Erstellen von Unter 50 Nm nanofluidische Junctions in PDMS mikrofluidischen Chip über Selbstorganisation von kolloidalen Teilchen

Zusammenfassung

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.

Zusammenfassung

Polydimethylsiloxan (PDMS) ist die vorherrschende Baustoff mikrofluidische Vorrichtungen herzustellen aufgrund seiner einfachen Formgebung und Verklebung sowie ihre Transparenz. Aufgrund der Weichheit des PDMS-Material, jedoch ist es schwierig PDMS Nanokanäle für den Aufbau zu verwenden. Die Kanäle sind in der Regel leicht während der Plasma-Bindung zu kollabieren. In diesem Papier präsentieren wir eine Verdampfungsgesteuerte Selbstzusammenbauverfahren von Silika kolloidale Nanopartikel nanofluidic junctions mit Sub-50 nm zwischen zwei Mikroporen zu schaffen. Die Porengröße sowie die Oberflächenladung des nanofluidic Übergang abstimmbar ist, indem einfach die kolloidale Kieselsäure Perlgröße und Oberflächenfunktionalisierung ändernden außerhalb der zusammengebauten mikroströmungstechnische Vorrichtung in einer Phiole vor dem Selbstorganisationsprozess. Verwendung der Selbstorganisation von Nanopartikeln mit einer Perlengröße von 300 nm, 500 nm und 900 nm, war es möglich, eine poröse Membran mit einer Porengröße von 45 nm ~, ~ 75 nm und ~ 135 nm bzw. herzustellen. Unter Elektroal Potential, diese nanoporöse Membran initiiert Ionenkonzentrationspolarisation (ICP), die als eine kationenselektive Membran DNA von ~ 1.700-mal innerhalb von 15 min zu konzentrieren. Diese nicht-lithographischen Nanofabrikationsprozess eröffnet eine neue Chance auf einen abstimmbaren nanofluidic Knotenpunkt für die Untersuchung von nanoskaligen Transportprozesse von Ionen und Molekülen in einem PDMS mikrofluidischen Chips zu bauen.

Einleitung

Nanofluidik ist ein aufstrebendes Forschungsgebiet der μ TAS (Micro Gesamtanalysesysteme) biologische Prozesse oder Transportphänomene von Ionen und Molekülen auf der Längenskala von 10 ¹ zu studieren - 10 ² nm. Mit dem Aufkommen der nanofluidic Werkzeuge wie Nanokanälen, Transportprozesse von Molekülen und Ionen können mit bisher unerreichter Genauigkeit und manipuliert überwacht werden, falls erforderlich, durch Merkmale auszunutzen , die nur in diesem Längenskala für die Trennung und den Nachweis verfügbar sind. Eine ^1,2 Diese charakteristischen Merkmale nanoskaligen ist ein hohes Verhältnis von Oberfläche zu Masse Ladung (oder Dukhin Nummer) in Nanokanälen , die ein Ladungsungleichgewicht und initiieren Ionenkonzentrationspolarisation (ICP) zwischen dem Nanokanal und Mikrokanal verursachen. ³

Eine gemeinsame Geräteplattform für die Untersuchung von Phänomenen nanofluidic besteht aus einem Zwei-Mikrokanalsystem durch ein Array von Nanokanälen als Kreuzung verbunden ist . ^4-6 Das Material der Wahl eines solchen nanofluidic Vorrichtung zum Gebäude ist das Silizium aufgrund seiner hohen Steifigkeit , die ein Kollabieren während des Bondprozesse den Kanal verhindert. ⁷ jedoch Siliziumvorrichtungsherstellung teuer Masken und erhebliche Menge an Verarbeitung in der Reinraumanlage erfordert. ^{8- 10} Wegen der Bequemlichkeit der Herstellung der Vorrichtung durch Formen und Plasma - Bindung, Polydimethylsiloxan (PDMS) hat für die Mikrofluidik als Baumaterial akzeptiert , und es wäre ein ideales Material für Nanofluidik ebenso weit ist. Doch seine niedrigen Elastizitätsmodul um 360-870 KPa, macht der PDMS-Kanal leicht zusammenklappbar während der Plasma-Bindung. Die minimale Seitenverhältnis der Nanokanal (Breite zu Tiefe) muss weniger als 10: 1, was bedeutet, dass die Herstellung von PDMS-Geräte über Standard-Photolithographie äußerst herausfordernd sein wird, wenn die Nanokanaltiefe unter 100 nm sein muss, erfordert eine Kanalbreite kleiner als der aktuelle Grenzwert von photolithgraphie bei etwa 1 um. Um diese Einschränkung zu überwinden, wurden Versuche unternommen, Nanokanäle in PDMS zu schaffen unter Verwendung von nicht-lithographische Verfahren wie Verstrecken Risse mit einer mittleren Tiefe von 78 nm ¹¹ zu initiieren oder zu Falten nach der Plasmabehandlung bilden. ¹² Einstürzen ein PDMS - Kanal mit mechanischem Druck erlaubt eine Nanokanalhöhe nur 60 nm. ¹³

