Ontwikkeling van een 3D Grafeen elektrode dielectrophoretic Device

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, 23}En 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.