Kolloidal Parçacıkların Öz-Montaj Süreci yoluyla PDMS mikroakışkan Chip Sub-50 Nm Nanofluidic Junctions oluşturma
Summary
We propose a simple self-assembly technique of silica colloidal nanoparticles to create a nanofluidic junction between two microchannels in polydimethylsiloxane (PDMS). Using this technique, a nanoporous bead membrane with a pore size down to ~45 nm was built inside a microchannel and applied to electrokinetic preconcentration of DNA samples.
Abstract
Polidimetilsiloksan (PDMS), kalıplama ve bağlama kolaylığı ve saydamlığı mikroakışkan cihazları olmak için geçerli olan yapı malzemesidir. Nedeniyle PDMS malzemenin yumuşak olması, ancak, nanochannels oluşturmak için PDMS kullanmak zordur. kanallar plazma yapıştırılması sırasında çöker kolayca eğilimindedir. Bu yazıda alt-50, iki mikrokanallar arasında gözenekler nm nanofluidic kavşaklar oluşturmak için silika koloidal nanoparçacıkların bir buharlaşma odaklı kendini montaj yöntem mevcut. gözenek boyutu yanı sıra nanofluidic kavşak yüzey yükü sadece öz-montaj işleminden önce bir şişeye monte mikroakışkan cihazın dışında koloidal silis boncuk boyutu ve yüzey fonksiyonelleşmesine değiştirerek ayarlanabilir olduğunu. 300 nm, 500 nm ve 900 nm arasında bir kordon boyutu Nanopartiküllerin kendini düzenlemesi kullanılarak, sırasıyla, bir gözenek 45 nm ~ büyüklüğü, ~ 75 nm ve ~ 135 nm gözenekli bir membranın imal etmek mümkün olmuştur. elektrik altındaEl potansiyeli, bir katyon seçici membran gibi bu nano-gözenekli membran başlatılan iyon konsantrasyon kutuplaşma (ICP) oyunculuk 15 dakika içinde ~ 1.700 kat DNA konsantre. Bu sigara litografik nanofabrikasyon süreci PDMS mikroakışkan çip içinde iyonların ve moleküllerin nano taşıma süreçlerinin çalışma için ayarlanabilir bir nanofluidic kavşak inşa etmek için yeni bir fırsat açılır.
Introduction
10 2 nm – NANO AKIŞKAN 10 1 uzunluğu ölçeğinde biyolojik süreçleri ya da iyonların taşınım olaylarını ve molekülleri incelemek için μ TMS ortaya çıkan bir araştırma alanı (Micro Toplam Analiz Sistemleri) 'dir. Gerekirse bu tür nanochannels olarak nanofluidic araçları gelişine, moleküllerin ve iyonların taşıma işlemleri sadece ayrılma ve tespiti için bu uzunluk ölçekte kullanılabilen özellikleri istismar ederek, benzeri görülmemiş bir hassasiyetle takip ve manipüle edilebilir. 1,2 Bir bu karakteristik nano ölçekli özellikleri bir yük dengesizliğe neden ve nanochannel ve Mikrokanallı arasındaki iyon konsantrasyonu kutuplaşma (ICP) başlatabilir nanochannels toplu ücret (veya Dukhin numarasına) yüzeyinin yüksek bir orandır. 3
Nanofluidic süreçleri için bir ortak cihaz platformu bir birleşme olarak nanochannels dizisi ile bağlı bir, iki mikro sisteminden oluşur. 4-6 </sup> Bir nanofluidic cihazı oluşturmak için tercih edilen malzeme, çünkü bağlama işlemleri sırasında çökmesini kanal engelleyen yüksek sertlik silikondur. 7 Bununla birlikte, silisyum cihaz fabrikasyonu pahalı maskeleri ve temiz oda tesiste işleme önemli gerektirir. 8- nedeniyle kalıplama ve plazma yapıştırma, polidimetilsiloksan (PDMS) aracılığıyla cihaz imalat kolaylık 10. yaygın Mikroakiskan için bir yapı malzemesi olarak kabul edilmiştir ve bunun yanı sıra NANO AKIŞKAN için ideal bir malzemedir olacaktır. Ancak, düşük Young modülü 360-870 KPa etrafında, plazma yapıştırılması sırasında PDMS kanal kolayca katlanabilir hale getirir. nanochannel derinliği 100 nm altında olması olan, standart fotolitografi vasıtasıyla PDMS cihazların imalat, bir kanal genişliği gerektiren, son derece zorlu hale geleceği anlamına gelir: 1 nanochannel (derinliğine genişliği) minimum en-boy oranı en az 10 olması gerekir photolith mevcut sınırından daha azcivarında 1 mikron coğrafyayı. Bu sınırlamayı aşmak için, böyle bir plazma tedaviden sonra 78 nm 11 veya oluşturmak için kırışıklıkların ortalama derinliği ile çatlaklar başlatmak için germe olmayan lithographical yöntemlerle PDMS nanochannels oluşturmak için girişimleri olmuştur. 12 mekanik basınç ile PDMS kanal izin çöken bir 60 nm gibi düşük nanochannel yüksekliği. 13
