कोलाइडयन कण की आत्म विधानसभा की प्रक्रिया के माध्यम से उप-50 एनएम Nanofluidic PDMS microfluidic चिप में जंक्शनों बनाना
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
Polydimethylsiloxane (PDMS) मोल्डिंग और संबंधों के अपने आसानी के साथ-साथ अपनी पारदर्शिता के कारण microfluidic उपकरणों बनाने के लिए प्रचलित निर्माण सामग्री है। PDMS सामग्री की कोमलता के कारण, हालांकि, यह nanochannels के निर्माण के लिए PDMS का उपयोग करने की चुनौती दे रहा है। चैनलों प्लाज्मा संबंध के दौरान आसानी से पतन के लिए करते हैं। इस पत्र में, हम सिलिका कोलाइडयन नैनोकणों के एक वाष्पीकरण संचालित आत्म विधानसभा उप-विधि 50 एनएम दो microchannels के बीच pores के साथ nanofluidic जंक्शनों बनाने के लिए उपस्थित थे। छेद के आकार के रूप में अच्छी तरह nanofluidic जंक्शन की सतह प्रभारी बस आत्म विधानसभा की प्रक्रिया से पहले एक शीशी में इकट्ठे microfluidic युक्ति के बाहर कोलाइडयन सिलिका मनका आकार और सतह functionalization बदलकर ट्यून करने योग्य है। 300 एनएम, 500 एनएम, और 900 एनएम का मनका आकार के साथ नैनोकणों के विधानसभा स्वयं का प्रयोग, यह ~ 45 एनएम एक छेद के आकार, ~ 75 एनएम और 135 एनएम ~ के साथ एक झरझरा झिल्ली के निर्माण के लिए क्रमश: संभव था। बिजली के तहतअल क्षमता है, इस nanoporous झिल्ली शुरू की आयन एकाग्रता ध्रुवीकरण (आईसीपी) एक केशन चयनात्मक झिल्ली के रूप में अभिनय के लिए 15 मिनट के भीतर ~ 1,700 बार से डीएनए ध्यान केंद्रित करने की। इस गैर-पत्थर के छापे nanofabrication प्रक्रिया एक नया एक PDMS microfluidic चिप के अंदर आयनों और अणुओं के nanoscale परिवहन प्रक्रियाओं के अध्ययन के लिए एक ट्यून करने योग्य nanofluidic जंक्शन बनाने का अवसर खुल जाता है।
Introduction
10 2 एनएम – Nanofluidics एक उभरते अनुसंधान (माइक्रो कुल विश्लेषण प्रणाली) μ टीएएस के क्षेत्र 10 1 की लंबाई पैमाने पर जैविक प्रक्रियाओं या आयनों के परिवहन घटना और अणुओं का अध्ययन है। इस तरह के रूप में nanochannels nanofluidic उपकरणों के आगमन के साथ, अणुओं और आयनों के परिवहन प्रक्रियाओं, अभूतपूर्व परिशुद्धता के साथ नजर रखी जा सकता है और चालाकी से अगर जरूरत सुविधाओं है कि केवल जुदाई और पता लगाने के लिए इस लंबाई पैमाने पर उपलब्ध हैं शोषण से। 1,2 के एक इन विशेषता nanoscale सुविधाओं nanochannels में थोक चार्ज (या Dukhin संख्या) के लिए सतह के एक उच्च अनुपात है कि एक प्रभारी असंतुलन का कारण है और आरंभ nanochannel और microchannel के बीच आयन एकाग्रता ध्रुवीकरण (आईसीपी) कर सकता है। 3
Nanofluidic घटना के अध्ययन के लिए एक आम उपकरण प्लेटफ़ॉर्म एक दो microchannel एक जंक्शन के रूप में nanochannels की एक सरणी से जुड़े प्रणाली के होते हैं। 4-6 </sup> इस तरह के एक nanofluidic डिवाइस के निर्माण के लिए पसंद की सामग्री अपने उच्च कठोरता है कि संबंधों की प्रक्रिया के दौरान ढहने से रोकता चैनल की वजह से सिलिकॉन है। 7 हालांकि, सिलिकॉन उपकरण निर्माण महंगा मास्क और cleanroom सुविधा में प्रसंस्करण की पर्याप्त राशि की आवश्यकता है। 8 ढलाई और प्लाज्मा संबंध, polydimethylsiloxane (PDMS) के माध्यम से उपकरण निर्माण की सुविधा की वजह से व्यापक रूप से 10 microfluidics के लिए एक निर्माण सामग्री के रूप में स्वीकार किया गया है और यह nanofluidics के लिए एक आदर्श सामग्री के रूप में अच्छी तरह से होगा। हालांकि, इसकी कम यंग मापांक के चारों ओर 360-870 केपीए, PDMS चैनल आसानी से प्लाज्मा संबंध दौरान सिमटने बनाता है। 