Obwohl diese hoch erfindungsgemäßen nicht-lithographische Verfahren Gebäude Nanokanäle unterhalb 100 nm in der Tiefe erlaubt, die Abmessungs Steuerbarkeit der Nanokanalherstellungs stellt weiterhin ein Hindernis für eine breite Akzeptanz von PDMS als Baumaterial für Nanofluidikbauteilen. Ein weiteres kritisches Problem der Nanokanälen, ob in Silizium oder PDMS, ist die Oberflächenfunktionalisierung falls es notwendig ist, die Oberflächenladung auf der Kanalwand für die Manipulation von Ionen oder Molekülen zu verändern. Nach dem Gerätemontage durch Kleben, sind die Nanokanäle äußerst schwierig,für die Oberflächenfunktionalisierung erreichen aufgrund der diffusionsbegrenzten Transport. Durch Verdampfen ^14-16 in mikrofluidischen Systemen induziert , um einen nanoskopische Kanal mit hoher Dimensionstreue und leichten Oberflächenfunktionalisierung, die Selbstorganisation Methode von kolloidalen Teilchen erzeugen kann eine der vielversprechenden Ansätze sein. Neben der Kontrollierbarkeit der Porengröße und Oberflächeneigenschaft, gibt es sogar eine Möglichkeit zum Abstimmen der Größe der Pore in-situ als kolloidalen Teilchen unter Verwendung von mit Polyelektrolyten beschichtet durch Steuern von Temperatur, pH ^{17, 18,19} und Ionenstärke. ¹⁸ Aufgrund dieser Vorteile hat die Selbstzusammenbauverfahren von kolloidalen Partikeln bereits gefunden Anwendungen für Elektrochromatographie, ²⁰ Biosensoren, ²¹ Proteinkonzentration ²² und Trennung von Proteinen und DNA in der Mikrofluidik. ^14,23 in dieser Studie eingesetzt wir diese Selbstzusammenbauverfahren ein zu bauen elektro preconcentration Gerät inPDMS , die eine nanofluidic Verbindung zwischen zwei Mikrokanäle erfordert. ²⁴ Der grundlegende Mechanismus , der hinter der elektro Konzentration wird basierend auf Ionenkonzentrationspolarisation (ICP). ^25. Eine detaillierte Beschreibung der Herstellung und der Montageschritte ist in dem folgenden Protokoll enthalten.

