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.
Polydimetylsiloxan (PDMS) är den rådande byggnadsmaterialet att göra mikroflödessystem enheter på grund av dess enkla gjutning och bindning samt dess öppenhet. På grund av mjukheten hos PDMS materialet, är det emellertid svårt att använda PDMS för att bygga nanokanaler. Kanalerna tenderar att kollapsa lätt under plasma bindning. I detta dokument presenterar vi en avdunstning driven självorganisering metod kolloidal nanopartiklar för att skapa nanofluidic korsningar med sub-50 nm porer mellan två mikro. Porstorleken samt ytladdningen hos den nanofluidic korsningen är avstämbar helt enkelt genom att ändra den kolloidala kiseldioxiden pärlstorlek och ytfunktionalisering utanför den monterade mikroflödessystem enhet i en injektionsflaska innan den självorganiserande processen. Använda självorganisering av nanopartiklar med en pärla storlek på 300 nm, 500 nm och 900 nm, var det möjligt att tillverka ett poröst membran med en porstorlek av ~ 45 nm, ~ 75 nm och ~ 135 nm, respektive. Under elektriskal potential, denna nanoporösa membran inlett jonkoncentration polarisering (ICP) som fungerar som en katjon-selektiv membran för att koncentrera DNA genom ~ 1700 gånger inom 15 minuter. Denna icke-litografiska nanofabrikation processen öppnar upp en ny möjlighet att bygga en avstämbar nanofluidic knutpunkt för studiet av nanotransportprocesser av joner och molekyler inuti en PDMS mikroflödessystem chip.
Nanofluidik är ett växande forskningsområde | i TAS (Micro Total Analysis System) för att studera biologiska processer eller transportfenomen av joner och molekyler på längdskalan av 10 januari-10 Februari nm. Med tillkomsten av de nanofluidic verktyg såsom nanokanaler, kan transportprocesser av molekyler och joner övervakas med oöverträffad precision och manipuleras, om det behövs, genom att utnyttja funktioner som bara är tillgängliga på denna längd skala för separation och detektion. 1,2 Ett av dessa karakteristiska nano funktioner är en hög andel av ytan till bulkladdning (eller Dukhin nummer) i nanokanaler som kan orsaka en laddningsobalans och initiera jonkoncentration polarisering (ICP) mellan nanochannel och mikro. 3
En gemensam enhetsplattform för studier av nanofluidic fenomen består av en två-mikrokanalsystemet förbundna genom en matris med nanokanaler som en knutpunkt. 4-6 </sup> Materialet i valet för att bygga en sådan nanofluidic anordning är kisel på grund av sin höga styvhet som förhindrar kanalen från att kollapsa under bindningsprocesser. 7 emellertid kiselanordningstillverkning kräver dyra masker och betydande mängd bearbetning i renrumsanläggningen. 8- 10 på grund av att underlätta för enheten tillverkning genom gjutning och plasma bindning, polydimetylsiloxan (PDMS) har allmänt accepterats som byggnadsmaterial för mikrofluidik och det skulle vara ett idealiskt material för nanofluidik också. Men dess låga Youngs modul runt 360-870 kPa, gör PDMS kanalen lätt hopfällbar under plasma bindning. Sidförhållandet av nanochannel (bredd och djup) minst måste vara mindre än 10: 1, vilket innebär att tillverkningen av PDMS-enheter via standard fotolitografi blir extremt utmanande om nanochannel djupet måste vara under 100 nm, vilket kräver en kanalbredd mindre än den nuvarande gränsen för Fotolitograferaography på runt 1 pm. För att övervinna denna begränsning, har det förekommit försök att skapa nanokanaler i PDMS som använder icke-litografiska metoder, såsom sträckning för att initiera sprickor med medeldjup av 78 nm 11 eller för att bilda rynkor efter plasmabehandling. 12 kollapsa en PDMS-kanal med mekaniskt tryck tillåts en nanochannel höjd så låg som 60 nm. 13
Trots dessa mycket uppfinningsrika icke-litografiska metoder tillåtna byggnanokanaler under 100 nm i djup, utgör mått styrbarhet av nanochannel tillverkning fortfarande ett hinder för en bred acceptans av PDMS som byggnadsmaterial för nanofluidic enheter. Ett annat kritiskt problem av de nanokanaler, vare sig i kisel eller PDMS, är ytan funktionalisering i fall det finns ett behov av att ändra ytladdningen på kanalväggen för manipulering av joner eller molekyler. Efter anordningsenheten genom limning, de nanokanaler är extremt svåra attnå för ytan funktionalisering på grund av diffusion begränsade transport. Att skapa en nano kanal med hög dimensionell trohet och enkel yta funktionalisering, kan självorganisering metod för kolloidala partiklar inducerade genom avdunstning 14-16 i mikroflödessystem enheter vara en av de lovande metoder. Förutom möjligheten att kontrollera porstorlek och ytegenskapen, det finns även en möjlighet att avstämma storleken av poren in situ vid användning av kolloidala partiklar belagda med polyelektrolyter genom att styra temperatur, 17 pH, 18,19 och jonstyrka. 18 På grund av dessa fördelar, har den självsammansättningsmetoden av kolloidala partiklar som redan har hittats applikationer för elektrokromatografi, 20 biosensorer, 21 proteinkoncentration 22 och separation av proteiner och DNA i mikrofluidik. 14,23 i denna studie, iordning vi denna självsammansättning metod för att bygga en elektrokinetisk förkoncentrering enheten iPDMS som kräver en nanofluidic korsning mellan två mikro. 24 Den grundläggande mekanismen bakom den elektrokinetiska koncentrationen är baserad på jonkoncentration polarisation (ICP). 25 En detaljerad beskrivning av tillverknings- och monteringssteg ingår i följande protokoll.
Efter den gemensamma enheten designschema för att studera nanofluidik, tillverkade vi en nanofluidic korsning mellan två mikroflödessystem kanaler med hjälp av avdunstning drivna självorganisering av kolloidala nanopartiklar i stället för litografiskt mönstring en rad nanokanaler. När den strömmar de kolloidala partiklarna i vulsten leveranskanal, en matris med nanotraps med ett djup på 700 nm och en bredd av 2 | j, m på båda sidor om vulsten leveranskanal vid en total bredd på 100 | j, m förhindrade kuls…
The authors have nothing to disclose.
Detta arbete stöddes av NIH R21 EB008177-01A2 och New York University Abu Dhabi (NYUAD) Forskning Enhancement Fund 2013. Vi uttrycker vårt tack till den tekniska personalen av MIT MTL för deras stöd under mikro och James Weston och Nikolas Giakoumidis av NYUAD för deras stöd i att ta SEM-bilder och bygga en spänningsdelare, respektive. Enheten tillverkning i PDMS genomfördes i mikrokärnanläggningen NYUAD. Slutligen vill vi tacka Rebecca Pittam från NYUAD Center for Digital stipendium för videoinspelning och redigering.
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 |