Att skapa Sub-50 Nm nanofluidic korsningar i PDMS mikroflödes Chip via självorganiserande processen av kolloidala partiklar

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

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.

Introduction

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.

Protocol

1. Framställning av de Silica Kolloidala Bead Suspensioner Framställning av 300 nm och 500 nm kiseldioxid pärla suspensioner Vortex kiseldioxiden bead stock suspension (10% vikt / volym i vatten) under 30 sek. för att erhålla en homogen suspension. Pipettera totalt 600 | j, l stamsuspension in i ett 1,5 ml rör och centrifugera den vid 2600 xg under 1 min. Ersätta supernatanten med 400 | il av 1 mM natriumfosfatbuffert (PB, pH 7,0). Suspendera kiseldioxidpä…

Representative Results

En elektrokinetisk koncentrator chip i PDMS som innehåller en egenmonterad nanofluidic korsning mellan två mikrokanaler visas i figur 1A). Kanalen i mitten av anordningen är fylld med ett DNA-prov-lösning och flankeras av två buffertlösning kanaler på varje sida via en 50 | im breda vulsten leveranskanal (Figur 1B). Kiseldioxid kolloidal suspension flygs in pärlan leveranskanal direkt efter plasma bindning för att skapa en nanofluidic korsning m…

Discussion

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…

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