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Protokoll

1. Herstellung der Silica Kolloidales Bead Suspensions

1. Herstellung von 300 nm und 500 nm Siliciumoxid bead Suspensionen
   1. Vortex die Kieselsäure Perle Stoffsuspension (10% w / v in Wasser) für 30 Sekunden. um eine homogene Suspension zu erhalten. Pipette insgesamt 600 ul Stoffsuspension in ein 1,5-ml-Röhrchen und Zentrifuge es bei 2.600 × g für 1 min.
   2. Ersetzen den Überstand mit 400 ul 1 mM Natriumphosphatpuffer (PB, pH 7,0).
   3. Suspendieren die Silicakügelchen in einer Endkonzentration von 15% in 1 mM Natriumphosphatlösung bei pH 7,0 durch Vortexen.
2. Oberflächen funktionalisieren 500 nm Kieselsäure Carboxy Perlen mit Poly (allylaminhydrochlorid, PAH), und mit Poly (Natriumstyrolsulfonat, PSS) Polyelektrolyte
   1. Suspend 0,1 g von 500 nm Siliciumdioxidperlen mit Carboxylgruppe mit 10 ml 1 M NaCl (pH 7,0) für 1% (w / v) Beadsuspension.
   2. Bereiten Sie 0,4% PAH (MW 65K) in 1 M NaCll von 300 & mgr; l der Stammlösung aufgelöst (20% w / v in Wasser) in 15 ml 1 M NaCl. Bereiten 0,9% PSS (MW 70K) in 1 M NaCl-Lösung durch Auflösen von 0,18 g PSS in 20 ml 1 M NaCl-Lösung. Vortex beide Lösungen für 1 min. den Polyelektrolyten vollständig aufzulösen.
   3. Mit 200 & mgr; l von PAH-Lösung auf 9,8 ml 1% Kieselsäure Carboxyl Kügelchen in einem 15-ml-Röhrchen mit einer positiv geladenen Polyelektrolytschicht auf Silicakügelchen mit carboxylfunktionellen Gruppe abzuscheiden. Vortex die Beadsuspension für 1 min. und brüten sie auf einem Rohr Rotator für 60 min. bei RT.
   4. Zentrifugieren Sie die Beadsuspension bei 1801 × g für 1 min. und waschen Sie die ungebundenen PAH fünfmal mit 10 ml DI Wasser. Nach jeder Zentrifuge und Entfernung des Überstands wurden die Perlen an der Unterseite des Rohres dicht gepackt. Stören die bead clump durch heftiges Pipettieren mit 2 ml DI-Wasser vor der Zugabe von 8 ml VE-Wasser, so dass die Kügelchen resuspendiert und gewaschen werden können vor dem nächsten Schritt Zentrifuge ab.
   5. Folgendie Schritte in 1.2.3 und 1.2.4 für PSS-Beschichtung eine negativ geladene Schicht auf den Kügelchen zu deponieren. Resuspendieren der Kügelchen in 9,8 ml 1 M NaCl vor der PSS Abscheidung nach dem DI - Wasser - Überstand aus dem ^5. Waschschritt 1.2.4 entfernen.
      1. Verwenden Sie die gleiche heftiges Pipettieren Schritt unter Verwendung von 2 ml 1 M NaCl den Wulst Klumpen am Boden des 15-ml-Röhrchen zu brechen und fügen Sie dann 8 ml 1 M NaCl. In 200 ul PSS-Lösung auf 9,8 ml der Siliciumdioxid-Kügelchen mit einer einzigen PAH-Schicht abgeschieden. Nach 1 min verwirbelt. und Inkubation für 60 min. auf dem Rohr Rotator, wiederholen Sie 5 Waschschritte mit DI-Wasser.
      2. Messung des Zeta-Potentials der Kügelchen vor und nach jeder Beschichtung Polyelektrolyt ein dynamisches Lichtstreuungssystem nach Herstellerprotokoll das Polyelektrolyt Ablagerungsverfahren zur Überprüfung korrekt ausgeführt wurde (siehe Tabelle 1).
   6. Wiederholen Sie fünf Waschschritte mit DI-Wasser im Anschluss an die einzelnen PSS-SchichtAblagerung und resuspendieren die Kügelchen in 650 & mgr; l von 1 mM Natriumphosphatpuffer mit 0,05% Tween 20 (15% w / v) vor in der mikrofluidischen Vorrichtung zu verwenden, seine Fließfähigkeit zu verbessern.
3. Folgen Sie dem oben beschriebenen Verfahren von 1.2.5 bis 1.2.6 für 500 nm Silicabeads mit Aminfunktion eine einzelne Schicht aus PSS zu deponieren.

2. Die Herstellung des PDMS mikrofluidischen Chip

1. Mikrofertigung des Silizium - Master
   1. Fabrizieren des Silizium-Master für PDMS Form mit Mikrofabrikationstechniken wie folgt.
      1. Schleuderbeschichtung ein 1 & mgr; m dünnen Photoresist bei 4.000 Umdrehungen pro Minute auf einem Siliziumwafer. Muster der Schicht unter Verwendung von Projektionslithographie (Belichtungszeit 170 ms.) Und ätzen 700 nm tief und 2 & mgr; m breiten planaren Nanokanäle (die als nanotraps für die Silica-Kügelchen) mit Reactive Ion Etching.
      2. Verwenden Sie die folgenden Ätzparametern eine Ätzrate von 3,5 nm / s zu erreichen: CHF ₃ (45 sccm), CF ₄ (15 sccm), Ar (100 sccm), Druck 100 mTorr, HF - Leistung 200 W.
   2. Spin Mantel der zweite 1 um dicke Photoresist-Schicht bei 2000 Umdrehungen pro Minute und eine Ausrichtung auf die zuvor strukturierten nanotraps auszuführen. Muster die Mikrokanäle über Kontaktlithographie und durch tiefes reaktives Ionenätzen (DRIE) von Silizium. Verwenden Sie die DRIE - Parameter ²⁶ in Tabelle 2.
2. Die Herstellung von PDMS - Form
   1. Silanisieren die Silizium-Master mit Trichlorsilan (50 ul) in einer O / N Vakuumgefäß.
      ACHTUNG: Tricholorosilane ist ein giftiges und ätzendes Material. Verwenden Sie immer es in einer chemischen Haube mit der richtigen persönlichen Schutzausrüstung.
   2. Mischen Sie die Basis mit dem Härter bei 10: 1-Verhältnis und Guss PDMS auf der silanisierten Silizium-Master und härten bei 70 ° C für 2 Stunden in einem Umluftofen.
   3. Entfernen Sie die PDMS-Platte aus dem Silizium-Master mit einem Messer und Plasma-Bindung auf einem leeren Wafer mit einem Plasma-Reiniger nach einem pl mitAsma Behandlung in einem Plasma-Reiniger für 1 min. Bringen Sie Bänder entlang der Kante eine Trennlinie für die folgenden PDMS zu markieren Gießschritt.
   4. Silanisieren die PDMS-Form in einem Vakuumgefäß mit Trichlorsilan (50 ul) O / N.
   5. Cast PDMS (Basis: 1-Verhältnis: Mittel bei 10 Härtung) auf der silanisierten PDMS-Form und Heilung bei 70 ° C für 2 Stunden in einem Umluftofen.
3. Die Herstellung der PDMS - Gerät
   1. Ziehen Sie die gehärtete PDMS Platte aus der PDMS-Form entlang der Trennlinie mit dem Band markiert.
   2. Durchschlags-Reservoir Löcher mit 1,5 mm Biopsie Punsch, sauber und mit einem Band, Spülen mit Isopropylalkohol (IPA) und mit Stickstoff trocken.
   3. Plasma-Bindung der PDMS-Gerät auf einem 25 mm x 75 mm Mikroskopobjektträger aus Glas nach einer Plasmabehandlung in einem Plasma-Reiniger für 1 min.
4. Ultrasonicate der Perlensuspension für 60 min. in einem Ultraschallbad vor dem Füllen. Pipettieren Sie 10 ul Beadsuspension (300 nm nicht funktionalisierte Kieselsäure seinAnzeigen oder 500 nm Kieselsäure Carboxy Perlen mit PAH-PSS Schichten oder 500 nm Siliziumdioxid Amin Perlen mit einer PSS - Schicht) in die Einlässe 4 und 6 jeweils (Abbildung 1 A, B) unmittelbar nach der Plasma Bindung des PDMS - Chip ein absolutes Glassubstrat. Durch leichtes Klopfen auf der PDMS-Chip mit einer Pipettenspitze, um den Wulst Verpackung zu verbessern.
   1. die Perle Lieferkanäle Nach dem Befüllen decken alle Eingänge mit Ausnahme von 1 und 9 mit Klebeband. Air-Trocknen Sie das Gerät für 3 Stunden und lagern bei 4 ° C vor der Verwendung. Abbildung 2 einen Schritt- für -Schritt gibt Schema der kolloidalen Selbstorganisation.

