Création de sous-50 Nm nanofluidiques Jonctions en PDMS microfluidique Chip via processus d'auto-assemblage des particules colloïdales

Résumé

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.

Résumé

Polydiméthylsiloxane (PDMS) est le matériau de construction en vigueur pour fabriquer des dispositifs microfluidiques en raison de sa facilité de moulage et de collage, ainsi que sa transparence. En raison de la souplesse du matériau PDMS, cependant, il est difficile à utiliser pour la construction de nanocanaux PDMS. Les chaînes ont tendance à s'effondrer facilement lors du collage de plasma. Dans cet article, nous présentons une méthode de nanoparticules colloïdales de silice auto-assemblage entraîné l'évaporation à créer des jonctions nanofluidiques avec des sous-50 nm pores entre deux microcanaux. La taille des pores ainsi que la charge de surface de la jonction nanofluidique est réglable en changeant simplement la perle de silice taille et surface fonctionnalisation colloïdale en dehors du dispositif microfluidique assemblé dans un flacon avant que le processus d'auto-assemblage. En utilisant l'auto-assemblage des nanoparticules avec une taille de goutte de 300 nm, 500 nm et 900 nm, il était possible de fabriquer une membrane poreuse ayant une taille de pores membranaires 45 nm environ 75 nm et ~ 135 nm, respectivement. Sous électriqueal potentiel, cette membrane nanoporeuse initiée concentration en ions polarisation (ICP) agissant comme une membrane sélective de cations pour concentrer l'ADN par ~ 1.700 fois pendant 15 min. Ce processus de nanofabrication non lithographique ouvre une nouvelle possibilité de construire une jonction nanofluidique accordable pour l'étude des processus de transport à l'échelle nanométrique des ions et des molécules à l'intérieur d'une puce microfluidique PDMS.

Introduction

Nanofluidique est un nouveau domaine de recherche de u TAS (Micro Systems Analysis total) pour étudier les processus biologiques ou des phénomènes de transport des ions et des molécules à l'échelle de longueur de ^{10 janvier au 10 février} nm. Avec l'avènement des outils nanofluidiques tels que nanocanaux, les processus de transport des molécules et des ions peuvent être contrôlés avec une précision sans précédent et manipulés, si nécessaire, par des caractéristiques qui sont disponibles uniquement à cette échelle de longueur pour la séparation et la détection exploitation. ^1,2 L' un des ces caractéristiques nanométriques caractéristiques est un ratio élevé de surface à la charge en vrac (ou numéro Dukhin) dans nanocanaux qui peut causer un déséquilibre de charge et d' initier la concentration d'ions de polarisation (ICP) entre le nanocanal et microcanaux. ³

Une plate - forme de dispositif commun pour l'étude des phénomènes nanofluidiques se compose d'un système à deux microcanal relié par un réseau de nanocanaux comme une jonction. ^4-6 Le matériau de choix pour la construction d' un tel dispositif nanofluidique est le silicium en raison de sa grande rigidité qui empêche le canal effondrement au cours des processus de liaison. ⁷ Cependant, la fabrication de dispositifs de silicium nécessite des masques coûteux et quantité importante de transformation dans la salle blanche. ^{8- 10} en raison de la commodité de la fabrication du dispositif par moulage et de collage de plasma, le polydiméthylsiloxane (PDMS) a été largement acceptée en tant que matériau de construction pour la microfluidique et ce serait un matériau idéal pour nanofluidique ainsi. Cependant, le module de sa faible Jeune autour 360-870 KPa, rend le canal PDMS facilement pliable lors du collage de plasma. Le rapport d'aspect minimal de la nanocanal (largeur à la profondeur) doit être inférieur à 10: 1 ce qui signifie que la fabrication de dispositifs PDMS par photolithographie classique devient extrêmement difficile si la profondeur de nanocanal doit être inférieure à 100 nm, ce qui nécessite une largeur de canal inférieure à la limite actuelle du typonOGRAPHIE à environ 1 um. Pour contourner cette limitation, il y a eu des tentatives pour créer nanocanaux dans PDMS en utilisant des méthodes non-lithographiques comme les étirements pour initier des fissures avec la profondeur moyenne de 78 nm ¹¹ ou pour former des rides après le traitement de plasma. ¹² Collapsing un canal PDMS avec une pression mécanique a permis une hauteur aussi faible que 60 nm nanocanal. ¹³

