通过胶体粒子自组装过程创建在PDMS微流控芯片分50纳米的纳米流体结

摘要

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.

摘要

聚二甲基硅氧烷（PDMS）是普遍的建筑材料，使微流体装置，因为它易于成型和粘合的以及它的透明度。由于PDMS材料的柔软性，但是，它是具有挑战性的使用PDMS用于构建纳米通道。渠道往往等离子体结合过程中容易崩溃。在本文中，我们提出了二氧化硅胶体纳米粒子的蒸发驱动的自组装方法与子50 2微之间50nm孔纳流控创建路口。孔尺寸以及表面电荷的纳米流体交界的是可调简单地由自组装过程之前，改变组装微流体装置的外胶体二氧化硅珠尺寸和表面官能在小瓶中。使用具有300纳米，500纳米，900纳米的珠粒度的纳米颗粒的自组装，有可能分别与〜45纳米的孔隙尺寸，〜75 nm和〜135毫微米，制作多孔膜。在电人的潜力，这种纳米膜发起离子浓差极化（ICP）作为阳离子选择性膜15分钟内集中精力靠〜1700倍的DNA。这种非光刻纳米制造工艺开辟了建立一个PDMS微流控芯片内的离子和分子纳米运输过程的研究可调谐纳米流体结了新的契机。

引言

纳流控是μTAS的一个新兴的研究领域（微全分析系统）在10 ¹的长度尺度来研究生物过程或离子的迁移现象和分子- 10 ²纳米。用的纳米流体的工具，如纳米通道的到来，分子和离子的输运过程可以以前所未有的精度进行监测和操纵，如果需要的话，通过利用只在该长度尺度对分离和检测是可用的功能^。1,2之一这些特征纳米级特征是表面以在纳米通道散装电荷（或Dukhin数）的高比例，可能会导致电荷不平衡，并启动纳米通道和微通道之间的离子浓度极化^{（ICP）。3}

对于纳米流体现象的研究一种常见的设备平台包括由纳米通道作为结的阵列连接的两个微通道系统^。4-6 用于构建这样的纳米流体装置的选择的材料是硅，因为它的高刚度，防止信道从期间接合工艺倒塌⁷然而，硅器件制造需要昂贵的掩模和在洁净室设备处理的大量^{。8- 10}由于装置制造的，通过模制和等离子体结合，聚二甲基硅氧烷（PDMS）的便利性已被广泛接受的作为建筑材料为微流体，这将是对纳米流体的理想材料为好。然而，它的杨氏模量低周围360-870千帕，使得等离子体接合时与PDMS通道容易可折叠的。纳米通道（宽深）的最小长宽比必须小于10:1，这意味着通过标准光刻PDMS器件的制造会变得极具挑战性的，如果纳通道深度必须小于100纳米，需要一个信道宽度小于photolith的电流限制地理学在约1微米。为了克服这一限制，已经尝试来创建使用非光刻方法在PDMS纳通道如拉伸以引发裂纹等离子处理后的78纳米¹¹或形成皱纹平均深度¹²塌陷允许用机械压力将PDMS通道一纳通道的高度低至60纳米^。13

即使这些高度发明的非光刻方法允许低于100nm建筑纳通道中的深度，纳米通道制造的尺寸可控性仍对阻碍一个广泛接受的PDMS作为建筑材料为纳米流体装置。纳米通道的另一个关键问题，无论是在硅或PDMS，是在壳体的表面官能有必要改变对离子或分子的操纵通道壁的表面电荷。通过连接装置组装后，纳米通道是非常困难达到表面官能由于扩散限制运输。创建具有高尺寸精确度的和容易的表面官能纳米级信道，在微流体装置引起的蒸发^14-16胶体粒子的自组装法可以是有前途的方法之一。除了 ​​孔尺寸和表面特性的可控性，甚至有可能以调谐使用涂有聚电解质的胶体粒子时在原位通过控制温度^，17的pH值^，18,19和离子强度的细孔的尺寸^。18由于这些对于毛细管电^，20生物传感器^，21蛋白浓度²²以及微流体蛋白质和DNA的分离^。14,23在这项研究中的优势，胶体粒子的自组装方法已经找到的应用程序，我们部署这种自组装方法来构建在电动富集装置PDMS需要两个微通道之间的纳米流体结²⁴的电动浓度背后的基本机制是基于离子浓度极化（ICP）。包括在以下方案²⁵的制造和装配步骤的详细描述。