3. Experiment für Elektrokinetische Konzentration der DNA

1. Füllen der Reservoire 3, 7 mit einer Pufferlösung (10 ul 1 mM PB) und dem Vorratsbehälter 5 mit einer DNA-Probe (10 ul von 10 nM in 1 mM PB) und eine sanfte Unterdruck mit einem invertierten Pipettenspitze anwenden auf Reservoire 2 , 8 und 10, die Kanäle mit den Lösungen ohne Blasen zu füllen (siehe 1B).
2. Zugabe von 10 ul 1 mM PB zu Reservoire 2 und 8 und 10 ul 10 nM DNA 10 zum Reservoir den Druck auszugleichen und für 5 min warten. zu erreichen Gleichgewicht.
3. Legen Sie die Pt-Drähte in Reservoirs 3, 5, 7, 10.
4. Gelten Spannung über dem nanofluidic Übergang einen Spannungsteiler mit einer Quelle Messer und Pt-Drähte verbunden werden. Die ersten 30 gelten V auf Reservoirs 5, 10 und GND auf Reservoire 3, 7.
5. Verringern Sie die Spannung bis 25 V auf Reservoir 10 nach ~ 30 sec.
6. Verwenden, um einen mechanischen Verschluß mit einer periodischen Öffnung in alle 5 s Bleichen der Probe zu minimieren, wenn die Fluoreszenzsignale von der DNA-Aufnahme.

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Ergebnisse

Ein elektro Konzentrator Chip in PDMS , die eine selbstorganisierende nanofluidic Verbindung zwischen zwei Mikrokanäle enthält , ist in Figur 1A) gezeigt. Der Kanal in der Mitte der Vorrichtung ist mit einer DNA - Probenlösung und flankiert von zwei Pufferlösung Kanäle auf jeder Seite über einen breiten Sicke Abgabekanal (1B) 50 & mgr; m gefüllt. Das Silika kolloidale Suspension wird in den Kanal bead Lieferung geflogen unmittelbar nach der Pl...

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Diskussion

Im Anschluss an die gemeinsame Einrichtung Design-Schema zu Nanofluidik studieren, hergestellt wir eine nanofluidic Verbindung zwischen zwei mikrofluidische Kanäle unter Verwendung des Verdampfungsgesteuerten Selbstorganisation von kolloidalen Nanopartikeln statt lithographisch einer Anordnung von Nanokanälen Mustern. Wenn die kolloidalen Partikel in dem Wulst Abgabekanal fließt, einer Reihe von nanotraps mit einer Tiefe von 700 nm und einer Breite von 2 & mgr; m auf beiden Seiten des Wulstes Lieferkanal mit eine...

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Materialien

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