إنشاء 50 نيوتن متر الفرعية علم الموائع النانوي المفارق في PDMS ميكروفلويديك رقاقة عن طريق عملية التجميع الذاتي من الغروية الجسيمات
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
ثنائي ميثيل بولي سيلوكسان (PDMS) هي مواد البناء السائدة لجعل أجهزة ميكروفلويديك نظرا لسهولة صب والترابط وكذلك شفافيتها. بسبب ليونة من المواد PDMS، ومع ذلك، فإنه يشكل تحديا لاستخدام PDMS لبناء nanochannels. القنوات تميل إلى الانهيار بسهولة خلال الترابط البلازما. في هذه الورقة، نقدم طريقة التجميع الذاتي يحركها تبخر النانوية السيليكا الغروية إلى إنشاء تقاطعات علم الموائع النانوي مع الفرعي 50 نانومتر المسام بين اثنين microchannels. حجم المسام وكذلك تهمة سطح تقاطع علم الموائع النانوي هو الانضباطي ببساطة عن طريق تغيير الغروية السيليكا حبة حجم والسطحية functionalization خارج الجهاز ميكروفلويديك تجميعها في قارورة قبل عملية التجميع الذاتي. باستخدام التجميع الذاتي للجزيئات النانوية مع حجم حبة من 300 نانومتر و 500 نانومتر، و 900 نانومتر، وكان من الممكن أن يصنع غشاء مسامي مع حجم المسام من ~ 45 نانومتر، ~ 75 نانومتر، و~ 135 نانومتر، على التوالي. تحت الكهربائيةآل المحتملة، وهذا nanoporous غشاء بدأ تركيز أيون الاستقطاب (ICP) بصفتها غشاء الموجبة انتقائي للتركيز الحمض النووي التي كتبها ~ 1700 مرات في غضون 15 دقيقة. تفتح هذه العملية nanofabrication غير معدني يصل فرصة جديدة لبناء تقاطع علم الموائع النانوي الانضباطي لدراسة عمليات النقل النانو الأيونات والجزيئات داخل شريحة ميكروفلويديك PDMS.
Introduction
علم الموائع النانوي هو المجال الناشئ البحوث μ TAS (مايكرو إجمالي تحليل النظم) لدراسة العمليات البيولوجية أو الظواهر نقل الأيونات والجزيئات في نطاق طول 10 يناير – 10 فبراير نانومتر. مع ظهور أدوات علم الموائع النانوي مثل nanochannels، يمكن رصد عمليات نقل الجزيئات والأيونات بدقة لم يسبق لها مثيل والتلاعب بها، إذا لزم الأمر، من خلال استغلال الميزات التي لا تتوفر إلا في هذا النطاق طول لفصل وكشف 1،2 أحد هذه الميزات النانو مميزة هي نسبة عالية من السطح إلى المسؤول الأكبر (أو عدد Dukhin) في nanochannels التي يمكن أن تسبب خلل الاتهام وبدء الاستقطاب تركيز أيون (ICP) بين نانوية ومتناهية 3
منصة جهاز مشتركة لدراسة الظواهر علم الموائع النانوي يتكون من نظام ثنائي متناهية متصلة بواسطة مجموعة من nanochannels بمثابة مفترق 4-6 </sup> المواد من خيار لبناء مثل هذا الجهاز علم الموائع النانوي هي السيليكون بسبب صلابة العالية التي تمنع القناة من الانهيار أثناء عمليات الترابط. 7 ومع ذلك، تصنيع الجهاز السيليكون يتطلب أقنعة مكلفة وكمية كبيرة من المعالجة في منشأة غرف الأبحاث. 8- 10 نظرا لسهولة تصنيع الجهاز من خلال (PDMS) الصب، وارتباط البلازما، ثنائي ميثيل بولي سيلوكسان تمت على نطاق واسع تم قبول كمادة بناء لعلى microfluidics وسيكون مثاليا للمادة علم الموائع النانوي كذلك. ومع ذلك، معامل منخفضة يونغ لها في جميع أنحاء 360-870 الجيش الشعبي الكوري، يجعل قناة PDMS للطي بسهولة خلال الترابط البلازما. الحد الأدنى لنسبة أبعاد نانوية (العرض إلى العمق) يجب أن تكون أقل من 10: 1 وهذا يعني أن تصنيع الأجهزة PDMS عبر ضوئيه القياسية ستصبح صعبة للغاية إذا كان عمق نانوية يجب أن يكون أقل من 100 نانومتر، والتي تتطلب عرض القناة أقل من الحد الحالي من photolithography في حوالي 1 ميكرون. للتغلب على هذا القيد، وكانت هناك محاولات لخلق nanochannels في PDMS باستخدام أساليب غير الزخرفية مثل تمتد إلى الشروع في الشقوق مع عمق متوسط من 78 نانومتر 11 أو لتشكيل التجاعيد بعد العلاج البلازما 12 تنهار قناة PDMS مع الضغط الميكانيكي سمحت ارتفاع نانوية منخفضة تصل إلى 60 نانومتر. 13
