יצירת צומת תת-50 ננומטר ננו-נוזלי ב PDMS Microfluidic שבב באמצעות תהליך ההרכבה העצמית של חלקיקים קולואיד
Özet
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
Polydimethylsiloxane (PDMS) הוא חומר בניין הרווח להפוך התקני microfluidic בשל קלות דפוס המליט שלה, כמו גם השקיפות שלה. בשל רכות של החומר PDMS, לעומת זאת, היא מאתגרת להשתמש PDMS לבניית nanochannels. הערוצים נוטים לקרוס בקלות במהלך מליטת פלזמה. במאמר זה, אנו מציגים שיטת הרכבה עצמית מונחה אידוי של חלקיקים קולואידים סיליקה ליצור צומת ננו-נוזליים עם תת-50 ננומטר נקבוביים בין שני microchannels. גודל הנקבוביות, כמו גם את תשלום השטח של צומת ננו-נוזלי הוא מתכונן פשוט על ידי שינוי חרוז סיליקה colloidal functionalization גודל המשטח החיצוני של המכשיר microfluidic התאספו בבקבוקון לפני תהליך ההרכבה העצמית. באמצעות ההרכבה העצמית של חלקיקים עם גודל חרוז של 300 ננומטר, 500 ננומטר, ו -900 ננומטר, ניתן היה לפברק קרום נקבובי עם גודל נקבובי של ~ 45 ננומטר, ~ 75 ננומטר ~ 135 ננומטר, בהתאמה. תחת חשמליפוטנציאל אל, יזם קרום nanoporous זה קיטוב ריכוז יון (ICP) מתנהג כמו קרום קטיון סלקטיבית להתרכז DNA על ידי ~ 1,700 פעמים בתוך 15 דקות. תהליך nanofabrication הלא ליתוגרפיות זה פותח הזדמנות חדשה לבנות צומת ננו-נוזלי מתכונן לחקר תהליכי הובלה ננומטריים של יונים ומולקולות בתוך שבב microfluidic PDMS.
Introduction
Nanofluidics הוא תחום מחקר המתפתח של TAS μ (מערכות ניתוח סה"כ מיקרו) ללמוד תהליכים ביולוגיים או תופעות מעבר של יונים ומולקולות בקנה מידה באורך של 10 1 – 10 2 ננומטר. עם כניסתו של כלי ננו-נוזלי כגון nanochannels, תהליכי הובלה של מולקולות ויונים ניתן לנטר בדייקנות חסרת תקדים מניפולציות, במידת הצורך, תוך ניצול התכונות הזמינות רק בקנה מידה אורך זה להפרדה וזיהוי. 1,2 אחד אלה תכונות ננו מאפיין היא יחס גבוה של פני שטח כדי תשלום בתפזורת (או מספר Dukhin) ב nanochannels שיכול לגרום לחוסר איזון תשלום וליזום קיטוב ריכוז יון (ICP) בין nanochannel ו microchannel. 3
פלטפורמת מכשיר נפוצה לחקר תופעות ננו-נוזלי מורכבת ממערכת של שני microchannel המחוברים באמצעות מערך של nanochannels כצומת. 4-6 </sup> החומר המועדף על בניית מכשיר ננו-נוזלי כזה הוא סיליקון בגלל הקשיחות הגבוהה שמונעת ערוץ מהקריסה במהלך תהליכים מליטים. 7 עם זאת, ייצור המכשיר סיליקון דורש מסכות יקרות כמות ניכרת של עיבוד במתקן cleanroom. 8- 10 בשל הנוחות של ייצור המכשיר באמצעות דפוס מליטה פלזמה, polydimethylsiloxane (PDMS) כבר מקובל כחומר בנייה עבור מיקרופלואידיקה וזה יהיה חומר אידיאלי עבור nanofluidics גם כן. עם זאת, מודולוס של יאנג הנמוך שלה סביב 360-870 KPA, הופך את ערוץ PDMS מתקפל בקלות במהלך מליטה פלזמה. יחס היבט המינימום של nanochannel (רוחב עומק) צריך להיות פחות מ -10: 1 כלומר הייצור של מכשירי PDMS באמצעות photolithography הסטנדרטי יהפוך מאתגר מאוד אם עומק nanochannel צריך להיות מתחת ל -100 ננומטר, הדורש רוחב ערוץ פחות מאשר המגבלה הנוכחית של photolithography בסביבות 1 מיקרומטר. כדי להתגבר על מגבלה זו, נעשו ניסיונות ליצור nanochannels ב PDMS בשיטות הלא lithographical כגון מתיחה ליזום סדקים עם עומק ממוצע של 78 11 ננומטר או ליצירת קמטים לאחר הטיפול פלזמה. 12 קורסת ערוץ PDMS עם לחץ מכני מותר גובה nanochannel נמוך כמו 60 ננומטר. 13
