Abstract
Polydimetylsiloksan (PDMS) er den rådende byggemateriale for å gjøre microfluidic enheter på grunn av sin enkelhet i støping og binding så vel som dens gjennomsiktighet. På grunn av mykheten av PDMS materiale, er det imidlertid vanskelig å bruke PDMS for å bygge nanochannels. Kanalene har en tendens til å kollapse lett under plasma binding. I denne artikkelen presenterer vi en fordampning drevet selvbygging metode for silika kolloidale nanopartikler for å skape nanofluidic veikryss med sub-50 nm porene mellom to mikro. Porestørrelsen samt overflateladningen av nanofluidic krysset er avstembar simpelthen ved å endre det kolloidale silica kulestørrelse og overflatefunksjonalisering utsiden av den sammensatte mikrofluidanordningen i en ampulle før den selv-monteringsprosessen. Ved hjelp av selv-sammenstillingen av nanopartikler med en perlestørrelse på 300 nm, 500 nm og 900 nm, var det mulig å fremstille en porøs membran med en porestørrelse på 45 nm ~, ~ 75 nm og ~ 135 nm, respektivt. Under elektriskal potensial, til denne nanoporøse membranen initiert ionekonsentrasjon polarisasjon (ICP) som virker som en kation-selektiv membran konsentrere DNA ved hjelp av ~ 1.700 ganger i løpet av 15 min. Denne ikke-litografiske nanofabrication prosessen åpner opp en ny mulighet til å bygge en fleksibel nanofluidic knutepunkt for studier av nanoskala transportprosesser av ioner og molekyler inne i en PDMS microfluidic chip.
Introduction
Nanofluidikk er et voksende forskningsområde av u TAS (Micro Totalt Analysis Systems) for å studere biologiske prosesser eller transport fenomener av ioner og molekyler på lengden skala fra januar 10 til februar 10 nm. Med bruk av nanofluidic verktøy som nanochannels, kan transportprosesser av molekyler og ioner overvåkes med enestående presisjon og manipulert, hvis nødvendig, ved å utnytte funksjoner som bare er tilgjengelige på denne lengden skala for separasjon og deteksjon. 1,2 En av disse karakteristiske trekk nanoskala er et høyt forhold mellom overflate og bulk ladning (eller Dukhin nummer) i nanochannels som kan føre til en belastning ubalanse og initiere ionekonsentrasjon polarisasjon (ICP) mellom nanochannel og microchannel. 3
En felles enhet plattform for studiet av nanofluidic fenomener består av en to-microchannel system koblet sammen med en rekke nanochannels som et veikryss. 4-6 7 er imidlertid silisium enheten fabrikasjon krever kostmasker og vesentlig mengde av behandling i renrom anlegget. 8- 10 på grunn av den praktiske enheten fabrikasjon gjennom forming og plasma bonding, polydimethylsiloxane (PDMS) har mye blitt akseptert som byggemateriale for MicroFluidics, og det ville være et ideelt materiale for nanofluidikk også. Men den lave Youngs modulus rundt 360-870 kPa, gjør PDMS kanalen lett kan slås opp i løpet av plasma binding. Den minste sideforholdet til nanochannel (bredde til dybde) må være mindre enn 10: 1, noe som betyr at fabrikasjonen av PDMS enhetene via standard fotolitografisk vil bli ekstremt vanskelig hvis nanochannel dybden må være under 100 nm, noe som krever en kanalbredde mindre enn dagens grense på photolithography på rundt 1 mikrometer. For å overvinne denne begrensningen, har det vært forsøk på å lage nanochannels i PDMS med ikke-lithographical metoder som strekker seg til å initiere sprekker med en gjennomsnittlig dybde på 78 nm 11 eller å danne rynker etter plasma behandling. 12 kollapser en PDMS kanal med mekanisk trykk tillates en nanochannel høyde så lav som 60 nm. 13
Selv om disse svært oppfinnsomme ikke-litografiske metoder tillatt bygge nanochannels under 100 nm i dybden, dimensjons kontrollerbarhet av nanochannel fabrikasjon fortsatt utgjør et hinder for en bred aksept av PDMS som byggemateriale for nanofluidic enheter. Et annet viktig problem av nanochannels, enten i silisium eller PDMS, er overflatefunksjonalisering i tilfelle det er et behov for å endre overflateladningen på kanalveggen for manipulering av ioner eller molekyler. Når enheten forsamlingen gjennom bonding, de nanochannels er ekstremt vanskelig åstrekke seg etter overflaten funksjon grunn av diffusjon begrenset transport. For å lage en nanoskala kanal med høy geometrisk nøyaktighet og lettvinte overflaten funksjonalisering, kan den selvbygging metode for kolloidale partikler indusert av fordampning 14-16 i microfluidic enheter være en av de lovende tilnærminger. Foruten den kontrollerbarhet av porestørrelsen og overflateegenskap, er det enda en mulighet for å justere størrelsen av pore in situ ved bruk av kolloidale partikler belagt med polyelektrolytter ved å kontrollere temperaturen, pH 17, 18,19 og ionestyrke. 18 På grunn av disse fordeler, har den selvbygging metode for kolloidale partikler allerede funnet søknader om electrochromatography, 20 biosensorer, 21 proteinkonsentrasjonen 22 og separering av proteiner og DNA i MicroFluidics. 14,23 i denne studien utplassert vi denne selvbygging metode for å bygge en elektro preconcentration enhet iPDMS som krever en nanofluidic knutepunkt mellom to mikrokanaler. 24 Den grunnleggende mekanisme bak den elektrokinetiske konsentrasjon er basert på ionekonsentrasjon polarisasjon (ICP). 25 En detaljert beskrivelse av fabrikasjons- og monteringsmåten er inkludert i den følgende protokoll.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Utarbeidelse av Silica Kolloidalt Perler utestengelse
- Utarbeidelse av 300 nm og 500 nm silika perle suspensjoner
- Vortex silika vulsten massesuspensjon (10% vekt / volum i vann) i 30 sek. for å oppnå en homogen suspensjon. Pipetter totalt 600 mL lager suspensjon i et 1,5 ml tube og sentrifuger den på 2600 xg i 1 min.