研究方案

1.胶体二氧化硅悬浮液珠的制备

1. 为300nm和500nm的硅石珠粒悬浮液制剂
   1. 涡旋二氧化硅珠纸浆悬浮液（10％w / v的水溶液）30秒。以获得均匀悬浮液。共600微升储备悬浮液吸取到1.5ml试管离心它2600 xg离心1分钟。
   2. 替换上清液用400μl1 mM磷酸钠缓冲液（PB，pH7.0）中。
   3. 暂停硅珠成的15％，以1 mM磷酸钠溶液在pH 7.0经涡旋的最终浓度。
2. 聚表面官能化500纳米的二氧化硅羧基珠子（烯丙胺盐酸盐，PAH），并与聚（苯乙烯磺酸钠，PSS）聚电解质
   1. 暂停0.1用10ml 1M NaCl的（pH 7.0）中为1％（重量/体积）珠悬浮克与羧基500nm的二氧化硅珠粒。
   2. 在1M NAC准备0.4％PAH（MW 65K）升通过在15ml 1M NaCl的溶解原液的300微升（20％w / v的水溶液）。通过在20毫升的1M NaCl溶液0.18克PSS溶解在1M NaCl的溶液制备0.9％的PSS（MW 70K）。涡旋都为1分钟的解决方案。以完全溶解聚电解质。
   3. 加入200微升的PAH溶液9.8毫升1％的二氧化硅羧基珠子在15ml管以沉积具有羧基官能团上的二氧化硅珠粒带正电荷的聚电解质层。 VORTEX珠悬挂1分钟。孵育它在管旋转60分钟。在室温。
   4. 离心珠悬浮液在1801 XG 1分钟。并用10毫升去离子水洗掉未结合的PAH五次。每个离心和除去上清液后，被致密地填充在管底部的小珠。加入8毫升DI水，以使珠可重悬于和到下一个离心机步骤洗掉现有之前破坏通过用2ml DI水剧烈移液珠丛。
   5. 跟随对于PSS涂敷在1.2.3和1.2.4的步骤在珠子上沉积带负电荷的层。从1.2.4第5 ^次洗涤步骤除去DI水上清液之前的PSS的沉积后重新悬浮珠子9.8毫升1- M氯化钠的。
      1. 使用使用2-毫升1- M氯化钠的打破了珠丛在15ml试管的底部，然后加入8毫升1- M氯化钠的相同的蓬勃移液步骤。加入200μl的PSS的溶液9.8毫升沉积有单一的PAH层的二氧化硅珠粒。涡旋1分钟后和温育60分钟。在试管旋转器中，重复用DI水5洗涤步骤。
      2. 使用根据制造商的方案，动态光散射系统，以验证已正确执行了聚电解质沉积过程测量之前和之后的每个聚电解质涂层珠的ζ电位（见表1）。
   6. 重复用DI水的单一的PSS层以下五个洗涤步骤用0.05％吐温20（15％重量/体积）中的微流体装置在使用之前，以提高其流动性的沉积和再悬浮于650微升1mM的磷酸钠缓冲液中的珠。
3. 按照从1.2.5如上所述1.2.6为与胺官能团为500nm的二氧化硅珠粒沉积的PSS的单层的步骤。