Même si ces méthodes non-lithographiques très inventifs autorisés nanocanaux de construction inférieure à 100 nm en profondeur, la contrôlabilité dimensionnelle de la fabrication de nanocanal pose encore un obstacle à une large acceptation de PDMS comme matériau de construction pour les appareils nanofluidiques. Un autre problème critique des nanocanaux, que ce soit dans le silicium ou PDMS est la fonctionnalisation de surface dans le cas où il est nécessaire de modifier la charge de surface sur la paroi du canal pour la manipulation d'ions ou de molécules. Après le montage de l'appareil par liaison, les nanocanaux sont extrêmement difficiles àatteindre pour la fonctionnalisation de surface due au transport de diffusion limitée. Pour créer un canal à l' échelle nanométrique avec une fidélité dimensionnelle et facile fonctionnalisation de surface, la méthode d' auto-assemblage de particules colloïdales induites par évaporation ^14-16 dans les dispositifs microfluidiques peut être l' une des approches prometteuses. En plus de la contrôlabilité de la taille des pores et les propriétés de surface, il est même possible de régler la taille des pores in situ lors de l' utilisation de particules colloïdales revêtues de polyélectrolytes en contrôlant la température, ¹⁷ le pH, ^18,19 et la force ionique. ¹⁸ En raison de ces applications avantages, la méthode d' auto-assemblage de particules colloïdales a déjà trouvé pour étectrochromatographie, ²⁰ biocapteurs, la concentration ²¹ de protéine ²² et la séparation des protéines et de l' ADN en microfluidique. ^14,23 dans cette étude, nous avons déployé cette méthode d' auto-assemblage pour construire un dispositif de préconcentration électrocinétique dansPDMS qui nécessite une jonction entre deux microcanaux nanofluidique. ²⁴ Le mécanisme de base derrière la concentration électrocinétique est basée sur la concentration en ions de polarisation (ICP). ²⁵ Une description détaillée de la fabrication et de montage étapes est inclus dans le protocole suivant.