- Erstatning av supernatanten med 400 ul av 1 mM natriumfosfatbuffer (PB, pH 7,0).
- Suspendere silika perlene inn i en sluttkonsentrasjon på 15% i 1 mM natriumfosfatløsning ved pH 7,0 ved virvling.
- Surface functionalize 500 nm silika karboksyl perler med poly (allylamin hydroklorid, PAH), og med poly (natrium styren sulfonat, PSS) polyelektrolytter
- Suspender 0,1 g 500 nm silikakuler med karboksylgruppen med 10 ml 1 M NaCl (pH 7,0) i 1% (w / v) suspensjon vulst.
- Forbered 0,4% PAH (MW 65K) i 1 M NaCll ved oppløsning av 300 ul av stamløsningen (20% vekt / volum i vann) i 15 ml av 1 M NaCl. Fremstille 0,9% PSS (molekylvekt 70K) i 1 M NaCl-oppløsning ved å oppløse 0,18 g PSS i 20 ml 1 M NaCl-løsning. Vortex begge løsninger for 1 min. å oppløse de polyelektrolytter helt.
- Tilsett 200 ul av PAH-løsning til 9,8 ml av 1% silika-karboksyl-perler i et 15 ml rør for å avsette et positivt ladet polyelektrolytt lag på silikakuler med karboksyl-funksjonell gruppe. Vortex perlen suspensjon i 1 min. og inkuber det på et rør rotator i 60 min. ved RT.
- Sentrifuger perle oppheng i 1801 xg i 1 min. og vask av de ubundne PAH fem ganger med 10 ml avionisert vann. Etter hver sentrifuge og fjerning av supernatanten, ble kulene tett pakket i bunnen av røret. Forstyrre perlen klumpen ved kraftig pipettering med 2 ml DI-vann før tilsetning av 8 ml DI-vann, slik at kulene kan bli re-suspenderes og vaskes av før den neste sentrifugen trinn.
- Følgtrinnene i 1.2.3 og 1.2.4 for PSS belegg for å sette et negativt ladet lag på perlene. Re-suspendere kulene i 9,8 ml av 1 M NaCl før den PSS avsetning etter fjerning av DI-vann supernatanten fra den 5. vasketrinnet av 1.2.4.
- Bruk samme under kraftig pipettering trinn ved anvendelse av 2 ml av 1 M NaCl for å bryte opp klumpen vulst ved bunnen av 15 ml rør og deretter legge til 8 ml av 1 M NaCl. Tilsett 200 ul av PSS løsning til 9,8 ml av silikaperler deponert med et enkelt lag PAH. Etter vortex-blanding i 1 min. og inkubering i 60 min. på røret rotator, gjenta 5 vasketrinn med DI vann.
- Måle zeta-potensialet av kulene før og etter hver polyelektrolytt belegg ved anvendelse av en dynamisk lysspredning system i henhold til produsentens protokoll for å kontrollere avsetningen polyelektrolytten prosedyren har blitt utført på riktig måte (se tabell 1).
- Gjenta fem vasketrinn med DI vann følgende singelen PSS lagavsetning og re-suspendere kulene i 650 ul av 1 mM natriumfosfat-buffer med 0,05% Tween 20 (15% vekt / volum) før bruk i mikrofluidanordningen for å forbedre dens flyteevne.
