JoVE Journal > Engineering
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Results
Discussion
Disclosures
Acknowledgements
Materials
References
Türkçe

Automatically Generated
Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.
Engineering

3D Grafen Elektrot dielektroforetik Cihazı Geliştirilmesi

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

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 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…

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…

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 maliyetlid…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

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

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
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

3D Graphene ElectrodeDielectrophoretic DeviceMicrodevice FabricationGraphene PaperDouble-sided TapeDielectrophoresisPolystyrene BeadsNegative DielectrophoresisAC ElectroosmosisElectrothermal Flows

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).
Download Citation
Reprints and Permissions

View Video

✖

To prove you're not a robot, please enter the text in the image below

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image