على الرغم من أن هذه الأساليب المبتكرة للغاية غير معدني سمحت nanochannels بناء أقل من 100 نانومتر في العمق، والتحكم الأبعاد للتصنيع نانوية لا يزال يشكل عقبة أمام قبول واسع من PDMS كمادة بناء لأجهزة علم الموائع النانوي. مشكلة خطيرة أخرى من nanochannels، سواء في السيليكون أو PDMS، هو functionalization السطح في حالة وجود حاجة لتغيير تهمة السطحية على الجدار قناة للتلاعب من الأيونات أو الجزيئات. بعد تجميع الجهاز من خلال الترابط، وnanochannels من الصعب للغايةوصول إلى functionalization السطح بسبب نقل محدودة الانتشار. لإنشاء قناة النانو مع الإخلاص الأبعاد عالية وfunctionalization سطح سطحي، وطريقة التجميع الذاتي للجزيئات الغروية الناجم عن تبخر 14-16 في أجهزة ميكروفلويديك يمكن أن يكون واحدا من النهج الواعدة. بالإضافة إلى إمكانية التحكم في حجم المسام والممتلكات السطح، بل هناك إمكانية لضبط حجم المسام في الموقع عند استخدام الجسيمات الغروية المغلفة مع polyelectrolytes عن طريق التحكم في درجة الحرارة، درجة الحموضة 17، 18،19 والقوة الأيونية. 18 وبسبب هذه تطبيقات من المزايا، وطريقة التجميع الذاتي للجزيئات الغروية قد وجدت بالفعل لاستشراب كهربي، 20 أجهزة الاستشعار، وتركيز البروتين 21 22 و الفصل بين البروتينات والحمض النووي في على microfluidics. 14،23 في هذه الدراسة، قمنا بنشر هذه الطريقة التجميع الذاتي لبناء جهاز preconcentration حركي كهربي فيPDMS يتطلب تقاطع علم الموائع النانوي بين اثنين microchannels 24 آلية الأساسية وراء تركيز حركي كهربي يقوم على الاستقطاب تركيز أيون (ICP). وضمت 25 وصفا مفصلا لتصنيع وتجميع الخطوات في البروتوكول التالي.
Protocol
Representative Results
Discussion
Following the common device design scheme to study nanofluidics, we fabricated a nanofluidic junction between two microfluidic channels by using the evaporation-driven self-assembly of colloidal nanoparticles instead of lithographically patterning an array of nanochannels. When flowing the colloidal particles into the bead delivery channel, an array of nanotraps with a depth of 700 nm and a width of 2 µm on both sides of the bead delivery channel at a total width of 100 μm prevented the bead suspensio…
Offenlegungen
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
This work was supported by NIH R21 EB008177-01A2 and New York University Abu Dhabi (NYUAD) Research Enhancement Fund 2013. We express our thanks to the technical staff of MIT MTL for their support during microfabrication and James Weston and Nikolas Giakoumidis of NYUAD for their support in taking SEM pictures and building a voltage divider, respectively. The device fabrication in PDMS was conducted in the microfabrication core facility of NYUAD. Lastly, we would like to thank Rebecca Pittam from the NYUAD Center for Digital Scholarship for video shooting and editing.
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
- Mawatari, K., Kazoe, Y., Shimizu, H., Pihosh, Y., Kitamori, T. Extended-Nanofluidics: Fundamental Technologies, Unique Liquid Properties, and Application in Chemical and Bio Analysis Methods and Devices. Anal Chem. 86, 4068-4077 (2014).
- Tsukahara, T., Mawatari, K., Kitamori, T. Integrated extended-nano chemical systems on a chip. Chem Soc Rev. 39, 1000-1013 (2010).
- Mani, A., Zangle, T. A., Santiago, J. G. On the Propagation of Concentration Polarization from Microchannel-Nanochannel Interfaces Part I: Analytical Model and Characteristic Analysis. Langmuir. 25, 3898-3908 (2009).
- Aizel, K., et al. Enrichment of nanoparticles and bacteria using electroless and manual actuation modes of a bypass nanofluidic device. Lab Chip. 13, 4476-4485 (2013).
- Wang, Y. C., Stevens, A. L., Han, J. Million-fold preconcentration of proteins and peptides by nanofluidic filter. Anal Chem. 77, 4293-4299 (2005).