Protocole

1. Préparation des perles de silice colloïdale des suspensions

1. Préparation de 300 nm et 500 nm de silice suspensions de perles
   1. Vortex la silice perles suspension stock (10% p / v dans l'eau) pendant 30 secondes. pour obtenir une suspension homogène. Pipeter un total de 600 pi suspension stock dans un tube de 1,5 ml et centrifuger à 2.600 xg pendant 1 min.
   2. Remplacer le liquide surnageant avec 400 pi de phosphate de sodium 1 mM tampon (PB, pH 7,0).
   3. Suspendre les billes de silice dans une concentration finale de 15% dans une solution de phosphate de sodium 1 mM à pH 7,0 par tourbillonnement.
2. Fonctionnaliser la surface des billes de 500 nm , la silice carboxyle avec un poly (allylamine hydrochlorure, les HAP), et le poly (styrène sulfonate de sodium, PSS) polyélectrolytes
   1. Suspendre 0,1 g de billes de silice de 500 nm avec un groupe carboxyle avec 10 ml de NaCl 1 M (pH 7,0) à 1% (p / v) de la suspension de billes.
   2. Préparer 0,4% HAP (MW 65K) dans 1 M NaClL en dissolvant 300 ul de la solution mère (20% p / v dans l'eau) dans 15 ml de 1 M de NaCl. Préparer 0,9% PSS (MW 70K) en 1 solution M de NaCl en dissolvant 0,18 g PSS dans 20 ml de solution 1 M de NaCl. Les deux solutions vortex pendant 1 min. pour dissoudre les polyélectrolytes complètement.
   3. Ajouter 200 pi de solution de PAH 9,8 ml de 1% de perles carboxyle de silice dans un tube de 15 ml pour déposer une couche de polyélectrolyte chargé positivement sur des perles de silice avec un groupe fonctionnel carboxyle. Vortexer la suspension de billes pendant 1 min. et laisser incuber sur un dispositif de rotation du tube pendant 60 min. à la température ambiante.
   4. Centrifuger la suspension de billes 1801 xg pendant 1 min. et laver les HAP non liés cinq fois avec 10 ml d'eau DI. Après chaque centrifugation et élimination du surnageant, les billes sont très denses au fond du tube. Désorganiser la touffe de talon par pipetage vigoureux avec 2 ml d'eau déminéralisée avant d'ajouter 8 ml d'eau désionisée de sorte que les billes peuvent être remis en suspension et lavés avant l'étape de centrifugation suivante.
   5. Suivreles étapes 1.2.3 et 1.2.4 pour le revêtement PSS pour déposer une couche chargée négativement sur les billes. Resuspendre les billes dans 9,8 ml de 1 M de NaCl avant le dépôt PSS après élimination du surnageant de l' eau déminéralisée de l'étape de lavage 5 ^ème 1.2.4.
      1. Utilisez la même étape de pipetage vigoureux en utilisant 2 ml de 1 M de NaCl pour briser le bouquet de perles au fond du tube de 15 ml, puis ajouter 8 ml de 1 M de NaCl. Ajouter 200 ul de solution PSS 9,8 ml de billes de silice déposée par une couche unique de HAP. Après tourbillonnement pendant 1 min. et l'incubation pendant 60 min. sur la coiffe du tube, répétez 5 étapes de lavage avec de l'eau DI.
      2. Mesurer le potentiel des billes zêta avant et après chaque revêtement polyélectrolytique en utilisant un système de diffusion de lumière dynamique selon le protocole du fabricant pour vérifier la procédure de dépôt de polyélectrolyte a été exécutée correctement (voir tableau 1).
   6. Répétez cinq étapes de lavage avec de l'eau DI suivants la couche PSS uniquele dépôt et la remettre en suspension les billes dans 650 pl de tampon de phosphate de sodium 1 mM avec 0,05% de Tween 20 (15% p / v) avant l'utilisation dans le dispositif microfluidique pour améliorer son aptitude à l'écoulement.
3. Suivez la procédure décrite ci-dessus de 1.2.5 à 1.2.6 pour 500 perles nm de silice avec fonction amine pour déposer une seule couche de PSS.

2. Fabrication de la PDMS microfluidique Chip

1. Microfabrication du maître de silicium
   1. Fabriquez le maître de silicium pour le moulage PDMS en utilisant des techniques de microfabrication comme suit.
      1. manteau de Spin mince de résine photosensible 1 pm à 4000 rpm sur une plaquette de silicium. Motif de la couche en utilisant la lithographie projection (temps d'exposition 170 msec.) Et graver 700 nm nanocanaux planes profondes et 2 m de large (agissant en tant nanotraps pour les billes de silice) avec gravure ionique réactive.
      2. Utilisez les paramètres de gravure suivantes pour atteindre un taux de 3,5 nm / s de gravure: CHF ₃ (45 sccm), ₄ CF (15 sccm), Ar (100 sccm), la pression de 100 mTorr, puissance RF 200 W.
   2. manteau de Spin la seconde couche de résine photosensible épaisse de 1 um à 2000 tpm et effectuer un alignement sur les nanotraps précédemment à motifs. Motif microcanaux par contact lithographie et par gravure ionique réactive profonde (DRIE) de silicium. Utilisez les paramètres DRIE ²⁶ dans le tableau 2.
2. Fabrication de PDMS moule
   1. Silaniser le maître de silicium avec trichlorosilane (50 pi) dans un bocal à vide O / N.
      ATTENTION: Tricholorosilane est un matériau toxique et corrosif. Toujours utiliser dans une hotte chimique avec des équipements de protection individuelle approprié.
   2. Mélanger la base à l'agent de durcissement à 10: 1 et coulé PDMS sur le maître de silicium silanisé et guérir à 70 ° C pendant 2 heures dans un four à convection.
   3. Retirer la dalle PDMS du maître de silicium avec un couteau et plasma liaison sur une plaquette vierge à l'aide d'un nettoyeur à plasma après une pltraitement asma dans un nettoyeur à plasma pendant 1 min. Fixer des bandes le long du bord pour marquer une ligne de partition pour les PDMS suivantes étape de coulée.
   4. Silaniser le moule PDMS dans un récipient sous vide avec du trichlorosilane (50 ul) O / N.
   5. PDMS Cast (base: agent de durcissement à 10: 1) sur le moule PDMS silanisé et guérir à 70 ° C pendant 2 heures dans un four à convection.
3. La fabrication du dispositif PDMS
   1. Décollez la dalle de PDMS durcie du moule PDMS le long de la ligne de séparation marquée avec la bande.
   2. Perforation réservoir trous avec 1,5 mm poinçon de biopsie, propre avec un ruban, rincer avec de l'alcool isopropylique (IPA) et sec avec de l'azote.
   3. liaison plasma, le dispositif PDMS sur un x 75 mm lame de verre de microscope de 25 mm après un traitement au plasma dans un nettoyeur à plasma pendant 1 min.
4. Ultrasonicate la suspension de billes pendant 60 min. dans un bain à ultrasons avant le remplissage. Pipeter une suspension de billes de 10 pi (300 nm de silice non fonctionnalisée êtreannonces, ou 500 billes carboxyles nm de silice avec des couches PAH-PSS, ou 500 nm de silice perles amine avec une couche de PSS) dans les entrées 4 et 6 chacun (voir la figure 1 A, B) immédiatement après le collage de plasma de la puce PDMS à un substrat de verre. Appuyez doucement sur la puce PDMS avec une pointe de pipette pour améliorer l'emballage de perles.
   1. Après avoir rempli les canaux de distribution de perles, couvrir toutes les entrées à l'exception de 1 et 9 avec du ruban adhésif. Air-sécher l'appareil pendant 3 heures et conserver à +4 ° C avant l'utilisation. La figure 2 donne un schéma étape par étape du processus d' auto-assemblage colloïdal.

