Creazione di Sub-50 Nm nanofluidic giunzioni in PDMS Microfluidic Chip tramite processo di auto-assemblaggio di particelle colloidale

Riepilogo

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

Polidimetilsilossano (PDMS) è il materiale da costruzione prevalente di rendere i dispositivi microfluidici per la sua facilità di stampaggio e di incollaggio e la sua trasparenza. A causa della morbidezza del materiale PDMS, tuttavia, è difficile da utilizzare per la costruzione di PDMS nanocanali. I canali tendono a collassare facilmente durante l'incollaggio plasma. In questo articolo, presentiamo un metodo di auto-assemblaggio di evaporazione-driven di nanoparticelle silice colloidale per creare giunzioni nanofluidic con sub-50 nm pori tra due microcanali. La dimensione dei pori e la carica superficiale della giunzione nanofluidic è sintonizzabile semplicemente cambiando il colloidale di silice tallone dimensioni e la superficie funzionalizzazione esterno del dispositivo microfluidico assemblato in una fiala prima che il processo di auto-assemblaggio. Utilizzando l'auto-assemblaggio di nanoparticelle con un formato del branello di 300 nm, 500 nm e 900 nm, è stato possibile realizzare una membrana porosa con dimensione dei pori di ~ 45 nm, ~ 75 nm e ~ 135 nm, rispettivamente. sotto elettricoal potenziale, questo nanoporous membrana avviato concentrazione di ioni di polarizzazione (ICP) agisce come membrana cationi selettiva concentrarsi DNA da ~ 1.700 volte entro 15 min. Questo processo nanofabbricazione non litografica apre una nuova possibilità di costruire una giunzione nanofluidic sintonizzabile per lo studio dei processi di trasporto nanoscala di ioni e molecole all'interno un chip microfluidico PDMS.

Introduzione

Nanofluidics è un settore emergente della ricerca di μ TAS (Micro Total Analysis Systems) per studiare i processi biologici o fenomeni di trasporto di ioni e molecole alla scala di lunghezza di ¹⁰ GENNAIO - 10 FEBBRAIO nm. Con l'avvento degli strumenti nanofluidic quali nanocanali, processi di trasporto di molecole e ioni possono essere monitorati con una precisione senza precedenti e manipolati, se necessario, sfruttando le caratteristiche che sono disponibili solo in questa scala di lunghezza per la separazione e la rilevazione. ^1,2 Uno dei queste caratteristiche nanoscala è un elevato rapporto tra superficie e massa di carica (o numero Dukhin) in nanocanali che può causare uno squilibrio di carica e avviare la polarizzazione concentrazione di ioni (ICP) tra il nanochannel e microcanali. ³

Una piattaforma dispositivo comune per lo studio dei fenomeni nanofluidic consiste in un sistema a due microcanali collegati da una serie di nanocanali come una giunzione. ^4-6 Il materiale di scelta per la costruzione di un dispositivo quale nanofluidic è il silicio causa della sua elevata rigidità che impedisce il canale di collassare durante i processi di incollaggio. ⁷ Tuttavia, dispositivo di silicio fabbricazione richiede maschere costose e notevoli quantità di elaborazione nella struttura camera sterile. ^{8- 10} Data la particolarità di fabbricazione di dispositivi per stampaggio e di legame al plasma, polidimetilsilossano (PDMS) è stata ampiamente accettata come materiale da costruzione per la microfluidica e sarebbe un materiale ideale per nanofluidica pure. Tuttavia, il modulo suo basso di Young intorno 360-870 KPa, rende il canale PDMS facilmente comprimibile durante l'incollaggio al plasma. Il rapporto minimo aspetto del nanochannel (larghezza profondità) deve essere inferiore a 10: 1 che significa che la fabbricazione di dispositivi PDMS tramite fotolitografia principio diventerà estremamente difficile se la profondità nanochannel deve essere inferiore a 100 nm, che richiedono una larghezza di canale inferiore al limite di corrente di fotolitoografia a circa 1 micron. Per superare questo limite, ci sono stati tentativi di creare nanocanali in PDMS utilizzando metodi non litografiche come lo stretching di avviare le crepe con profondità media di 78 nm ¹¹ o per formare le rughe dopo il trattamento al plasma. ¹² Crollare un canale PDMS con pressione meccanica permesso un altezza nanochannel partire da 60 nm. ¹³

