3D 그래 핀 전극 유전 영동 장치의 개발

요약

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.

초록

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.

서문

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.

프로토콜

1. 박판 전극 / 절연 3D 구조를 제작

1. 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 쉽게 드릴링 충분히 넓은 아직, 유리 슬라이드에 들어갈 정도로 좁다. 2 mm 길이 쉽게 반복 사용에 휴식과 구리 와이어를 부착 할 수있는 충분한 공간이되지 않습니다. 장치의 깊이는 엔드 밀 깊이에 의해 제한됩니다.
2. 깨끗한 유리 슬라이드에 그래 핀 용지의 첫 번째 레이어를 놓습니다. 천천히 두 개의 인접한 그래 핀 종이 층 사이의 절연 (그림 1b을 보장하기 위해 ~ 2mm의 여백을두고, 테이프의 한 스트라이프와 그래 핀 종이의 한쪽 끝을 커버 ).
3. 그라 펜 용지 (도 1A)의 첫번째 층에 오프셋 테이프 위에 그래 핀 종이의 두번째 층을 배치. 층 사이 좋은 바다 표범 어업을 보장하기 위해 각 전도 층을 첨가 한 후, 적당한 압력 (엄지 손가락으로 균일하게 눌러 ~ 100 N 0.7 cm 이상의 ² 영역)을 적용합니다.
4. 반복의 맨 위 층과 맨 아래 층의 그래 핀 종이 모두를 떠나, 1.2, 나머지 층 1.3 단계를 반복합니다. 그래 핀 종이 층 사이의 밀폐 된 절연 보장하기 위해 작은 ~ 1mm의 여유 떠나는 장치의 가장자리에서 여분의 테이프를 제거하기 위해 그림 1b에 표시된 점선을 따라 잘라 (그림 1B).
   참고 : 양면 테이프이 적층 구조로 파편을 수집 방지하기 위해 상단과 하단 레이어를 드릴로 슬라이드에 장착, 사용 및 샘플로 작성되지 않았습니다.
5. 멀티 미터 (저항 모드)와 함께 빠른 절연 테스트를 수행합니다. 일의 두 가지 측면의 긍정과 부정 프로브의 위치를전자 장치 (그림 1C에 A와 B); 고 저항 (메가 옴 킬로로는) 층 사이 좋은 절연을 나타냅니다. 마이크로 우물 시추 준비하기 위해 유리 슬라이드에서 계층 구조를 제거합니다.
   NOTE : 인접하는 그라 펜 종이 층이 1.4 내지 1.2 단계 동안 접촉 할 때 장치는 일반적 절연 테스트에 실패한다. 이러한 장치를 폐기하십시오.

2. 적층 구조의 마이크로 잘 드릴

1. 컴퓨터 제어 기계 마이크로 밀링 머신을 사용하여 직경 700 μm의 컷 2.1 mm 길이 엔드 밀을 선택합니다. 적절한 클램프를 사용하여 마이크로 밀링 무대에서 적층 구조 고정시킨다 (그림 2A와 B). 8,600 rpm의 밀링 기계 스핀들을 실행 한 후 엔드 밀 천천히에와 적층 구조의 중심을 내립니다. 안쪽 벽을 부드럽게 마이크로 웰을 통해 위아래로 회전 엔드 밀을 이동합니다.
   1. 마이크로 잘 선택컷의 화면 비율의 사용 가능한 엔드 밀 직경 / 길이의 제약을받습니다 직경. 마이크로 웰의 내부 표면은 마이크로 웰을 통해 최적의 전계 그라데이션과 빛 통과를 위해 가능한 한 수직하고 깨끗한 지 확인합니다.
2. 압축 공기와 마이크로 잘 깨끗 파편. 1.5에 설명 된대로 다른 절연 테스트를 수행합니다.

3. 적층 구조로 전기 리드를 연결합니다

1. 2cm에서 직각으로 두 3cm 길이 32 G 구리 와이어를 접습니다. ~ 혼합 부와 실버 전도성 에폭시 B 1.5 ML.
   주 :
2. 수동으로 정상에 혼합은 에폭시를 적용하고 3 그래 핀 종이 층의 팁 적층 구조 (그림 1C)의 측면에 레이어 사이 좋은 접촉을 보장하기 위해, 다음 에폭시와 두 사이에 1cm 구리 철사 끝을 배치 층. 부드럽게 평방여분의 에폭시를 제거하고 좋은 전기적 접촉을 보장하기 위해 레이어를 ueeze. 적층 구조의 B면에 대해 반복합니다.
3. 하룻밤에 70 ° C와 1 기압을 건조, 오븐 선반에 전체 장치를 놓습니다.