- Karnik, R., et al. Electrostatic control of ions and molecules in nanofluidic transistors. Nano letters. 5, 943-948 (2005).
- Mao, P., Han, J. Y. Fabrication and characterization of 20 nm planar nanofluidic channels by glass-glass and glass-silicon bonding. Lab Chip. 5, 837-844 (2005).
- Mao, P., Han, J. Massively-parallel ultra-high-aspect-ratio nanochannels as mesoporous membranes. Lab Chip. 9, 586-591 (2009).
- Balducci, A., Mao, P., Han, J. Y., Doyle, P. S. Double-stranded DNA diffusion in slitlike nanochannels. Macromolecules. 39, 6273-6281 (2006).
- Yamada, M., Mao, P., Fu, J. P., Han, J. Y. Rapid Quantification of Disease-Marker Proteins Using Continuous-Flow Immunoseparation in a Nanosieve Fluidic Device. Anal Chem. 81, 7067-7074 (2009).
- Huh, D., et al. Tuneable elastomeric nanochannels for nanofluidic manipulation. Nat Mater. 6, 424-428 (2007).
- Chung, S., Lee, J. H., Moon, M. W., Han, J., Kamm, R. D. Non-lithographic wrinkle nanochannels for protein preconcentration. Adv Mater. 20, 3011-3016 (2008).
- Park, S. M., Huh, Y. S., Craighead, H. G., Erickson, D. A method for nanofluidic device prototyping using elastomeric collapse. Proc Natl Acad Sci. 106, 15549-15554 (2009).
- Zeng, Y., Harrison, D. J. Self-assembled colloidal arrays as three-dimensional nanofluidic sieves for separation of biomolecules on microchips. Anal Chem. 79, 2289-2295 (2007).
- Malekpourkoupaei, A., Kostiuk, L. W., Harrison, D. J. Fabrication of Binary Opal Lattices in Microfluidic Devices. Chem Mat. 25, 3808-3815 (2013).
- Merlin, A., Salmon, J. -. B., Leng, J. Microfluidic-assisted growth of colloidal crystals. Soft Matter. 8, 3526-3537 (2012).
- Schepelina, O., Zharov, I. PNIPAAM-modified nanoporous colloidal films with positive and negative temperature gating. Langmuir. 23, 12704-12709 (2007).
- Schepelina, O., Zharov, I. Poly(2-(dimethylamino)ethyl methacrylate)-Modified Nanoporous Colloidal Films with pH and Ion Response. Langmuir. 24, 14188-14194 (2008).
- Smith, J. J., Zharov, I. Ion transport in sulfonated nanoporous colloidal films. Langmuir. 24, 2650-2654 (2008).
- Gaspar, A., Hernandez, L., Stevens, S., Gomez, F. A. Electrochromatography in microchips packed with conventional reversed-phase silica particles. Electrophoresis. 29, 1638-1642 (2008).
- Lee, S. Y., et al. High-Fidelity Optofluidic On-Chip Sensors Using Well-Defined Gold Nanowell Crystals. Anal Chem. 83, 9174-9180 (2011).
- Hu, Y. L., et al. Interconnected ordered nanoporous networks of colloidal crystals integrated on a microfluidic chip for highly efficient protein concentration. Electrophoresis. 32, 3424-3430 (2011).
- Zhang, D. -. W., et al. Microfabrication-free fused silica nanofluidic interface for on chip electrokinetic stacking of DNA. Microfluid Nanofluid. 14, 69-76 (2013).
- Syed, A., Mangano, L., Mao, P., Han, J., Song, Y. A. Creating sub-50 nm nanofluidic junctions in a PDMS microchip via self-assembly process of colloidal silica beads for electrokinetic concentration of biomolecules. Lab Chip. 14, 4455-4460 (2014).
- Kim, S. J., Song, Y. A., Han, J. Nanofluidic concentration devices for biomolecules utilizing ion concentration polarization: theory, fabrication, and applications. Chem Soc Rev. 39, 912-922 (2010).
- Fu, J. P., Mao, P., Han, J. Y. Continuous-flow bioseparation using microfabricated anisotropic nanofluidic sieving structures. Nat Protoc. 4, 1681-1698 (2009).
- Plecis, A., Nanteuil, C., Haghiri-Gosnet, A. M., Chen, Y. Electropreconcentration with Charge-Selective Nanochannels. Anal Chem. 80, 9542-9550 (2008).
- Ko, S. H., et al. Nanofluidic preconcentration device in a straight microchannel using ion concentration polarization. Lab Chip. 12, 4472-4482 (2012).
