Creación de Sub-50 Nm nanofluídico uniones en PDMS microfluidos de chips VIA proceso de autoensamblaje de partículas coloidales
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
Polidimetilsiloxano (PDMS) es el material de construcción predominante para hacer que los dispositivos de microfluidos debido a su facilidad de moldeo y unión, así como su transparencia. Debido a la suavidad del material PDMS, sin embargo, es difícil de utilizar para la construcción de PDMS nanocanales. Los canales tienden a colapsar fácilmente durante la unión plasma. En este trabajo, presentamos un método de auto-ensamblaje de evaporación impulsado de nanopartículas de sílice coloidal para crear uniones nanofluídicos con sub-50 nm poros entre dos microcanales. El tamaño de poro así como la carga superficial de la unión nanofluídico es sintonizable simplemente cambiando la perla de sílice coloidal tamaño y la superficie de funcionalización fuera del dispositivo de microfluidos montado en un vial antes de que el proceso de autoensamblaje. Usando el auto-ensamblaje de nanopartículas con un tamaño de gota de 300 nm, 500 nm, y 900 nm, fue posible fabricar una membrana porosa con un tamaño de poro de ~ 45 nm, ~ 75 nm y ~ 135 nm, respectivamente. bajo eléctricoal potencial, esta membrana iniciado polarización de la concentración de iones (ICP) que actúa nanoporoso como una membrana selectiva para los cationes de concentrar ADN por ~ 1.700 veces dentro de 15 min. Este proceso nanofabricación no litográfica se abre una nueva oportunidad para construir una unión nanofluídico sintonizable para el estudio de los procesos de transporte a escala nanométrica de los iones y moléculas dentro de un chip de microfluidos PDMS.
Introduction
Nanofluidos es un área emergente de investigación del mu TAS (Micro Total de Analysis Systems) para estudiar los procesos biológicos o fenómenos de transporte de iones y moléculas en la escala de longitud de 10 1 – 10 2 nm. Con el advenimiento de las herramientas nanofluídicos como nanocanales, los procesos de transporte de moléculas e iones pueden monitorizarse con precisión sin precedentes y manipulados, si es necesario, mediante la explotación de características que están disponibles sólo en esta escala de longitud para la separación y detección. 1,2 Una de estas características a nanoescala característica es una alta relación de superficie a la carga a granel (o número Dukhin) en nanocanales que puede causar un desequilibrio de la carga e iniciar polarización de la concentración de iones (ICP) entre el nanochannel y microcanal. 3
Una plataforma de dispositivo común para el estudio de fenómenos nanofluídicos consiste en un sistema de dos microcanales conectados por una serie de nanocanales como un cruce. 4-6 </sup> El material de elección para la construcción de un dispositivo de este tipo es la nanofluídico de silicio debido a su alta rigidez que impide que el canal se colapse durante procesos de unión. 7 Sin embargo, la fabricación de dispositivos de silicio requiere máscaras caras y cantidad sustancial de procesamiento en las instalaciones de sala limpia. 8- 10 Debido a la conveniencia de la fabricación del dispositivo a través de moldeo y unión de plasma, polidimetilsiloxano (PDMS) ha sido ampliamente aceptado como un material de construcción para la microfluídica y sería un material ideal para nanofluidos también. Sin embargo, el módulo de Young bajo su alrededor 360 a 870 kPa, hace que el canal de PDMS fácilmente plegable durante la unión de plasma. La relación de aspecto mínima de la nanochannel (anchura a profundidad) tiene que ser de menos de 10: 1 que significa que la fabricación de dispositivos de PDMS a través de fotolitografía estándar será extremadamente difícil si la profundidad nanochannel tiene que estar por debajo de 100 nm, lo que requiere un ancho de canal menor que el límite actual de fotolitografía en alrededor de 1 micra. Para superar esta limitación, ha habido intentos de crear nanocanales en PDMS utilizando métodos no litográficas como el estiramiento para iniciar grietas con una profundidad promedio de 78 nm 11 o la formación de arrugas después del tratamiento de plasma. 12 se derrumba un canal de PDMS con presión mecánica permitió una nanochannel altura de tan bajo como 60 nm. 13
A pesar de que estos métodos no litográficas altamente inventivos permiten nanocanales de construcción por debajo de 100 nm de profundidad, la capacidad de control dimensional de la fabricación nanochannel todavía representa un obstáculo para una amplia aceptación de PDMS como material de construcción para dispositivos nanofluídicos. Otro problema crítico de los nanocanales, ya sea en silicio o PDMS, es la funcionalización de la superficie en caso de que haya una necesidad de alterar la carga superficial sobre la pared del canal para la manipulación de los iones o moléculas. Después del montaje del dispositivo a través de la unión, los nanocanales son extremadamente difíciles dealcanzar para funcionalización superficial debido al transporte de difusión limitada. Para crear un canal nanoescala con alta fidelidad dimensional y funcionalización de la superficie fácil, el método de auto-ensamblaje de las partículas coloidales inducidas por evaporación 14-16 en dispositivos de microfluidos puede ser uno de los enfoques prometedores. Además de la capacidad de control de tamaño de poro y de la propiedad de la superficie, hay incluso una posibilidad de ajustar el tamaño de los poros cuando se utiliza in situ partículas coloidales recubiertas con polielectrolitos mediante el control de la temperatura, pH 17, 18,19 y la fuerza iónica. 18 Debido a estos aplicaciones ventajas, el método de auto-ensamblaje de las partículas coloidales ya ha encontrado para electrocromatografía, 20 biosensores, la concentración de proteína de 21 22 y la separación de las proteínas y el ADN en la microfluídica. 14,23 en este estudio, se desplegaron este método de auto-ensamblaje para construir una dispositivo de preconcentración en electrocinéticaPDMS que requiere una unión nanofluídico entre dos microcanales. 24 el mecanismo fundamental detrás de la concentración electrocinético se basa en polarización de la concentración de iones (ICP). 25 Una descripción detallada de los pasos de fabricación y montaje se incluye en el siguiente protocolo.
Protocol
Representative Results
Discussion
Siguiendo el esquema de diseño del dispositivo común para estudiar nanofluidos, se han fabricado un cruce nanofluídico entre dos canales de microfluidos mediante el auto-ensamblaje de evaporación impulsado de nanopartículas coloidales en lugar de por litografía modelando una serie de nanocanales. Cuando fluye las partículas coloidales en el canal de suministro de bolitas, una matriz de nanotraps con una profundidad de 700 nm y una anchura de 2 m en ambos lados del canal de suministro de bolitas con una anchura to…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Este trabajo fue apoyado por el NIH R21 EB008177-01A2 y Nueva York Universidad de Abu Dabi (NYUAD) Investigación Fondo de Mejoramiento de 2013. Expresamos nuestro agradecimiento al personal técnico del MIT MTL por su apoyo durante la microfabricación y James Weston y Nikolas Giakoumidis de NYUAD para su el apoyo en la toma de imágenes SEM y la construcción de un divisor de tensión, respectivamente. La fabricación del dispositivo de PDMS se llevó a cabo en las instalaciones de microfabricación núcleo de NYUAD. Por último, nos gustaría dar las gracias a Rebecca Pittam del Centro para la Beca NYUAD digital Para la grabación y edición de vídeo.
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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