- Følge fremgangsmåten beskrevet ovenfor fra 1.2.5 til 1.2.6 til 500 nm silikakuler med aminfunksjonen for å avsette et enkelt lag av PSS.
2. Fabrikasjon av PDMS microfluidic Chip
- Microfabrication av silisium mester
- Dikte silisium master for PDMS molding bruker microfabrication teknikker som følger.
- Spin belegge et 1 um tynn fotoresist ved 4000 opm på en silisiumskive. Mønster laget ved hjelp av projeksjon litografi (eksponeringstid 170 msek.) Og etse 700 nm dype og 2 mikrometer brede plane nanochannels (opptrer som nanotraps for silika perler) med ioneetsning.
- Bruk følgende etsning parametere for å oppnå en etsehastighet på 3,5 nm / s: CHF 3 (45 SCCM), CF4 (15 SCCM), Ar (100 SCCM), trykk 100 mTorr, RF power 200 W.
- Spin belegge andre en mikrometer tykk fotoresist lag ved 2000 rpm og utføre en justering til de tidligere mønstrede nanotraps. Mønster de microchannels via kontakt litografi og ved dyp ioneetsning (DRIE) av silisium. Bruk DRIE Parametere 26 i tabell 2.
- Dikte silisium master for PDMS molding bruker microfabrication teknikker som følger.
- Fabrikasjon av PDMS mold
- Silanize silisium master med triklorsilan (50 ul) i en vakuum-krukke O / N.
FORSIKTIG: Tricholorosilane er en giftig og etsende materiale. Bruk alltid det i en kjemisk hette med riktig personlig verneutstyr. - Bland basen til herder på 10: 1-forhold og støpte PDMS på silanisert silisium master og kurere det ved 70 ° C i 2 timer i en varmluftsovn.
- Fjern PDMS skive fra silisium master med en kniv og plasma bindingen på en tom wafer ved hjelp av en plasma renere etter en plasma behandling i en plasmarenser i 1 min. Fest bånd langs kanten for å markere en partisjon linje for følgende PDMS casting trinn.
- Silanize PDMS mold i et vakuum krukke med trichlorosilane (50 pl) O / N.
- Støpt PDMS (base: herder ved 10: 1 ratio) på silanert PDMS form og herde den ved 70 ° C i 2 timer i en konveksjonsovn.
- Silanize silisium master med triklorsilan (50 ul) i en vakuum-krukke O / N.
- Fremstillingen av PDMS anordningen
- Trekk av det herdede PDMS skive fra PDMS formen langs delelinjen merket med tape.
- Punch reservoar hull med 1,5 mm biopsi punch, rent med en tape, skyll med isopropylalkohol (IPA) og tørr med nitrogen.
- Plasma obligasjon PDMS enhet på en 25 mm x 75 mm mikroskop glass lysbilde etter en plasma behandling i en plasma renere for 1 min.
- Ultrasonicate vulsten suspensjonen i 60 min. i et ultralydbad før fylling. Pipetter 10 mL perle suspensjon (300 nm ikke-funksjonalis silika væreannonser, eller 500 nm silika karboksylgrupper perler med PAH-PSS lag, eller 500 nm silika amin perler med en PSS lag) i innløpene 4 og 6 hver (se figur 1 A, B) umiddelbart etter plasma binding av PDMS chip til en glass underlaget. Trykk forsiktig på PDMS chip med en pipette tips for å forbedre perlen pakking.
- Etter å fylle perle levering kanaler, dekke alle viker med unntak av en og ni med tape. Luft-tørke-enheten i 3 timer og oppbevares ved 4 ° C før bruk. Figur 2 gir en trinn-for-trinn-skjema av den kolloidale selvmonteringsprosessen.
3. Eksperimenter for elektro Konsentrasjon av DNA
- Fylle reservoarene 3, 7 med en bufferoppløsning (10 pl 1 mM PB) og reservoaret 5 med en DNA-prøve (10 ul 10 nM i 1 mM PB) og anvende en svak negativ trykk med en invertert pipettespiss på reservoarene 2 , 8 og 10 for å fylle kanalene med de løsninger som uten bobler (se
- Tilsett 10 pl 1 mM PB til reservoarene 2 og 8 og 10 ul 10 nM DNA til reservoaret 10 for å balansere trykket og vente på 5 min. for å nå likevekt.
- Sett Pt ledningene inn reservoarer 3, 5, 7, 10.
- Gjelder spenningen over nanofluidic krysset ved hjelp av en spenningsdeler som er koblet til en kilde meter og Pt ledninger. Først gjelder 30 V på reservoarer 5, 10 og GND på reservoarer 3, 7.
- Reduser spenningen til 25 V på reservoaret 10 etter ~ 30 sek.
