Création de sous-50 Nm nanofluidiques Jonctions en PDMS microfluidique Chip via processus d'auto-assemblage des particules colloïdales
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
Polydiméthylsiloxane (PDMS) est le matériau de construction en vigueur pour fabriquer des dispositifs microfluidiques en raison de sa facilité de moulage et de collage, ainsi que sa transparence. En raison de la souplesse du matériau PDMS, cependant, il est difficile à utiliser pour la construction de nanocanaux PDMS. Les chaînes ont tendance à s'effondrer facilement lors du collage de plasma. Dans cet article, nous présentons une méthode de nanoparticules colloïdales de silice auto-assemblage entraîné l'évaporation à créer des jonctions nanofluidiques avec des sous-50 nm pores entre deux microcanaux. La taille des pores ainsi que la charge de surface de la jonction nanofluidique est réglable en changeant simplement la perle de silice taille et surface fonctionnalisation colloïdale en dehors du dispositif microfluidique assemblé dans un flacon avant que le processus d'auto-assemblage. En utilisant l'auto-assemblage des nanoparticules avec une taille de goutte de 300 nm, 500 nm et 900 nm, il était possible de fabriquer une membrane poreuse ayant une taille de pores membranaires 45 nm environ 75 nm et ~ 135 nm, respectivement. Sous électriqueal potentiel, cette membrane nanoporeuse initiée concentration en ions polarisation (ICP) agissant comme une membrane sélective de cations pour concentrer l'ADN par ~ 1.700 fois pendant 15 min. Ce processus de nanofabrication non lithographique ouvre une nouvelle possibilité de construire une jonction nanofluidique accordable pour l'étude des processus de transport à l'échelle nanométrique des ions et des molécules à l'intérieur d'une puce microfluidique PDMS.
Introduction
Nanofluidique est un nouveau domaine de recherche de u TAS (Micro Systems Analysis total) pour étudier les processus biologiques ou des phénomènes de transport des ions et des molécules à l'échelle de longueur de 10 janvier au 10 février nm. Avec l'avènement des outils nanofluidiques tels que nanocanaux, les processus de transport des molécules et des ions peuvent être contrôlés avec une précision sans précédent et manipulés, si nécessaire, par des caractéristiques qui sont disponibles uniquement à cette échelle de longueur pour la séparation et la détection exploitation. 1,2 L' un des ces caractéristiques nanométriques caractéristiques est un ratio élevé de surface à la charge en vrac (ou numéro Dukhin) dans nanocanaux qui peut causer un déséquilibre de charge et d' initier la concentration d'ions de polarisation (ICP) entre le nanocanal et microcanaux. 3
Une plate – forme de dispositif commun pour l'étude des phénomènes nanofluidiques se compose d'un système à deux microcanal relié par un réseau de nanocanaux comme une jonction. 4-6 </sup> Le matériau de choix pour la construction d' un tel dispositif nanofluidique est le silicium en raison de sa grande rigidité qui empêche le canal effondrement au cours des processus de liaison. 7 Cependant, la fabrication de dispositifs de silicium nécessite des masques coûteux et quantité importante de transformation dans la salle blanche. 8- 10 en raison de la commodité de la fabrication du dispositif par moulage et de collage de plasma, le polydiméthylsiloxane (PDMS) a été largement acceptée en tant que matériau de construction pour la microfluidique et ce serait un matériau idéal pour nanofluidique ainsi. Cependant, le module de sa faible Jeune autour 360-870 KPa, rend le canal PDMS facilement pliable lors du collage de plasma. Le rapport d'aspect minimal de la nanocanal (largeur à la profondeur) doit être inférieur à 10: 1 ce qui signifie que la fabrication de dispositifs PDMS par photolithographie classique devient extrêmement difficile si la profondeur de nanocanal doit être inférieure à 100 nm, ce qui nécessite une largeur de canal inférieure à la limite actuelle du typonOGRAPHIE à environ 1 um. Pour contourner cette limitation, il y a eu des tentatives pour créer nanocanaux dans PDMS en utilisant des méthodes non-lithographiques comme les étirements pour initier des fissures avec la profondeur moyenne de 78 nm 11 ou pour former des rides après le traitement de plasma. 12 Collapsing un canal PDMS avec une pression mécanique a permis une hauteur aussi faible que 60 nm nanocanal. 13
Même si ces méthodes non-lithographiques très inventifs autorisés nanocanaux de construction inférieure à 100 nm en profondeur, la contrôlabilité dimensionnelle de la fabrication de nanocanal pose encore un obstacle à une large acceptation de PDMS comme matériau de construction pour les appareils nanofluidiques. Un autre problème critique des nanocanaux, que ce soit dans le silicium ou PDMS est la fonctionnalisation de surface dans le cas où il est nécessaire de modifier la charge de surface sur la paroi du canal pour la manipulation d'ions ou de molécules. Après le montage de l'appareil par liaison, les nanocanaux sont extrêmement difficiles àatteindre pour la fonctionnalisation de surface due au transport de diffusion limitée. Pour créer un canal à l' échelle nanométrique avec une fidélité dimensionnelle et facile fonctionnalisation de surface, la méthode d' auto-assemblage de particules colloïdales induites par évaporation 14-16 dans les dispositifs microfluidiques peut être l' une des approches prometteuses. En plus de la contrôlabilité de la taille des pores et les propriétés de surface, il est même possible de régler la taille des pores in situ lors de l' utilisation de particules colloïdales revêtues de polyélectrolytes en contrôlant la température, 17 le pH, 18,19 et la force ionique. 18 En raison de ces applications avantages, la méthode d' auto-assemblage de particules colloïdales a déjà trouvé pour étectrochromatographie, 20 biocapteurs, la concentration 21 de protéine 22 et la séparation des protéines et de l' ADN en microfluidique. 14,23 dans cette étude, nous avons déployé cette méthode d' auto-assemblage pour construire un dispositif de préconcentration électrocinétique dansPDMS qui nécessite une jonction entre deux microcanaux nanofluidique. 24 Le mécanisme de base derrière la concentration électrocinétique est basée sur la concentration en ions de polarisation (ICP). 25 Une description détaillée de la fabrication et de montage étapes est inclus dans le protocole suivant.
Protocol
Representative Results
Discussion
Suivant le schéma de conception de dispositif commun pour étudier nanofluidique, nous avons fabriqué une jonction nanofluidique entre deux canaux microfluidiques en utilisant l'auto-assemblage entraîné par évaporation de nanoparticules colloïdales au lieu de lithographier modeler un tableau de nanocanaux. Lors de l'écoulement des particules colloïdales dans le canal de distribution de talon, une rangée de nanotraps avec une profondeur de 700 nm et une largeur de 2 pm sur les deux côtés du canal de di…
Offenlegungen
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Ce travail a été soutenu par le New York University Abu Dhabi (NYUAD) Fonds pour l'amélioration de la recherche 2013. Nous exprimons nos remerciements au personnel technique du MIT MTL pour leur soutien au cours de microfabrication NIH R21 EB008177-01A2 et et James Weston et Nikolas Giakoumidis de NYUAD pour leur support dans la prise de vue au MEB et la construction d'un diviseur de tension, respectivement. La fabrication du dispositif en PDMS a été réalisée dans l'installation centrale de microfabrication de NYUAD. Enfin, nous tenons à remercier Rebecca Pittam du Centre NYUAD pour Scholarship numérique pour la prise de vue et le montage vidéo.
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 |
Referenzen
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