4. 샘플 및 미디어를 준비

1. 전도도 측정기를 사용하여 전도도의 스펙트럼, 290 mM의 만니톨 원액 및 등장 인산 완충 생리 식염수 (PBS)의 직렬 추가의 등장 미디어를 준비합니다.
   참고 : 선형 상관 관계가 ~ 290 mOsm / L 만니톨 용액 (비전 도성)에서 (수행) ~ 290 mOsm / L PBS의 전도도 및 볼륨 농도 사이에 존재합니다. 비디오는 0.01 S / M 전도성 매체를 제공합니다.
2. 부피 비율 : 1:50 권 준비 전도성 매체 또는 전자 순수한 물 (~ 5 × 10 ^-6 S / M)와 폴리스티렌 구슬을 섞는다. 이 프로토콜은 물론 생물 세포에 쉽게 적응할 수있다.

5. 설정 실험 및 장치를 작동

1. 장치 O를 클램프수정 된 종이 클램프 또는 이와 동등한를 사용하여 적당한 압력 (그림 2D)와 유리 슬라이드 피하려면. 재단은 샘플의 누설을 방지 유리 슬라이드에 적층 구조 인감 마이크로 웰에 가까이 있어야한다. 클램프는 적층 구조의 변형을 방지에 최적화 된 압력)로 현미경 단계에 맞게, 그리고 b)는 마이크로 잘 액이 누출되지 않습니다 확인해야합니다. 변형은 실험의 재현성을 감소 웰 형상 및 광로를 변경한다.
2. 마이크로 주사기 또는 동급을 사용하여, 천천히 마이크로 우물에 샘플 ~ 1 μl를 주입하고 거품을 도입하지 마십시오. 필요한 경우 주사를 반복하고 날카로운 바늘로 마이크로 우물 벽을 손상하지 않도록주의를 사용합니다. 약간 마이크로 웰을 너무 많이 넣다 즉시 초과 액체를 제거 증발을 방지하고 각 실험 재현 볼륨을 보장하기 위해 마이크로 이상 잘 커버 유리를 밀어 넣습니다.
   참고 : SCOR에 잘 작동 glasscutter 다이아몬드 팁크기에 전자 및 균열 커버 유리.
3. 현미경 단계로 완성 된 적층 마이크로 디바이스 보안 장치에 연결되는 두 개의 구리 함수 발생기의 전극 와이어를 연결합니다. AxioVision의 (혈구 소프트웨어)에서 다차원 획득 모드에서 카메라 녹화를 시작하는 버튼을 클릭합니다. 적용된 전기장이없는 응답을 문서화하는 CCD 카메라 녹화를 시작한 후 고정 기간에 함수 발생기 신호를 시작합니다.
   참고 : 다음은 100 Hz에서 15 V _{피크 투 피크 신호} MHz의 주파수 (10)에 적용하고, 실험을 2 초 동안 유리 슬라이드 표면 위의 1 내지 200에 10 배 배율로 관찰되었다 필드없이 필드 ~ 5 분을 적용. 이미지는 디지털 방식으로 추가 분석을 위해 초 (FPS) 당 1 ~ 5 프레임으로 저장되었습니다.
4. 실험 종료 후, 장치를 제거하고 클램프를 해체. 세제를 탄 물을 유리 슬라이드 및 장치 모두를 체험 한 후 잘 헹구어. 30 시간에 대한 재사용 장치일관된 성능의.

6. 데이터 분석 및 이미지 처리

1. 같은 ImageJ에이 바람직 소프트웨어와 이미지 데이터를 분석합니다. 주어진 시간 단계에서 연속적인 이미지 사이의 입자 변위에서 속도를 계산합니다.
2. 추세를 컴파일 이론 ⁽²⁹⁾ 비교하는 속도에 따라 실험 DEP 힘과 필드 강도를 계산한다.
3. 방사상 전계 구배의 형상과 부합하는 마이크로 웰 형상의 측정 입자 속도. 마이크로 아니라 가장자리에서 중심으로, 7 지역에서 발생 8 동심 등전점 윤곽 (350, 300, ... 50, 0 μM)를 식별합니다.
   참고 : 50 ㎛ 거리가 속도를 계산하는 데 사용 된 통과하는 입자의 시간을. 기하학적 인 변형을 필요하게되면, 등전위 등고선 약간 조정 하였다.

결과

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?...

토론

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 ...

자료

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