2.将PDMS微流控芯片的制备

1. 硅主的微细
   1. 制造用的微细加工技术如下PDMS成型硅主。
      1. 旋涂1μm的薄光致抗蚀剂以4000rpm在硅片上。图案使用投影光刻（曝光时间170毫秒）和蚀刻700nm的深和2微米宽的平面纳米通道的层（作为nanotraps为二氧化硅珠）用反应性离子蚀刻。
      2. 使用以下蚀刻参数达到3.5纳米/秒的刻蚀速率:CHF _3（45 SCCM），CF _4（15标准立方厘米），Ar（气体为100sccm），压力100毫乇，RF功率200W。
   2. 旋转涂布，以2000rpm的转速第二个为1微米厚的光刻胶层和执行对准先前图案nanotraps。通过接触光刻和硅的深反应离子蚀刻（DRIE）的微通道图案。使用DRIE参数²⁶在表2中。
2. PDMS模具的制作
   1. Silanize在真空罐O / N三氯硅烷（50微升）的硅主人。
      注意:Tricholorosilane是有毒和腐蚀性的材料。总是在化学罩与适当的个人防护装备使用。
   2. 在10混合基与固化剂:在硅烷化硅母1的比例，并投PDMS和在70℃下固化它用于在对流烘箱2小时。
   3. 用后一个PL的等离子净化器取下，用小刀和等离子债券它的空白晶圆上的芯片主的PDMS板阿斯玛治疗在1分钟的等离子体清洁器。连接带沿边缘标记以下PDMS铸造步骤分割线。
   4. 在真空罐子三氯硅烷（50微升）O / N Silanize的PDMS模具。
   5. 施放的PDMS（碱:1的比例:在10固化剂）的硅烷化的PDMS模具，并在70℃下固化它用于在对流烘箱2小时。
3. 与PDMS器件的制造
   1. 剥去一起打上胶带分割线的PDMS模具硫化硅橡胶板。
   2. 为1.5mm活检穿孔，清洁用胶带冲贮存器孔，冲洗用异丙醇（IPA）中，用氮气干燥。
   3. 等离子体键上在等离子体清洁器的等离子体处理1分钟后25毫米×75毫米的显微镜载玻片的PDMS设备。
4. Ultrasonicate珠停牌60分钟。在超声浴中之前填充。吸管10微升悬浮微珠（300 nm的非功能化的二氧化硅是广告，或500纳米的二氧化硅羧基珠PAH-PSS层，或500与PSS层纳米二氧化硅胺珠）进入入口4和6的每个（参见图1的A，B）的PDMS芯片的等离子体接合到后，立即玻璃衬底。轻轻拍打PDMS芯片用枪头上提升珠包装。
   1. 填充珠的供货渠道后，覆盖除了1和9，用胶带所有的入口。空气干燥设备3小时并储存在+ 4℃下在使用前， 图2给出了胶体自组装过程的一个步骤的分步示意图。

3.试验研究DNA的浓度电动

1. 填充储层3,7用缓冲溶液（10微升1mM的PB）和储存器5用DNA样品（10微升在1mM的PB为10nM），并应用一个轻柔的负压与储2倒置枪头，8和10来填充用的溶液中的信道没有气泡（见的图1B）。
2. 加10微升1mM的的PB到水库2和8和10μl10nM的DNA的储层10来平衡压力，并等待5分钟。以达到平衡。
3. 将铂针入储层3，5，7，10。
4. 横跨使用连接到源米和Pt线的分压器纳米流体结施加电压。先上水库5座，10和GND上水库3,7适用30 V。
5. 约30秒后，减少对水库10的电压25 V。
6. 使用机械快门，在每5秒一周期开口记录从DNA的荧光信号时，以减少样品的光漂白。

结果

在PDMS一个电动集中器芯片包含两个微通道之间的自组装纳米流体结在图1A中示出）。在该装置的中部的通道是通过一个50微米的宽珠输送通道（ 图1B）填充有DNA样品溶液并通过在每侧的两个缓冲溶液的通道两侧。二氧化硅胶体悬浮液流入到珠输送通道等离子体接合后立即创建样品和缓冲液通道之间的纳米流体交界处。由700毫微米深和2微米宽的纳通...

讨论

继通用设备设计方案，研究纳米流体，我们用胶体纳米粒子的蒸发驱动的自组装，而不是光刻图案纳米通道阵列制造的两微流体通道之间的纳米流体连接处。当流动的胶体粒子进入珠输送通道，nanotraps的具有700nm的深度和2微米的小珠传送通道的两侧，在100微米的总宽度的宽度的阵列防止珠悬浮液流入缓冲液和样品通道由于在nanotraps的表面张力。一旦捕获，装在胎圈输送通道迅速胶体粒子和形成在?...

材料

Name	Company	Catalog Number	Comments
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