コロイド粒子の自己組織化プロセスを介して、PDMSマイクロ流体チップ内のサブ50 Nmのナノ流体ジャンクションを作成します
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
ポリジメチルシロキサン（PDMS）が原因で成形及び接合の容易さだけでなく、その透明性にマイクロ流体デバイスを作るために現行の建築材料です。 PDMS材料の柔らかさに、しかし、ナノチャネルの構築にPDMSを使用することは困難です。チャネルは、プラズマ接合時に容易に崩壊する傾向があります。本稿では、2マイクロチャネルの間nm孔サブ50とナノ流体ジャンクションを作成するために、シリカコロイド状ナノ粒子の蒸発主導の自己組織化法を提案します。細孔径、ならびにナノ流体接合の表面電荷は、単に、自己組織化プロセスの前にバイアルに組み立てられたマイクロ流体デバイスの外部コロイダルシリカビーズの大きさ及び表面機能化を変更することにより調整可能です。ビーズ300nmの大きさ、500ナノメートル、900ナノメートルを有するナノ粒子の自己集合を使用して、それぞれ、〜45nmで、〜75 nmおよび〜135ナノメートルの細孔サイズを有する多孔質膜を作製することが可能でした。電気の下でアル電位は、陽イオン選択性膜として、このナノ多孔膜開始イオン濃度分極（ICP）作用は、15分以内〜1700倍のDNAを濃縮します。この非リソグラフィナノファブリケーションプロセスは、PDMSマイクロ流体チップ内部のイオンや分子のナノスケールの輸送過程の研究のための調整可能なナノ流体接合を構築するための新しい機会を開きます。
Introduction
10 2 nmの-ナノ流体工学は、10 1の長さスケールでのイオンや分子の生物学的プロセスまたは輸送現象を研究するためにμTAS（マイクロトータル分析システム）の新興研究領域です。必要であれば、このようなナノチャンネルのようなナノ流体ツールの出現により、分子やイオンの輸送過程だけ分離および検出のために、この長さスケールで使用可能な機能を利用することにより、前例のない精度で監視し、操作することができます。1,2つのこれらの特徴的なナノスケールの特徴は、電荷不均衡を引き起こし、ナノチャネルとマイクロチャネルとの間のイオンの濃度分極（ICP）を開始することができるナノチャンネル内のバルク充電（またはDukhin番号）に対する表面の比率が高いです。3
ナノ流体現象の研究のための一般的なデバイスプラットフォームは、接合部としてナノチャネルのアレイによって接続された2-マイクロチャネルシステムで構成されています。4-6 </sup>そのようなナノ流体デバイスを構築するために選択される材料をので、接合プロセスの間に崩壊するチャネルを防止する高い剛性のシリコンである。7しかし、シリコンデバイスの製造は、高価なマスク及びクリーンルーム施設での処理のかなりの量を必要とします。8-これにより、成形およびプラズマボンディング、ポリジメチルシロキサン（PDMS）を介して、デバイス製造の利便性への10は広くマイクロ流体のための建築材料として受け入れられており、それは同様にナノ流体工学のための理想的な材料であろう。しかし、低ヤング率は、360から870キロパスカルの周囲に、プラズマ接合時PDMSチャネルは容易に折りたたみ可能なります。ナノチャネルの深さが100nm以下である必要がある場合、標準的なフォトリソグラフィを介してPDMSデバイスの製造は、チャネル幅を必要とする、非常に挑戦的になることを意味し、1：ナノチャネル（深さ、幅）の最小アスペクト比が10未満でなければなりませんphotolithの電流制限値未満1μm程度でography。この制限を克服するために、78 nmの11の平均深さを有する亀裂を開始するために、プラズマ処理後のしわを形成するために延伸非リソグラフィ法を用いてPDMSにナノチャネルを作成するための試みがなされてきた。12機械的圧力とPDMSチャネルを崩壊許さ60 nmと低いナノチャネルの高さ。13
これらの高度に本発明の非リソグラフィー法は、深さ100 nm以下のナノチャンネルを構築する許可されていても、ナノチャンネル製作の寸法制御は、依然としてナノ流体デバイスのための建築材料としてPDMSの広く受け入れへの障害をもたらします。ナノチャネルの別の重大な問題は、シリコンまたはPDMSで、ケース内表面機能であるか否かのイオンまたは分子の操作のためのチャネル壁上の表面電荷を変化させる必要があります。結合を介してデバイスアセンブリの後、ナノチャンネルはに非常に困難であり、拡散制限輸送による表面機能化のために達します。高次元の忠実度と容易な表面官能持つナノスケールのチャネルを作成するには、マイクロ流体デバイス中で蒸発14-16によって誘導されたコロイド粒子の自己組織化法は有望なアプローチの1つであることができます。細孔サイズおよび表面特性の制御に加えて、調整する可能性は、温度、pHは17、18,19及びイオン強度を制御することにより、高分子電解質で被覆されたコロイド粒子を使用してその場で孔の大きさもある。そのため、これらの18利点、コロイド粒子の自己組織化法はすでにエレクトロ、20バイオセンサー、21タンパク質濃度22とマイクロ流体中のタンパク質やDNAの分離のためのアプリケーションを発見した。本研究では14,23、我々はANを構築するために、この自己組織化法を導入しました中電学的予備濃縮装置2マイクロチャネル間のナノ流体接合を必要とするPDMS。24動電濃度の背後にある基本的なメカニズムは、イオン濃度分極（ICP）に基づくものである。製造及び組立工程の25詳細な説明は以下のプロトコルに含まれています。
Protocol
Representative Results
Discussion
ナノ流体工学を研究するための一般的なデバイスの設計方式に続いて、我々は、コロイド状のナノ粒子の蒸発主導の自己集合を使用しての代わりに、リソグラフィナノチャネルのアレイをパターニングすることにより、2つのマイクロ流体チャネルとの間にナノ流体接合部を作製しました。ビーズ配信チャネル、700ナノメートルの深さおよび100μmの全幅にビーズ配信チャネルの両側に2μmの幅na…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
この作品は、NIH R21 EB008177-01A2とニューヨーク大学アブダビ（NYUAD）研究強化基金2013我々は、微細加工時の彼らのサポートのためのMIT MTLの技術スタッフに感謝を表明し、ジェームズ・ウェストンとそののためのNYUADのニコラスGiakoumidisによってサポートされていましたSEM写真を撮影し、それぞれ、分圧器を構築する上でのサポート。 PDMSでデバイス製造をNYUADの微細コア施設で行いました。最後に、我々はビデオ撮影・編集のためのデジタル奨学金NYUADセンターからレベッカPittamに感謝したいと思います。
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 |
References
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