- Bruke en mekanisk lukker med en periodisk åpning i hver 5 s for å minimalisere fotobleking av prøven ved opptak av fluorescens-signalene fra DNA.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
En elektrokine konsentratoren brikke i PDMS som inneholder en selv-sammenstilt nanofluidic knutepunkt mellom to mikrokanaler er vist på figur 1A). Kanalen i midten av enheten er fylt med en DNA-prøve-løsning og flankert av to bufferløsning kanaler på hver side via en 50 um bred vulst leveringskanalen (figur 1B). Silika kolloidal suspensjon blir fløyet inn i vulsten leveringskanalen umiddelbart etter plasma binding for å skape en nanofluidic knutepunkt mellom prøven og bufferløsningen kanalen. Den nanotrap matrise bestående av 700 nm dyp og 2 um brede nanochannels blir brukt til å felle de kolloidale partiklene. Dens skannede bildet oppnådd sammen med en ikke-kontaktoverflate profiler er vist i figur 1C). De kolloidale perle membranene etter fordampning er vist i figur 1D). SEM i figur 1E) viser silikakuler felleped ved den plane nanotrap matrisen separere prøven kanalen fra vulsten leveringskanalen. Den 300 nm silika perle pakking viser svært bestilles sekskantede emballasje med noen mindre feil som kan forårsake en variasjon i konsentrasjonen atferd (figur 1F). Utformingen av PDMS konsentratoren chip med sine dimensjoner kan bli funnet her og i Supplemental filer.
Figur 1. microfluidic konsentrator i PDMS med integrert sub-50 nm nanoporøse veikryss. (A) Bilde av PDMS konsentratoren enheten. (B) Skjematisk fremstilling av mikro-nanofluidic enhet med en vulst leveringskanal mellom prøven og bufferløsningen kanal. Spenningen legges på over list membranene mellom prøven kanal og bufferløsningen channels. (C) Overflate profilen av nanotrap matrisen i PDMS med en bredde på 2 pm og en dybde på 700 nm. (D) Micrograph av anordningen med en kolloidal partikkelsammenstilling på innsiden av vulsten leveringskanalen etter fordampning. (E) Scanning-elektronmikrograf av de selv-sammensatte 300 nm silika kolloidale partikler med nanotrap arrays mellom prøven og buffer kanal. 300 nm perlene er fanget ved inngangen til nanotraps på grunn av overflatespenningen. (F) heksagonalt pakket 300 nm silikakuler inne vulsten levering microchannel etter fordampning. (Tilpasset fra Ref. 25 med tillatelse fra The Royal Society of Chemistry) Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
En skjematisk av microfabrication trinn for PDMS concentrator-enheten er vist i figur 2. For å gjøre en PDMS-enhet, er en dobbel PDMS støpe nødvendig. Vulsten påfyllingsprosessen i PDMS konsentratoren er vist i figur 3. Detaljene for microfabrication og fylleprosessen kan bli funnet i protokollen. Zeta-potensialet av silikaperler uten og med polyelektrolytt belegg er vist i tabell 1.
Figur 2. Skjematisk av fabrikasjonsprosessen for silisium master, PDMS herre og PDMS konsentratoren enheten. Etter to fotolitografiske og etsing trinn, er silisium mester støpt med PDMS. Etter en dobbel-molding, er PDMS enhet montert via plasma liming og fylt med en perle suspensjon. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 3. Trinn-for-trinn skjematisk for selvbygging av kolloidale silikakuler. 10 ul av den perlesuspensjon ble pipettert inn i de kule levering kanaler umiddelbart etter plasmabehandling. Når vulsten leveringskanalen var fylt, ble alle unntatt to innløp 1 og 9 dekket med tape og anordninger lufttørket i 3 timer før bruk. (Gjengitt fra Ref. 25 med tillatelse fra The Royal Society of Chemistry) Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
| Kolloidale partikler (500 nm) | Zeta potensial (mV) |
| silica | -2,04 |
| silica amin | 19.6 |
| silica karboksyl | -19,73 |
| silica carboxyl, PAH belagt | 31.8 |
| Silica karboksyl, PAH, PSS belagt | -28,5 |
| Silica amin, PSS belagt | -31,2 |
Tabell 1. Zeta-potensialet av silikaperler ved 25 ° C. 0,1% (w / v) kolloidale oppløsninger ble anvendt for målingene (n = 3).
SEM-bilder tatt fra vulsten pakkekanalen Etter tørking viser en porestørrelse som varierer mellom 60 nm, 91 nm og 170 nm, som vist i figur 4. Porestørrelsen tilsvarer omtrent 20% av den perlestørrelse, 300 nm, 500 nm og 900 nm, henholdsvis (15% av perlediameteren er det teoretisk porestørrelse).