3. Expérience de Electrokinetic Concentration d'ADN

1. Remplir les réservoirs 3, 7 avec une solution tampon (10 pi de 1 mM PB) et le réservoir 5 avec un échantillon d'ADN (10 pi de 10 nM dans 1 mM PB) et appliquer une pression négative douce avec une pointe de pipette inversée sur les réservoirs 2 , 8 et 10 pour remplir les canaux avec les solutions sans bulles (voir Figure 1B).
2. Ajouter 10 pi de 1 mM PB aux réservoirs 2 et 8, et 10 pi de 10 nM d'ADN dans le réservoir 10 pour équilibrer la pression et attendre 5 min. pour atteindre l'équilibre.
3. Insérer les fils de Pt dans les réservoirs 3, 5, 7, 10.
4. Appliquer une tension à travers la jonction nanofluidique à l'aide d'un diviseur de tension connecté à un appareil de mesure de la source et les fils de platine. Appliquez d'abord 30 V sur les réservoirs 5, 10 et GND sur les réservoirs 3, 7.
5. Diminuer la tension à 25 V sur le réservoir 10 après ~ 30 sec.
6. Utiliser un obturateur mécanique avec une ouverture périodique dans toutes les 5 s pour réduire au minimum le photoblanchiment de l'échantillon lors de l'enregistrement des signaux de fluorescence de l'ADN.

Résultats

Une puce de concentrateur électrocinétique dans PDMS contenant une jonction nanofluidique auto-assemblée entre deux micro - canaux est représentée sur la figure 1A). Le canal au milieu du dispositif est rempli d'une solution d'échantillon d'ADN et flanquée de deux canaux de solution tampon de chaque côté par l' intermédiaire d' un large canal 50 um de distribution de talon (figure 1B). La suspension colloïdale de silice est...

Discussion

Suivant le schéma de conception de dispositif commun pour étudier nanofluidique, nous avons fabriqué une jonction nanofluidique entre deux canaux microfluidiques en utilisant l'auto-assemblage entraîné par évaporation de nanoparticules colloïdales au lieu de lithographier modeler un tableau de nanocanaux. Lors de l'écoulement des particules colloïdales dans le canal de distribution de talon, une rangée de nanotraps avec une profondeur de 700 nm et une largeur de 2 pm sur les deux côtés du canal de di...

matériels

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