published: June 22, 2014
doi:

Summary

Een micro-inrichting met hoge doorvoer potentieel gebruikt om driedimensionale (3D) diëlektroforese (DEP) tonen met nieuwe materialen. Grafeen nanoplatelet papier en dubbelzijdig tape werden afwisselend gestapeld; een 700 urn micro-put werd geboord dwars op de lagen. DEP gedrag polystyreen korrels werd aangetoond in de micro-put.

Abstract

Het ontwerp en de fabricage van een nieuwe 3D-elektrode microdevice behulp van 50 micrometer dik grafeen papier en 100 pm dubbelzijdige tape wordt beschreven. Het protocol beschrijft de procedures om een ​​veelzijdige, herbruikbare, meerdere lagen, gelaagd dielectrophoresis kamer te bouwen. In het bijzonder werden zes lagen van 50 micrometer x 0,7 cm x 2 cm grafeen papier en vijf lagen van dubbelzijdige tape afwisselend op elkaar gestapeld, daarna vastgeklemd zit op een glasplaatje. Vervolgens werd een 700 urn diameter micro-put geboord door de gelamineerde structuur met een computergestuurde micro boormachine. Isolerende eigenschappen van de band laag tussen aangrenzende lagen grafeen werden verzekerd door de weerstand testen. Zilver geleidende epoxy verbonden afwisselende lagen van grafeen papier en vormden stabiele verbindingen tussen het grafeen papier en externe koperdraad elektroden. De afgewerkte apparaat werd vervolgens geklemd en verzegeld aan een glasplaatje. De elektrische veldgradiënt is gemodelleerd in thij meerlaagse apparaat. Diëlektroforetische gedrag van 6 urn polystyreen parels werden aangetoond in de 1 mm diep micro-put in de droogtrommel geleidbaarheden variërend van 0,0001 S / m tot 1,3 S / m en toegevoerde signaal frequenties van 100 Hz tot 10 MHz. Negatieve diëlektroforetische responsen waargenomen in drie dimensies over het grootste deel van de geleiding-frequentieruimte en een gemengde frequentiewaarden zijn consistent met eerder gemelde literatuurwaarden. Het apparaat kon niet verhinderen dat AC elektro en elektrothermische stromen, die zich in de lage en hoge frequentie gebieden, respectievelijk. Het grafeen papier gebruikt in dit apparaat is veelzijdig en kan vervolgens functioneren als een biosensor na dielectrophoretic karakteriseringen zijn voltooid.

Introduction

Grafeen is een nieuw materiaal dat bekend staat om zijn hoge kwaliteit elektronische eigenschappen en mogelijke chemische en biosensor applicaties 1. Grafeen nanoplatelets zijn gebruikt voor katalysatorsteun 2, 3, 4 biosensoren, super-condensatoren 5, en composiet-elektroden, met inbegrip grafeen / polyaniline en silicium nanodeeltjes / grafeen composieten 6-8. Dit manuscript beschrijft het gebruik van grafeen papier als elektroden in een unieke driedimensionale (3D), gelaagde microfluïdische apparaat. Grafeen papier elektroden werden gelamineerd met isolerende dubbelzijdige tape en een kamer geboord waarin 3D AC dielectrophoresis van polystyreen korrels werd uitgevoerd.

Diëlektroforese (DEP) verwijst naar de beweging van polariseerbare deeltjes onder niet-uniforme elektrische velden. Positieve DEP (pDEP) of negatief DEP (nDEP) ontstaat wanneer deeltjes min of meer polariseerbaar dan het omringende medium, automalting in beweging in de richting van de sterkste of zwakste elektrisch veld, respectievelijk. Deze lineaire elektrokinetische instrument is gebruikt voor de scheiding, het sorteren, het opsluiten, en identificatie van deeltjes en biologische cellen 9-15. De diëlektroforetische kracht ervaren door een gepolariseerde deeltje is een functie van de elektrische veldgradiënt, deeltjes straal en vorm, deeltjes diëlektrische eigenschappen zoals geleidbaarheid en permittiviteit, en de media geleidbaarheid en permittiviteit. In traditionele tweedimensionale (2D) DEP, deeltje beweging in het primaire vlak van de elektrische veldgradiënt typisch gevormd tussen mikro oppervlakte-elektroden; beweging in verticale richting verwaarloosbaar is vergeleken met in-vlak richtingen meeste apparaten. Echter, maken van deze derde dimensie van elektrisch veld gradiënten 3D DEP tegen hogere monsterdoorvoer en verhoogt de veelzijdigheid om nieuwe en verbeterde diëlektroforetische scheidingen waarbij de stroming Trave ontwerpenrse de veldgradiënten 16, 17. Andere specifieke ontwerpen omvatten 3D-isolator gebaseerde DEP 18, 3D koolstof-elektrode DEP 13, 19, en 3D galvaniseren DEP 10. Zoals blijkt uit het onderzoek naar 3D-structuren kunnen dergelijke inrichtingen continue stroom modus functioneren op hogere doorzet te bereiken. Observatie van de 3D deeltjesbeweging in onze gelaagde 3D inrichting wordt bereikt als functie van de frequentie en middelgrote geleiding via lichtmicroscopie op verschillende hoogtes brandpunt.