Figur 4. SEM bilder av selv-montert 300 nm (A), 500 nm (B) og 900 nm (C) kolloidal silika kulepakning. PDMS enhetene ble reversibelt bundet til glassplater og perler fløyet inn i kanalen ved hjelp av negativt trykk. Etter luft-tørking anordningene O / N, PDMS enhetene ble skrelt av glasset nøye og avbildes. Denne porestørrelser ble estimert til å være 60 ± 2, 91 ± 5, og 170 ± 7 nm til 300 nm, 500 nm og 900 nm på henholdsvis kulene (n = 9). Disse porestørrelser var nær den teoretiske størrelse, ~ 15% av perlediameteren. (Tilpasset fra Ref. 25 med tillatelse fra The Royal Society of Chemistry) Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Ved påføring av spenning på 30 V over 300 nm vulsten membranen, ble en ione-uttømming sone observert i nærheten av det kolloidale membranen inne i en microchannel fylt med enfluoriserende merket DNA (figur 5 A, B). Ved senking av spenningen til 25 V på venstre side, ble DNA-molekylene akkumulert i form av en plugg og dens konsentrasjon økes på grunn av electroosmotic strømning drevet av en spenningsforskjell på 30 V- 25 V over prøvekanalen (Figur 5 C , D).
Figur 5. time-lapse mikrografer viser dannelsen av et ion depletion region i nærheten av de nanofluidic kolloidale knutepunkter i kanalen fylt med DNA (initial konsentrasjon på 10 nM). Lone utarmingsområdet ble initiert ved t = 10 s og en konsentrert DNA plugg ble generert på V2 = 30 V og V1 = 25 V over prøven kanal mens buffer kanaler ble satt på bakken. De stiplede linjene har blitt brukt til å markere kanaler vegger. En konsentrasjon faktor på ~ 1.700 folder ble oppnådd innen 15 min. usynge en 300 nm kolloidalt membran. (Gjengitt fra Ref. 25 med tillatelse fra The Royal Society of Chemistry) Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Silika membraner med en perle størrelse på 300 nm og 500 nm viste den høyeste konsentrasjonen faktor på ~ 1.700 ganger for Cy 5 tagget DNA (CAA CCG ATG CCA CAT CAT Tags CTA C) i løpet av 15 min. (Figur 6 A, B). Den polyelektrolytt-belagte silika perle membraner ført til en 200 til 1000 gangers økning i DNA-konsentrasjon etter 15 min. (Figur 6 C, D).
Figur 6. Fluorescens intensiteten av DNA som en funksjon av tid for (A) 300 nm silikakuler (B) 500 nm silikaperler end (C) 500 nm PSS-belagte silica amin-perler og (D) 500 nm PAH / PSS belagte silica karboksyl-kuler. De stiplede linjene representerer fluorescens signalintensitetsnivå for 10 nM (A, B, C, D), 17 pM (A, B), 2 pM (C) og 10 uM (D) DNA. Resultatene er normalisert mot bakgrunnsfluorescens. (Gjengitt fra Ref. 25 med tillatelse fra The Royal Society of Chemistry) Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
| Prosess tid | etch-modus | passivisering modus |
| Prosess tid | 6 s | 4,5 s |
| kjørt | 0,5 s | 0 s |
| Platen generator Strøm | 80 W | 60 W |
| Coil generator Strøm | 600 W | 600 W |
| Gass | SF 6 70 SCCM | C 4 F 8 35 SCCM |
| etsehastighet | 1,47 mikrometer / min | |
Tabell 2. DRIE parametre.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Etter felles enhet design ordningen for å studere nanofluidikk, fabrikkert vi en nanofluidic knutepunkt mellom to microfluidic kanaler ved hjelp av fordampning drevne selvbygging av kolloidale nanopartikler i stedet for litografisk mønstring av en rekke nanochannels. Når den strømmer de kolloidale partikler i vulsten leveringskanalen, en oppstilling av nanotraps med en dybde på 700 nm og en bredde på 2 um på begge sider av vulsten leveringskanalen ved en total bredde på 100 um hindret perlesuspensjon fra å strømme inn i det buffer og prøvekanal på grunn av overflatespenningen ved nanotraps. Når fanget, de kolloidale partikler som er pakket i vulsten leveringskanalen hurtig, og dannet en nanoporøse knutepunkt mellom prøven og buffer kanal.
Det er viktig å legge i perlesuspensjon umiddelbart etter plasma binding, slik at kapillærkraften driver silisiumdioksyd perlesuspensjon opp til inngangen av utløps reservoirs i midlertidig hydrofile perle levering kanal. For å hindre en luftboble blokkerer strømmen i innløpsreservoaret, er det sterkt anbefalt å nå bunnen av reservoaret med en pipettespiss og deretter frigjøre perlesuspensjon inn i reservoaret. I tilfelle av de overflatefunksjonaliserte perler med polyelektrolytter, ble deres flyteevne drastisk redusert i forhold til de silikakuler uten overflatefunksjonalisering og hadde en tendens til å aggregere lettere og holder seg til kanalen overflate under fyllingsprosessen. For å hindre en tilstopping av kanal med polyelektrolytt-belagte kuler, tilsatte vi et overflateaktivt middel, 0,05% Tween 20, til den perlesuspensjon. I tilfelle det var fortsatt en tilstopping problem under fylling, en svak tapping på PDMS chip med en pipette tips generelt bidratt til å løse det.
