Het creëren van Sub-50 Nm nanofluidic Knooppunten in PDMS microfluïdische chip via Self-assemblageproces van colloïdale deeltjes

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

Polydimethylsiloxaan (PDMS) is het heersende bouwmateriaal microfluïdische inrichtingen maken vanwege het eenvoudige vormen en lijmen en transparantie. Door de zachtheid van het PDMS materiaal, is het echter moeilijk te gebruiken voor het bouwen PDMS nanokanalen. De kanalen hebben de neiging om gemakkelijk instorten tijdens plasma binding. In dit artikel geven we een verdamping gedreven zelfassemblage methode silica colloïdale nanodeeltjes nanofluidic kruispunten maken met sub-50 nm poriën tussen twee microkanalen. De poriegrootte en de oppervlaktelading van de nanofluidic junctie instelbaar door eenvoudig de colloïdale silica korrelgrootte en oppervlak functionalisering buiten het samengestelde microfluïdische apparaat in een flesje voor de zelf-assemblageproces. Met de zelfassemblage van nanodeeltjes met een korrelgrootte van 300 nm, 500 nm en 900 nm, was het mogelijk om een ​​poreus membraan te vervaardigen met een poriegrootte van 45 nm ~, ~ 75 nm tot ~ 135 nm. onder elektrischal potentieel, deze nanoporeuze membraan geïnitieerd ion concentratie polarisatie (ICP) fungeren als een kation-selectief membraan DNA door ~ 1700 keer concentreren binnen 15 min. Deze niet-lithografische proces nanofabricage opent een nieuwe kans om een ​​afstembare nanofluidic knooppunt voor de studie van nanoschaal transportprocessen van ionen en moleculen in een PDMS microfluïdische chip bouwen.

Introduction

Nanofluidics is een opkomende onderzoeksgebied van μ TAS (Micro Totaal Analyse Systems) om biologische processen of transport verschijnselen van ionen en moleculen in de lengte schaal van 10 ¹ te bestuderen – 10 ² nm. Met de komst van de nanofluidic hulpmiddelen zoals nanokanalen kan transportprocessen van moleculen en ionen worden bewaakt met uiterste nauwkeurigheid en gemanipuleerd, indien nodig, door gebruik functies die alleen in deze lengteschaal voor scheiding en detectie beschikbaar zijn. Een van ^1,2 deze karakteristieke nanoschaal kenmerken is een hoge verhouding van oppervlak bulk lading (of Dukhin nummer) in nanokanalen dat een lading onbalans kan veroorzaken en initiëren ion concentratie polarisatie (ICP) tussen de nanokanaal en microkanaal. ³

Een gemeenschappelijke inrichting platform voor het bestuderen van fenomenen nanofluidic bestaat uit twee microkanaal systeem verbonden door een reeks nanokanalen als knooppunt. ^4-6 </sup> Het materiaal voor het bouwen van zulke nanofluidic inrichting het silicium vanwege de hoge stijfheid die het kanaal voorkomt instorten tijdens verlijmingsprocessen. ⁷ echter silicium inrichting fabricage vereist dure maskers en aanzienlijke hoeveelheid verwerking in de cleanroom. ^{8- 10} Vanwege het gemak van fabricage inrichting met vormen en plasma binden, polydimethylsiloxaan (PDMS) is algemeen geaccepteerd als bouwmateriaal voor microfluïdische en zou een ideaal materiaal voor nanofluidics ook. Echter, de lage Young's modulus rond 360-870 kPa, maakt het PDMS kanaal gemakkelijk opvouwbaar tijdens plasma binding. De minimale verhouding van de nanokanaal (breedte diepte) minder dan 10 te zijn: 1, wat betekent dat de vervaardiging van PDMS apparaten via standaard fotolithografie extreem moeilijk wordt indien de nanokanaal diepte moet zijn dan 100 nm, waarbij een kanaalbreedte minder dan de huidige limiet van photolithOGRAFIE ongeveer 1 micrometer. Om deze beperking te overwinnen, zijn er pogingen gedaan om nanokanalen in PDMS met behulp van niet-lithografische methoden zoals die zich uitstrekt tot scheuren te starten met een gemiddelde diepte van 78 nm ¹¹ of te vormen rimpels na plasmabehandeling te creëren. ¹² instortende een PDMS kanaal met mechanische druk toegestaan ​​een nanokanaal hoogte zo laag als 60 nm. ¹³