Fatoyinbo et al.. Eerst gemeld DEP in een 3D gelamineerd elektrode / isolatiestructuur gebruik afwisselend gestapeld 30 micrometer aluminiumfolie en 150 micrometer epoxyhars films 20. Hubner et al.. Vervolgens ontworpen vergelijkbaar 3D gelamineerde elektroden met 35 micrometer kopertape en 118 micrometer polyimide lijm 21. Dit werk leent de 3D-putontwerp 22, 23En unieke gebruik het gemak van 50 urn grafeen papier de geleidende lagen en 100 urn dubbelzijdige tape als isolerende lagen, die bereikt afdichting en voldoende elektrische afscherming. Grafeen papier veelzijdigheid is een duidelijk voordeel voor 3D elektrode Microdevices omdat de grafeen nanoplatelets de mogelijkheid om gelijktijdig fungeren als biosensoren, die deze groep eerder aangetoond 24.

De veldgradiënten verwezenlijkt in het grafeen papier / polymeer gelamineerd 3D Microdevices afhankelijk van het micro-put dimensies, de grafeen papierlagen, en het aangelegde elektrische veld. Kritische afmetingen zijn de verticale elektrode-afstand (geleidende en isolerende laag diktes) en micro-put diameter en hoogte (bepaald door lagen gestapeld). Het elektrische signaal kan worden afgestemd via amplitude en frequentie. De huidige inrichting structuur voor batch operatie, maar kan worden aangepast aan een continue stroom apparaat. Het apparaat fabrication techniek die hier beschreven is voor de ontwikkeling van 3D gelamineerd elektroden met een grote verscheidenheid van grafeen nanoplatelet eigenschappen door eenvoudig uitwisselen van de grafeen papier gebruikt. Voordelen van het gebruik van grafeen papier zijn veelzijdigheid van de fysische en chemische eigenschappen, minder kosten, en het grafeen nanoplatelets kan gelijktijdig fungeren als biosensoren om een breed scala van bioanalytes 24 detecteren. Langetermijndoelen van high throughput 3D DEP-systemen zijn om snel te identificeren celtypes 25-27, of bereiken label-free, elektrisch gemedieerde cel sortering van zieke cellen van populaties van gezonde cellen 28. Deze paper toont materiaaloptimalisatie en voorbereiding en werking van het apparaat, gevolgd door illustratie en analyse van typische resultaten.

Protocol

1. Fabriceren een gelamineerde elektrode / isolatie 3D Structuur Voor een 6 grafeen laag, 5 tapelaag apparaat, snijden grafeen papier met een scalpel of een soortgelijke scheermesje en rechte randen heerser in zes 0,7 cm x 1,5 cm rechthoeken en gebruik een schaar om dubbelzijdige drukgevoelige tape gesneden in vijf 1,3 cm x ~ 5 cm strepen. OPMERKING: Zoals getoond in figuur 1a, levert dit een aardelektrode 3, 3 AC signaal elektrodetoestel. De geleidende laag 7 mm breedte is smal genoeg…

Representative Results

Diëlektroforetische experimenten 6 urn polystyreen parels werden uitgevoerd in een 0,38 mm 3 cilindrische micro-put. Resultaten tonen dat een 3D gelamineerd grafeen papieren apparaat kan dit diëlektroforetische handtekeningen illustreren als 3D metaalfolie gelamineerde inrichtingen 20, 21, traditionele 2D metaal-elektrode 26, 27 en 2D isolator apparaten 25. In de volgende experimenten werd een 15 V piek-piek AC wordt toegevoerd en de frequentie werd gevarieerd van…

Discussion

Dit manuscript Gegevens protocollen voor het vervaardigen van een nieuwe 6 grafeen laag en 5 tapelaag microdevice. Verder is het apparaat werking geïllustreerd via waargenomen DEP gedrag van 6,08 micrometer polystyreenparels samen met een unieke, geometrisch relevante deeltjessnelheid analyse aanpak. Deze veelzijdige benadering van niet-lineaire elektrokinetisch apparaten te bouwen is minder kostbaar dan elektrode en vloeibare laag microproductietechnieken, terwijl waardoor even betrouwbare resultaten.

<p class="jo…

Divulgations

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Dankzij XG Sciences voor gulle giften van grafeen papier. Met dank aan dr. C. Friedrich voor royaal ons te laten gebruik maken van de micro-boorapparatuur. Een speciale dank wordt uitgebreid tot Tayloria Adams voor het vertellen van de video.

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

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).

Play Video

Citer Cet 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).

View Video