Dessuten er det viktig at vulsten suspensjonen ikke ble fullstendig tørket ut etter avdampning siden det ville være vanskelig å infiltrate vulsten membran med natriumfosfatbufferoppløsning på nytt. Derfor, etter 3 timer av partiell fordampning, alle inn- og uttak av PDMS-enheten ble tatt opp og holdt ved 4 ° C for lagring før bruk, slik at vulsten pakning forblir fuktig. Under preconcentration eksperimentene, opprettholdt selv-montert vulst sin strukturelle stabilitet for det meste. Men i noen tilfeller ble det observert en forskyvning av kulene som indikerte en defekt pakning av kulene i mikrokanaler. De selv-sammensatte silikakuler som strekker seg fra en diameter på 900 nm ned til 300 nm etter selvbygging kan sees i figur 4. teoretisk porestørrelse på vulsten pakking var ~ 45 nm, ca. ~ 15% av det kolloidale partikkel diameter. Vi kunne bekrefte at porestørrelsen ved hjelp av en SEM analyse og måles en porestørrelse omtrent 20% av perlediameteren etter pakking.
Bruke selv montert 300 nm og 500 nm kolloidale partikler membraner som en ion-selektive nanoporous krysset, kunne vi starte ion depletion regionen på 30 V og konsentrere 10 nM Cy5 merket DNA (CAA CCG ATG CCA CAT CAT Tags CTA C) i en mM natriumfosfatbuffer (figur 5). Ved kontinuerlig leding av DNA-prøven mot ion uttømming sone med en electroosmotic strøm ved en spenningsforskjell V 2 -V 1 = 5 V, vi kunne øke den opprinnelige DNA-konsentrasjonen av ~ 1,700 folder i løpet av 15 min. (Figur 6a, b). 500 nm kulene tillates mer robust DNA-konsentrasjon enn 300 nm perler, som vist i figur 6b). Siden den elektrokinetiske konsentrasjon er basert på en kraftbalanse mellom de electroosmotic kraft og de meget ulineære elektroforetiske krefter, blir den resulterende konsentrasjonsfaktoren bestemmes ved i hvilken grad denne kraftbalanse kan opprettholdes i løpet av elektrokinetiske konsentrasjon. 27
En annen viktig fordel med å distribuere de kolloidale partikler for å bygge en nanofluidic veikryss er den enkle som sin surface funksjonalisering kan utføres. Istedenfor å lage en nanochannel gjennom binding først og deretter utføre en overflate funksjon på det, kan vi bare overflaten functionalize kolloidale partikler i en ampulle utsiden av enheten først og deretter strømme dem inn i kanalen for selv-montering. På grunnlag av denne tilnærmingen, kan vi i gang ICP ved hjelp av de 500 nm silika amin-partikler belagt med et enkelt lag av PSS og 500 nm silika karboksylgrupper partikler belagt med et lag av PAH og PSS (figur 6 c og d), til lavere spenninger (8 V og 10 henholdsvis V,) enn de kolloidale partikler uten overflatefunksjonalisering (30 V). Dette resultatet viser at overflatefunksjonalisering av de kolloidale partikler før den selv-sammenstillingen var effektiv for å øke overflateladningen av kolloidale partikler og resulterte i høyere ICP. Imidlertid, i form av konsentratoren faktor erholdt, den nanofluidic krysset av de overflatefunksjonaliserte perler var mindre effektiv enn den ikke-funksjonalis siLICA perler. Amin / PSS-belagte perler aktivert en faktor på ~ 200, mens den carboxyl / PAH / PSS vulst membran viste en 1000 gangers økning etter 15 min. (Figur 6d). Dette resultat kan forklares ved en høyere overflateladning av de overflatefunksjonaliserte nanopores som førte til en øket lengde av ione utarmingsområdet skyver prøvekonsentrasjon pluggen lenger bort fra vulsten membranen og derfor mindre stabil konsentrasjon. Vi tror at forkorte den totale bredden på nanoporøse membran fra vulsten for øyeblikket 1 mm (den delen av vulsten membranen parallelt med prøven kanal) kan redusere dette problemet ustabilitet. Ifølge vår tidligere studie, bredden av nanoporøse krysset bestemmer mengden av ionisk strøm som passerer gjennom den. 28 som bredden øker, de ioniske strømmen øker og ettersom flere kationer kan migrere gjennom membranen, utarming lengden øker, og konsentrasjonen