Создание Sub-50 Нм нанофлюидика переходов в PDMS микрожидкостных Chip с помощью процесса самосборки коллоидных частиц
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
Полидиметилсилоксан (ПДМС), является преобладающим строительным материалом, чтобы сделать микрожидкостных устройств из-за своей простоты формования и склеивания, а также его прозрачности. Из-за мягкости материала PDMS, тем не менее, оно является сложной задачей использовать PDMS для построения наноканалов. Каналы, как правило, легко разрушаются при плазменном связи. В этой статье мы представляем испарительную управляемый метод самосборки наночастиц кремнезема коллоидных для создания нанофлюидика перекрестки с суб-50 нм пор между двумя микроканалов. Размер пор, а также поверхностный заряд нанофлюидика-перехода перестраиваемый просто путем изменения коллоидного кремнезема Размер шарика и функционализации поверхности снаружи собранного микрожидком устройства во флакон перед процессом самосборки. С помощью самосборки наночастиц с размером борта шины 300 нм, 500 нм и 900 нм, можно было изготовить пористую мембрану с размером пор ~ 45 нм, ~ 75 нм и ~ 135 нм, соответственно. Под электрическималь потенциал, эта нанопористых мембрана инициирована концентрация ионов поляризация (ICP), действующий в качестве катиона селективные мембраны концентрировать ДНК в ~ 1700 раз в течение 15 мин. Это не-литографических процесс Nanofabrication открывает новую возможность построить перестраиваемого нанофлюидика стык для изучения наноразмерных процессов переноса ионов и молекул внутри микрожидком чипа PDMS.
Introduction
Нанофлюидики является развивающейся областью исследований , ЗЯ , TAS (Micro Всего Analysis Systems) для изучения биологических процессов или явлений переноса ионов и молекул в масштабе длины 10 1 – 10 2 нм. С появлением нанофлюидика инструментов , таких как наноканалах, процессы переноса молекул и ионов можно контролировать с беспрецедентной точностью и манипулировать ими, в случае необходимости, за счет использования возможностей, которые доступны только в этом масштабе длины для разделения и обнаружения. 1,2 Один из эти характерные черты наноразмерные является высокое отношение поверхности к объемного заряда (или номер Духин) в наноканалах , что может привести к дисбалансу заряда и инициировать поляризацию концентрации ионов (ICP) между наноканалом и микроканалов. 3
Общая платформа устройства для изучения нанофлюидика явлений состоит из системы двух микроканалов , соединенных массивом наноканалах в качестве перехода. 4-6 </sup> Материал выбора для создания такого устройства нанофлюидика является кремний из – за его высокой жесткости , что предотвращает канал от разрушения во время связывания процессов. 7 Тем не менее, изготовление устройства кремния требует дорогостоящих масок и значительное количество обработки в чистых помещениях объекта. 8- 10 из – за удобства изготовления устройства посредством формования и плазменной сварки, полидиметилсилоксана (PDMS) широко принят в качестве строительного материала для микрофлюидики и было бы идеальным материалом для нанофлюидики , а также. Тем не менее, модуль упругости его низкой Юнга вокруг 360-870 КПа, делает канал PDMS легко разборные во время плазменной сварки. Минимальный коэффициент формы наноканале (отношение ширины к глубине) должна быть меньше, чем 10: 1, что означает, что изготовление устройств PDMS через стандартные фотолитографии будет чрезвычайно сложной задачей, если глубина наноканальных должна быть ниже 100 нм, требующих ширины канала меньше, чем текущий предел photolithграфия около 1 мкм. Чтобы преодолеть это ограничение, были попытки создать наноканалов в PDMS с использованием не-lithographical методы , такие как растяжение , чтобы инициировать трещины со средней глубиной 78 нм 11 или для образования морщин после плазменной обработки. 12 схлопывании канал PDMS с механическим давлением позволило высота наноканальных по цене от 60 нм. 13
Даже если эти весьма изобретательные не-литографических методов позволили построить наноканалов ниже 100 нм в глубину, размерная управляемость при изготовлении наноканалом до сих пор представляет собой препятствие для широкого признания PDMS в качестве строительного материала для нанофлюидика устройств. Другой важной проблемой из наноканалах, будь то в кремнии или PDMS, является функционализации поверхности в случае, если есть необходимость изменить поверхностный заряд на стенке канала для манипулирования ионов или молекул. После сборки устройства через связи, что наноканалах чрезвычайно труднотянутся к поверхности функционализации из-за ограниченной диффузией транспорта. Для создания наноразмерных канал с высокой размерной точностью и легкому функционализации поверхности, метод самосборки коллоидных частиц , индуцируемых испарением 14-16 в микрофлюидальных устройств может быть одним из многообещающих подходов. К тому же контролируемости размеров пор и поверхностной собственности, есть даже возможность настройки размера поры при использовании на месте коллоидные частицы , покрытые полиэлектролитов путем регулирования температуры, 17 рН, 18,19 и ионной силы раствора . 18 Из них преимущества, метод самосборки коллоидных частиц уже нашли применение для электрохроматографии, 20 биосенсоров, концентрация 21 белков 22 и разделения белков и ДНК в микрофлюидики. 14,23 в этом исследовании мы развернули этот метод самосборки , чтобы построить электрокинетическая концентрирование устройство вPDMS , которая требует нанофлюидика соединение между двумя микроканалов. 24 Основным механизмом за электрокинетического концентрации основана на концентрации ионов поляризации (ICP). 25 Подробное описание изготовления и сборки ступеней входит в следующий протокол.
Protocol
Representative Results
Discussion
После общего устройства расчетную схему для изучения нанофлюидики, мы изготовили нанофлюидика соединение между двумя микроканалов с помощью испарения управляемой самосборки коллоидных наночастиц вместо литографически кучность массив наноканалах. При протекании коллоидные частиц?…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Эта работа была поддержана NIH R21 EB008177-01A2 и Нью-Йоркского университета Абу-Даби (NYUAD) исследовательского фонда Enhancement 2013 г. Мы выражаем нашу благодарность техническому персоналу MIT MTL за их поддержку во время микротехнологий и Джеймсом Уэстон и Николаса Giakoumidis из NYUAD для их поддержка в съемке SEM и построения делителя напряжения, соответственно. Изготовление устройства в PDMS проводилось в основной микротехнологий средстве NYUAD. И наконец, мы хотели бы поблагодарить Ребекку Pittam из NYUAD Центра Digital Стипендия для видео съемки и редактирования.
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).