bu son derece yaratıcı olmayan taşbaskı yöntemler derinlemesine 100 nm altında bina nanochannels izin olsa da, nanochannel imalat boyutlu kontrol edilebilirlik hala nanofluidic cihazlar için bir yapı malzemesi olarak PDMS geniş bir kabul bir engel teşkil etmektedir. nanochannels bir diğer önemli bir sorun, ister silikon veya PDMS, iyonlar veya moleküller manipülasyonu için bir kanal duvarı yüzey yükünün değiştirilmesi için bir ihtiyaç vardır durumunda yüzey işlevselleştirilmesi. bağlanması aracılığıyla cihaz grubu sonra nanochannels zor olannedeniyle difüzyon ile sınırlı taşıma yüzey fonksiyonlandırmalar için ulaşır. Yüksek boyutlu sadakat ve kolay bir yüzey fonksiyonlandırmalar bir nano kanalı oluşturmak için, mikroakışkan cihazlar buharlaşma 14-16 tarafından uyarılan kolloidal parçacıkların öz-montaj yöntemi umut verici yaklaşımlardan biri olabilir. Gözenek boyutu ve yüzey özelliği kontrol edilebilirliği yanı sıra, ayarlamak için bir olasılık sıcaklık, 17 pH, 18,19 ve iyonik kuvvete kontrol ederek polielektrolitler ile kaplanmış koloidal parçacıklar kullanılarak in-situ gözenek boyutu da vardır. Çünkü bu 18 elektrokromatografi, 20 biyosensörler, 21 protein konsantrasyonu 22 ve Mikroakiskan proteinlerin ve DNA'nın ayrılması. 14,23 Bu çalışmada için avantajlar, kolloidal parçacıkların öz-montaj yöntemi zaten bulduğu uygulamaları, biz bir inşa etmek için bu öz-montaj yöntemi konuşlandırılmış elektrokinetik zenginleştirme cihazıİki mikro arasındaki nanofluidic birleşim gerektirir PDMS. 24 elektrokinetik konsantrasyonda arkasındaki temel mekanizma, iyon konsantrasyon kutuplaşma (ICP) dayanır. Imalat ve montaj adımları 25 ayrıntılı bir açıklaması aşağıdaki protokole dahil edilir.
Protocol
Representative Results
Discussion
NANO AKIŞKAN incelemek için ortak cihaz tasarım düzeni takiben, nanochannels bir dizi desenlendirme lithographically kolloidal nanoparçacıkların buharlaşma odaklı kendini takımı kullanılarak yerine iki mikroakışkan kanallar arasında bir nanofluidic kavşak fabrikasyon. topuk kısmı dağıtım kanalı, 700 nm lik bir derinliği ve 100 nm'lik toplam genişlikte kordon dağıtım kanalının her iki tarafta 2 um genişliğinde nanotraps bir diziye kolloidal parçacıklar akan zaman akmasını boncuk sü…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Bu çalışma NIH R21 EB008177-01A2 ve New York Üniversitesi Abu Dabi (NYUAD) Araştırma Geliştirme Fonu 2013 Biz mikrofabrikasyon sırasında verdikleri destek nedeniyle MİT MTL teknik personele teşekkürlerimi ifade ve James Weston ve onların için NYUAD Nikolas Giakoumidis tarafından desteklenen SEM fotoğraf çekmek ve sırasıyla bir gerilim bölücü bina desteği. PDMS cihaz imalat NYUAD ve mikroimalat çekirdek tesisi yapılmıştır. Son olarak, biz video çekimi ve düzenleme için dijital Burs NYUAD Merkezi'nden Rebecca Pittam teşekkür etmek istiyorum.
Materials
| 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. Microfluidic-assisted growth of colloidal crystals. Soft Matter. 8, 3526-3537 (2012).
- 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. Electropreconcentration with Charge-Selective Nanochannels. Anal Chem. 80, 9542-9550 (2008).
- Ko, S. H., et al. Nanofluidic preconcentration device in a straight microchannel using ion concentration polarization. Lab Chip. 12, 4472-4482 (2012).