למרות שיטות שאינן ליתוגרפיות המצאתית ביותר נתנו nanochannels בניין מתחת ל -100 ננומטר ובעמקות את יכולת שליטת הממדים של ייצור nanochannel עדיין מהווה מכשול בדרך הסכמה רחבה של PDMS כחומר בנייה עבור התקני ננו-נוזליים. בעיה נוספת קריטית של nanochannels, אם בסיליקון או PDMS, הוא functionalization משטח במקרה שיש צורך לשנות את המטען משטח על קיר ערוץ המניפולציה של יונים או מולקולות. לאחר הרכבה מכשירה באמצעות מליטה, את nanochannels קשה מאודלהגיע עבור functionalization השטח בשל התחבורה דיפוזיה-מוגבל. ליצירת ערוץ ננו עם נאמנות גבוהה ממדי functionalization משטח הקליל, שיטת ההרכבה העצמית של חלקיקים קולואידים המושרים על ידי אידוי 14-16 במכשירי microfluidic יכולה להיות אחת הגישות המבטיחות. מלבד יכולת השליטה של גודל נקבובי ורכוש שטח, יש אפילו אפשרות לכוון את הגודל הנקבובי in-situ בעת שימוש חלקיקים קולואידים מצופים polyelectrolytes ידי שליטה על הטמפרטורה, 17 pH, 18,19 וכוח יוני. 18 בגלל אלה יתרונות, שיטת ההרכבה העצמית של חלקיקים קולואידים כבר מצא יישומים עבור electrochromatography, 20 חיישנים ביולוגיים, 21 חלבון ריכוז 22 והפרדת חלבונים ו- DNA מיקרופלואידיקה. 14,23 במחקר זה, אנו פרוסים שיטת ההרכבה העצמית זה לבנות מכשיר preconcentration אלקטרוקינטיות בPDMS הדורש צומת ננו-נוזלי בין שני microchannels. 24 מנגנון היסוד מאחורי הריכוז אלקטרוקינטיות מבוסס על קיטוב ריכוז יון (ICP). 25 תיאור מפורט של צעדי ייצור והרכבה נכלל בפרוטוקול הבא.
Protocol
Representative Results
Discussion
בעקבות ערכת עיצוב מכשיר הנפוצה ללמוד nanofluidics, אנו מפוברקים צומת ננו-נוזלי בין שני ערוצי microfluidic באמצעות חלקיקי ההרכבה העצמית של קולואידים מונחה אידוי במקום lithographically patterning מערך של nanochannels. כאשר זורם חלקיקים קולואידים לתוך התעלה משלוח חרוז, מערך של nanotraps עם עומק של 700 ננו?…
Açıklamalar
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
עבודה זו נתמכה על ידי NIH R21 EB008177-01A2 וניו יורק אוניברסיטת אבו דאבי (NYUAD) מחקר שיפור הקרן 2013. אנו מביעים את תודתנו הצוות הטכני של MIT MTL על תמיכתם במהלך microfabrication וג'יימס ווסטון ניקולאס Giakoumidis של NYUAD עבור שלהם תמיכה ב מצלם SEM ובניית מחלק מתח, בהתאמה. ייצור המכשיר PDMS נערך במתקן הליבה microfabrication של NYUAD. לבסוף, ברצוננו להודות רבקה Pittam ממרכז NYUAD עבור מלגות דיגיטליות לצילומי וידאו ועריכה.
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 |
Referanslar
- 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).