Hoewel deze zeer inventieve niet-lithografische methoden toegestaan ​​gebouw nanokanalen onder 100 nm in de diepte, de dimensionele beheersbaarheid van het nanokanaal fabricage vormt nog steeds een obstakel voor een brede acceptatie van PDMS als bouwmateriaal voor nanofluidic apparaten. Een ander kritiek probleem van de nanokanaaltjes, hetzij in silicium of PDMS, is het oppervlak functionalisering in het geval er behoefte is om de oppervlaktelading op de kanaalwand voor het manipuleren van ionen of moleculen veranderen. Nadat het apparaat de montage door middel van binding, de nanokanalen zijn uiterst moeilijk tebereiken voor oppervlakte functionalisatie als gevolg van de diffusie beperkt transport. Om een nanoschaal kanaal met een hoge dimensionele trouw en facile oppervlak functionalisering te creëren, kan de zelf-assemblage methode om colloïdale deeltjes veroorzaakt door verdamping ^14-16 in microfluïdische apparaten een van de veelbelovende benaderingen. Naast de beheersbaarheid van poriegrootte en oppervlak bezit, is er ook de mogelijkheid om af te stemmen de grootte van de poriën in-situ bij het ​​gebruik van colloïdale deeltjes bekleed met polyelektrolyten door het regelen van temperatuur, ¹⁷ pH, ^18,19 en ionensterkte. ¹⁸ Door deze voordelen, heeft de zelfassemblage werkwijze colloïdale deeltjes reeds toepassing gevonden voor electrochromatografie, ²⁰ biosensoren, ²¹ eiwitconcentratie ²² en scheiding van eiwitten en DNA in microfluïdische. ^14,23 in deze studie, opgesteld we dit zelfassemblage methode om een te bouwen elektrokinetische voorconcentrering apparaat inPDMS een nanofluidic overgang tussen twee microkanalen vereist. ²⁴ De fundamentele mechanisme achter de elektrokinetische concentratie is gebaseerd op ionenconcentratie polarisatie (ICP). ²⁵ Gedetailleerde beschrijving van fabricage en assemblage stappen is bij het ​​volgende protocol.

Protocol

1. Voorbereiding van de silica Colloïdaal Bead Schorsingen Voorbereiding van de 300 nm en 500 nm silica kraal suspensies Vortex de silica kraal voorraadsuspensie (10% w / v in water) gedurende 30 sec. om een ​​homogene suspensie te verkrijgen. Pipetteer een totaal van 600 ui voorraad suspensie in een 1,5 ml buis en centrifugeer het op 2600 g gedurende 1 min. Vervanging van de supernatant met 400 ui 1 mM natriumfosfaatbuffer (PB, pH 7,0). Schorsen de silica ko…

Representative Results

Een elektrokinetische concentrator chip PDMS dat een zelf-geassembleerde nanofluidic overgang tussen twee microkanalen bevat is getoond in Figuur 1A). Het kanaal in het midden van de inrichting wordt gevuld met een DNA monsteroplossing en geflankeerd door twee bufferoplossing kanalen aan weerszijden via een 50 urn breed bead afgiftekanaal (Figuur 1B). De silica colloïdale suspensie wordt gevlogen in de kraal levering kanaal onmiddellijk na plasma bindin…

Discussion

Naar aanleiding van de gemeenschappelijke apparaat ontwerp-regeling te nanofluidics studeren, verzonnen we een nanofluidic kruising tussen twee microfluïdische kanalen met behulp van de verdamping gedreven zelfassemblage van colloïdale nanodeeltjes in plaats van lithografisch patroonvorming een array van nanokanalen. Bij uitstroming de colloïdale deeltjes in de kraal afgiftekanaal een array van nanotraps met een diepte van 700 nm en een breedte van 2 pm op beide zijden van de hiel afgiftekanaal bij een totale breedte…

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