pluggen er ytterligere skjøvet bort fra nanoporøse krysset. Therefore, forekommer akkumulering i en mindre begrenset måte, og prøven pluggen blir mindre stabil. Erfaringsmessig bør nanoporøse knutepunkt være ~ 100-400 mikrometer i bredde. En annen funksjon for å forbedre var en utilstrekkelig tykkelse av PDMS vegg 15 mikrometer mellom prøven kanal og vulsten levering. Denne tynne PDMS delen førte til en utilstrekkelig bonding som muliggjorde en ionisk strøm mellom buffer og prøve kanal. Derfor er hele vulsten membranen seksjon parallelt med prøvekanalen (1 mm i bredde) fungerte som en nanoporøse knutepunkt, selv om bare 100 um av vulsten var ment som en nanoporøse knutepunkt membran i henhold til den totale bredden på nanotrap matrisen. PDMS veggtykkelse bør være minst 25 pm eller høyere.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Acknowledgments
Dette arbeidet ble støttet av NIH R21 EB008177-01A2 og New York University Abu Dhabi (NYUAD) Research Enhancement Fund 2013. Vi uttrykker vår takk til teknisk stab på MIT MTL for deres støtte under microfabrication og James Weston og Nikolas Giakoumidis av NYUAD for deres støtte i å ta SEM bilder og bygge en spenningsdeler, henholdsvis. Enheten fabrikasjon i PDMS ble gjennomført i microfabrication kjernen innretningen av NYUAD. Til slutt vil vi gjerne takke Rebecca Pittam fra NYUAD Senter for Digital Scholarship for videoopptak og redigering.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Poly(Styrenesulfonic Acid) Sodium Salt | Polysciences | 08772 | |
| Poly(allylamine) Solution | Sigma Aldrich | 479144-5G | |
| Silica Microsphere - 300 nm | Polysciences | 24321 | |
| Silica Microsphere - 500 nm | Polysciences | 24323 | |
| Silica Microsphere Carboxyl Functional - 500 nm | Polysciences | 24753 | |
| Silica Microsphere Amine Functional - 500 nm | Polysciences | 24756 | |
| Sylgard 184 Silicone Elastomer kit | Dow Corning | ||
| Trichlorosilane | Sigma Aldrich | 175552 | |
| Ultrasonic Cleaner | Branson | 3510 | |
| Tube Rotator | VWR | 10136-084 | |
| Vortex Mixer | WiseMix | VM-10 | |
| Microcentrifuge | VWR | Micro 1207 | |
| Plasma Cleaner | Harrick Plasma | PDC-001-HP | |
| PDMS Mixer | Thinky | ARE-250 | |
| Oven | Thermo Scientific | PR305220M | |
| Epi-fluorescence Microscope | Nikon | Eclipse Ti | |
| CCD Camera | Andor | Clara | |
| Platinum Electrodes | Alfa Aesar | 43014 | |
| Source Meter | Keithley | 2400 | |
| Digital Multimeter | Extech | 410 | |
| Microscopy Glass Slides | Thermo Scientific | 2951-001 | |
| Tween 20 | Merck Millipore | 822184 | |
| Sodium chloride | Fisher Scientific | 7646-14-5 | |
| Sodium phosphate monobasic | Sigma Aldrich | 71505 | |
| Sodium phosphate dibasic | Sigma Aldrich | S3264 | |
| DNA | IDT | CAA CCG ATG CCA CAT CAT TAG CTA C | |
| B-Phycoerythrin | Life Technologies | P-800 | |
| Dynamic light scattering system for Zeta Potential Measurement | Malvern | Zetasizer Nano S | |
| Photoresist | Shipley | SPR700-1.0 | |
| Projection lithography | Nikon | NSR2005i9 | |
| Reactive Ion Etcher | Applied Materials | AME P5000 | |
| ICP deep reactive ion etcher | STS | STS-6" | |
| Contact lithography | Electronic Visions | EV620 | |
| Photoresist Coater Developer | SSI | SSI 150 | |
| Non-contact surface profiler | Wyko | NT 9800 |
References
- Mawatari, K., Kazoe, Y., Shimizu, H., Pihosh, Y., Kitamori, T. Extended-Nanofluidics: Fundamental Technologies, Unique Liquid Properties, and Application in Chemical and Bio Analysis Methods and Devices. Anal Chem. 86, 4068-4077 (2014).
- Tsukahara, T., Mawatari, K., Kitamori, T. Integrated extended-nano chemical systems on a chip. Chem Soc Rev. 39, 1000-1013 (2010).
- Mani, A., Zangle, T. A., Santiago, J. G. On the Propagation of Concentration Polarization from Microchannel-Nanochannel Interfaces Part I: Analytical Model and Characteristic Analysis. Langmuir. 25, 3898-3908 (2009).
