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.
Polydimethylsiloxaan (PDMS) is het heersende bouwmateriaal microfluïdische inrichtingen maken vanwege het eenvoudige vormen en lijmen en transparantie. Door de zachtheid van het PDMS materiaal, is het echter moeilijk te gebruiken voor het bouwen PDMS nanokanalen. De kanalen hebben de neiging om gemakkelijk instorten tijdens plasma binding. In dit artikel geven we een verdamping gedreven zelfassemblage methode silica colloïdale nanodeeltjes nanofluidic kruispunten maken met sub-50 nm poriën tussen twee microkanalen. De poriegrootte en de oppervlaktelading van de nanofluidic junctie instelbaar door eenvoudig de colloïdale silica korrelgrootte en oppervlak functionalisering buiten het samengestelde microfluïdische apparaat in een flesje voor de zelf-assemblageproces. Met de zelfassemblage van nanodeeltjes met een korrelgrootte van 300 nm, 500 nm en 900 nm, was het mogelijk om een poreus membraan te vervaardigen met een poriegrootte van 45 nm ~, ~ 75 nm tot ~ 135 nm. onder elektrischal potentieel, deze nanoporeuze membraan geïnitieerd ion concentratie polarisatie (ICP) fungeren als een kation-selectief membraan DNA door ~ 1700 keer concentreren binnen 15 min. Deze niet-lithografische proces nanofabricage opent een nieuwe kans om een afstembare nanofluidic knooppunt voor de studie van nanoschaal transportprocessen van ionen en moleculen in een PDMS microfluïdische chip bouwen.
Nanofluidics is een opkomende onderzoeksgebied van μ TAS (Micro Totaal Analyse Systems) om biologische processen of transport verschijnselen van ionen en moleculen in de lengte schaal van 10 1 te bestuderen – 10 2 nm. Met de komst van de nanofluidic hulpmiddelen zoals nanokanalen kan transportprocessen van moleculen en ionen worden bewaakt met uiterste nauwkeurigheid en gemanipuleerd, indien nodig, door gebruik functies die alleen in deze lengteschaal voor scheiding en detectie beschikbaar zijn. Een van 1,2 deze karakteristieke nanoschaal kenmerken is een hoge verhouding van oppervlak bulk lading (of Dukhin nummer) in nanokanalen dat een lading onbalans kan veroorzaken en initiëren ion concentratie polarisatie (ICP) tussen de nanokanaal en microkanaal. 3
Een gemeenschappelijke inrichting platform voor het bestuderen van fenomenen nanofluidic bestaat uit twee microkanaal systeem verbonden door een reeks nanokanalen als knooppunt. 4-6 </sup> Het materiaal voor het bouwen van zulke nanofluidic inrichting het silicium vanwege de hoge stijfheid die het kanaal voorkomt instorten tijdens verlijmingsprocessen. 7 echter silicium inrichting fabricage vereist dure maskers en aanzienlijke hoeveelheid verwerking in de cleanroom. 8- 10 Vanwege het gemak van fabricage inrichting met vormen en plasma binden, polydimethylsiloxaan (PDMS) is algemeen geaccepteerd als bouwmateriaal voor microfluïdische en zou een ideaal materiaal voor nanofluidics ook. Echter, de lage Young's modulus rond 360-870 kPa, maakt het PDMS kanaal gemakkelijk opvouwbaar tijdens plasma binding. De minimale verhouding van de nanokanaal (breedte diepte) minder dan 10 te zijn: 1, wat betekent dat de vervaardiging van PDMS apparaten via standaard fotolithografie extreem moeilijk wordt indien de nanokanaal diepte moet zijn dan 100 nm, waarbij een kanaalbreedte minder dan de huidige limiet van photolithOGRAFIE ongeveer 1 micrometer. Om deze beperking te overwinnen, zijn er pogingen gedaan om nanokanalen in PDMS met behulp van niet-lithografische methoden zoals die zich uitstrekt tot scheuren te starten met een gemiddelde diepte van 78 nm 11 of te vormen rimpels na plasmabehandeling te creëren. 12 instortende een PDMS kanaal met mechanische druk toegestaan een nanokanaal hoogte zo laag als 60 nm. 13
Hoewel deze zeer inventieve niet-lithografische methoden toegestaan gebouw nanokanalen onder 100 nm in de diepte, de dimensionele beheersbaarheid van het nanokanaal fabricage vormt nog steeds een obstakel voor een brede acceptatie van PDMS als bouwmateriaal voor nanofluidic apparaten. Een ander kritiek probleem van de nanokanaaltjes, hetzij in silicium of PDMS, is het oppervlak functionalisering in het geval er behoefte is om de oppervlaktelading op de kanaalwand voor het manipuleren van ionen of moleculen veranderen. Nadat het apparaat de montage door middel van binding, de nanokanalen zijn uiterst moeilijk tebereiken voor oppervlakte functionalisatie als gevolg van de diffusie beperkt transport. Om een nanoschaal kanaal met een hoge dimensionele trouw en facile oppervlak functionalisering te creëren, kan de zelf-assemblage methode om colloïdale deeltjes veroorzaakt door verdamping 14-16 in microfluïdische apparaten een van de veelbelovende benaderingen. Naast de beheersbaarheid van poriegrootte en oppervlak bezit, is er ook de mogelijkheid om af te stemmen de grootte van de poriën in-situ bij het gebruik van colloïdale deeltjes bekleed met polyelektrolyten door het regelen van temperatuur, 17 pH, 18,19 en ionensterkte. 18 Door deze voordelen, heeft de zelfassemblage werkwijze colloïdale deeltjes reeds toepassing gevonden voor electrochromatografie, 20 biosensoren, 21 eiwitconcentratie 22 en scheiding van eiwitten en DNA in microfluïdische. 14,23 in deze studie, opgesteld we dit zelfassemblage methode om een te bouwen elektrokinetische voorconcentrering apparaat inPDMS een nanofluidic overgang tussen twee microkanalen vereist. 24 De fundamentele mechanisme achter de elektrokinetische concentratie is gebaseerd op ionenconcentratie polarisatie (ICP). 25 Gedetailleerde beschrijving van fabricage en assemblage stappen is bij het volgende protocol.
Naar aanleiding van de gemeenschappelijke apparaat ontwerp-regeling te nanofluidics studeren, verzonnen we een nanofluidic kruising tussen twee microfluïdische kanalen met behulp van de verdamping gedreven zelfassemblage van colloïdale nanodeeltjes in plaats van lithografisch patroonvorming een array van nanokanalen. Bij uitstroming de colloïdale deeltjes in de kraal afgiftekanaal een array van nanotraps met een diepte van 700 nm en een breedte van 2 pm op beide zijden van de hiel afgiftekanaal bij een totale breedte…
The authors have nothing to disclose.
Dit werk werd ondersteund door NIH R21 EB008177-01A2 en New York University Abu Dhabi (NYUAD) Research Enhancement Fund 2013. Wij spreken onze dank aan de technische staf van het MIT MTL voor hun steun tijdens microfabrication en James Weston en Nikolas Giakoumidis van NYUAD voor hun ondersteuning bij het nemen van SEM-foto's en het opbouwen van een spanningsdeler, respectievelijk. De inrichting fabricage in PDMS werd op microfabricage kernfaciliteit van NYUAD. Tot slot willen we bedanken Rebecca Pittam uit de NYUAD Center for Digital Scholarship voor video-opnamen en bewerken.
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 |