1 है कि मानक photolithography के माध्यम से PDMS उपकरणों के निर्माण के लिए बेहद चुनौतीपूर्ण है, तो nanochannel गहराई 100 एनएम से नीचे हो गया है हो जाएगा, एक चैनल चौड़ाई की आवश्यकता होती है जिसका अर्थ है: nanochannel (गहराई तक चौड़ाई) की न्यूनतम पहलू अनुपात कम से कम 10 हो गया है photolith की वर्तमान सीमा से कमपर लगभग 1 माइक्रोन ography। इस सीमा को पार करने के लिए, वहाँ ऐसे प्लाज्मा उपचार के बाद 78 एनएम 11 या फार्म के लिए झुर्रियों का मतलब गहराई के साथ दरारें आरंभ करने के लिए खींच के रूप में PDMS में nanochannels गैर lithographical तरीकों का उपयोग कर बनाने के लिए प्रयास किया गया है। 12 यांत्रिक दबाव के साथ एक PDMS चैनल अनुमति ढहने एक nanochannel ऊंचाई 60 एनएम के रूप में के रूप में कम। 13
हालांकि इन अत्यधिक आविष्कारशील गैर lithographic तरीके 100 एनएम से नीचे इमारत nanochannels अनुमति गहराई में, nanochannel निर्माण के आयामी controllability अभी भी nanofluidic उपकरणों के लिए एक निर्माण सामग्री के रूप PDMS की एक व्यापक स्वीकृति के लिए एक बाधा बन गया है। nanochannels का एक अन्य महत्वपूर्ण समस्या है, चाहे सिलिकॉन या PDMS में, मामले में सतह functionalization आयनों या अणुओं के हेरफेर के लिए चैनल की दीवार पर सतह प्रभारी को बदलने के लिए एक की जरूरत है। बाद संबंधों के माध्यम से विधानसभा डिवाइस, nanochannels करने के लिए बेहद मुश्किल हो जाता हैप्रसार-सीमित परिवहन की वजह से सतह functionalization के लिए पहुंच जाते हैं। उच्च आयामी निष्ठा और सतही सतह functionalization के साथ एक nanoscale चैनल बनाने के लिए, microfluidic उपकरणों में वाष्पीकरण 14-16 से प्रेरित कोलाइडयन कण की आत्म विधानसभा विधि होनहार तरीकों में से एक हो सकता है। ताकना आकार और सतह संपत्ति के controllability के अलावा, वहाँ भी धुन करने के लिए एक संभावना ताकना में सीटू जब तापमान 17 पीएच, 18,19 और ईओण ताकत को नियंत्रित करने से polyelectrolytes के साथ लेपित कोलाइडयन कण का उपयोग करने का आकार है। क्योंकि इनमें से 18 electrochromatography, 20 biosensors, 21 प्रोटीन एकाग्रता 22 और microfluidics में प्रोटीन और डीएनए की जुदाई। 14,23 इस अध्ययन में लिए फायदे, कोलाइडयन कण की आत्म विधानसभा पद्धति पहले से ही पाया गया है अनुप्रयोगों, हम इस विधानसभा स्वयं एक का निर्माण करने की विधि तैनात में electrokinetic preconcentration डिवाइसPDMS कि दो microchannels के बीच एक nanofluidic जंक्शन की आवश्यकता है। 24 electrokinetic एकाग्रता के पीछे मौलिक तंत्र आयन एकाग्रता ध्रुवीकरण (आईसीपी) पर आधारित है। 25 निर्माण और विधानसभा कदम का एक विस्तृत विवरण निम्नलिखित प्रोटोकॉल में शामिल है।
Protocol
Representative Results
Discussion
nanofluidics अध्ययन करने के लिए आम उपकरण डिजाइन योजना के बाद, हम कोलाइडयन नैनोकणों के वाष्पीकरण से चलने वाली विधानसभा स्वयं उपयोग करने के बजाय पत्थर के छापे से छापने से nanochannels की एक सरणी patterning द्वारा दो microfluidic चैनलो?…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
यह काम एनआईएच R21 EB008177-01A2 और न्यूयॉर्क विश्वविद्यालय अबू धाबी (NYUAD) अनुसंधान संवर्धन फंड 2013. हम microfabrication के दौरान उनके समर्थन के लिए एमआईटी MTL के तकनीकी स्टाफ के लिए हमारे धन्यवाद व्यक्त करने और जेम्स वेस्टन और उनके लिए NYUAD की Nikolas Giakoumidis द्वारा समर्थित किया गया SEM तस्वीरें लेने और क्रमश: एक वोल्टेज विभक्त के निर्माण में समर्थन करते हैं। PDMS में उपकरण निर्माण NYUAD की microfabrication कोर सुविधा में आयोजित किया गया। अन्त में, हम वीडियो शूटिंग और संपादन के लिए डिजिटल छात्रवृत्ति के लिए NYUAD केंद्र से रेबेका Pittam को धन्यवाद देना चाहूंगा।
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 |
Referências
- 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).