- Aizel, K., et al. Enrichment of nanoparticles and bacteria using electroless and manual actuation modes of a bypass nanofluidic device. Lab Chip. 13, 4476-4485 (2013).
- Wang, Y. C., Stevens, A. L., Han, J. Million-fold preconcentration of proteins and peptides by nanofluidic filter. Anal Chem. 77, 4293-4299 (2005).
- Karnik, R., et al. Electrostatic control of ions and molecules in nanofluidic transistors. Nano letters. 5, 943-948 (2005).
- Mao, P., Han, J. Y. Fabrication and characterization of 20 nm planar nanofluidic channels by glass-glass and glass-silicon bonding. Lab Chip. 5, 837-844 (2005).
- Mao, P., Han, J. Massively-parallel ultra-high-aspect-ratio nanochannels as mesoporous membranes. Lab Chip. 9, 586-591 (2009).
- Balducci, A., Mao, P., Han, J. Y., Doyle, P. S. Double-stranded DNA diffusion in slitlike nanochannels. Macromolecules. 39, 6273-6281 (2006).
- Yamada, M., Mao, P., Fu, J. P., Han, J. Y. Rapid Quantification of Disease-Marker Proteins Using Continuous-Flow Immunoseparation in a Nanosieve Fluidic Device. Anal Chem. 81, 7067-7074 (2009).
- Huh, D., et al. Tuneable elastomeric nanochannels for nanofluidic manipulation. Nat Mater. 6, 424-428 (2007).
- Chung, S., Lee, J. H., Moon, M. W., Han, J., Kamm, R. D. Non-lithographic wrinkle nanochannels for protein preconcentration. Adv Mater. 20, 3011-3016 (2008).
- Park, S. M., Huh, Y. S., Craighead, H. G., Erickson, D. A method for nanofluidic device prototyping using elastomeric collapse. Proc Natl Acad Sci. 106, 15549-15554 (2009).
- Zeng, Y., Harrison, D. J. Self-assembled colloidal arrays as three-dimensional nanofluidic sieves for separation of biomolecules on microchips. Anal Chem. 79, 2289-2295 (2007).
- Malekpourkoupaei, A., Kostiuk, L. W., Harrison, D. J. Fabrication of Binary Opal Lattices in Microfluidic Devices. Chem Mat. 25, 3808-3815 (2013).
- Merlin, A., Salmon, J. -B., Leng, J.
- Schepelina, O., Zharov, I. PNIPAAM-modified nanoporous colloidal films with positive and negative temperature gating. Langmuir. 23, 12704-12709 (2007).
- Schepelina, O., Zharov, I. Poly(2-(dimethylamino)ethyl methacrylate)-Modified Nanoporous Colloidal Films with pH and Ion Response. Langmuir. 24, 14188-14194 (2008).
- Smith, J. J., Zharov, I. Ion transport in sulfonated nanoporous colloidal films. Langmuir. 24, 2650-2654 (2008).
- Gaspar, A., Hernandez, L., Stevens, S., Gomez, F. A. Electrochromatography in microchips packed with conventional reversed-phase silica particles. Electrophoresis. 29, 1638-1642 (2008).
- Lee, S. Y., et al. High-Fidelity Optofluidic On-Chip Sensors Using Well-Defined Gold Nanowell Crystals. Anal Chem. 83, 9174-9180 (2011).
- Hu, Y. L., et al. Interconnected ordered nanoporous networks of colloidal crystals integrated on a microfluidic chip for highly efficient protein concentration. Electrophoresis. 32, 3424-3430 (2011).
- Zhang, D. -W., et al. Microfabrication-free fused silica nanofluidic interface for on chip electrokinetic stacking of DNA. Microfluid Nanofluid. 14, 69-76 (2013).
- Syed, A., Mangano, L., Mao, P., Han, J., Song, Y. A. Creating sub-50 nm nanofluidic junctions in a PDMS microchip via self-assembly process of colloidal silica beads for electrokinetic concentration of biomolecules. Lab Chip. 14, 4455-4460 (2014).
- Kim, S. J., Song, Y. A., Han, J. Nanofluidic concentration devices for biomolecules utilizing ion concentration polarization: theory, fabrication, and applications. Chem Soc Rev. 39, 912-922 (2010).
- Fu, J. P., Mao, P., Han, J. Y. Continuous-flow bioseparation using microfabricated anisotropic nanofluidic sieving structures. Nat Protoc. 4, 1681-1698 (2009).
- Plecis, A., Nanteuil, C., Haghiri-Gosnet, A. M., Chen, Y.
- Ko, S. H., et al. Nanofluidic preconcentration device in a straight microchannel using ion concentration polarization. Lab Chip. 12, 4472-4482 (2012).