Anche se questi metodi non-litografici altamente inventive ammessi nanocanali costruzione di sotto di 100 nm in profondità, la controllabilità dimensionale della fabbricazione nanochannel pone ancora un ostacolo per una vasta accettazione di PDMS come materiale da costruzione per i dispositivi nanofluidic. Un altro problema critico delle nanocanali, sia in silicio o PDMS, è la funzionalizzazione superficiale nel caso vi è la necessità di modificare la carica superficiale sulla parete del canale per la manipolazione di ioni o molecole. Dopo il montaggio dispositivo tramite incollaggio, i nanocanali sono estremamente difficili daraggiungere per funzionalizzazione superficiale dovuto al trasporto a diffusione limitata. Per creare un canale nanoscala con alta fedeltà dimensionale e facile funzionalizzazione superficiale, il metodo di auto-assemblaggio di particelle colloidali indotte mediante evaporazione ^14-16 in dispositivi microfluidici può essere uno degli approcci promettenti. Oltre la controllabilità della dimensione dei pori e proprietà di superficie, c'è anche la possibilità di regolare la dimensione dei pori quando si utilizzano in-situ particelle colloidali rivestite polielettroliti controllando la temperatura, pH ^{17, 18,19} e forza ionica. ¹⁸ A causa di queste vantaggi, il metodo di auto-assemblaggio di particelle colloidali ha già trovato applicazioni per electrochromatography, ²⁰ biosensori, concentrazione ²¹ proteine ^​​22 e la separazione delle proteine ​​e DNA in microfluidica. ^14,23 in questo studio abbiamo dispiegati questo metodo autoassemblaggio per costruire un dispositivo preconcentrazione electrokinetic inPDMS che richiede una giunzione tra due nanofluidic microcanali. ²⁴ Il meccanismo fondamentale dietro la concentrazione electrokinetic si basa sulla polarizzazione concentrazione di ioni (ICP). ²⁵ Una descrizione dettagliata di produzione e di assemblaggio passi è inclusa nella seguente protocollo.

Protocollo

1. Preparazione del cordone Sospensioni silice colloidale

1. Preparazione di 300 nm e 500 nm silice sospensioni tallone
   1. Vortex la sospensione di silice tallone stock (10% w / v in acqua) per 30 sec. per ottenere una sospensione omogenea. Pipettare un totale di 600 microlitri sospensione madre in una provetta da 1,5 ml e centrifugare a 2.600 xg per 1 min.
   2. Sostituire il surnatante con 400 microlitri di tampone 1 mM sodio fosfato (PB, pH 7,0).
   3. Sospendere le perline di silice in una concentrazione finale del 15% in 1 mM soluzione di fosfato di sodio a pH 7,0 mediante vortex.
2. Superficie funzionalizzare perline carbossilici silice 500 nm con poli (allilamina cloridrato, PAH), e con poli polielettroliti (sodio stirene solfonato, PSS)
   1. Sospendere 0,1 g di 500 perline di silice nm con gruppo carbossilico con 10 ml 1 M NaCl (pH 7,0) per 1% (w / v) sferette.
   2. Preparare 0,4% PAH (MW 65K) in 1 M NaCl sciogliendo 300 ml di soluzione madre (20% w / v in acqua) in 15 ml di 1 M NaCl. Preparare 0,9% PSS (MW 70K) in soluzione 1 M NaCl sciogliendo 0,18 g PSS in 20 ml di soluzione 1 M NaCl. Vortex sia soluzioni per 1 min. per sciogliere completamente i polielettroliti.
   3. Aggiungere 200 ml di soluzione di IPA a 9,8 ml di 1% sfere carbossilici silice in una provetta da 15 ml per depositare uno strato di polielettrolita carica positiva su perline di silice con carbossile gruppo funzionale. Agitare la sospensione di sferette per 1 min. e incubare su un rotatore tubo per 60 min. a RT.
   4. Centrifugare la sospensione di sferette a 1801 xg per 1 min. e lavare i non legate PAH cinque volte con acqua deionizzata 10 ml. Dopo ogni centrifuga e la rimozione del supernatante, le perle sono state densamente sul fondo della provetta. Interrompere il ciuffo tallone pipettando vigorosa con 2 ml di acqua deionizzata prima di aggiungere 8 ml di acqua deionizzata in modo che le perle possono essere ri-sospesi e lavato via prima della fase successiva centrifugazione.
   5. Seguirela procedura descritta in 1.2.3 e 1.2.4 per la verniciatura PSS di depositare uno strato di carica negativa sulle perle. Risospendere le sfere in 9,8 ml di 1 M NaCl prima della deposizione di PSS dopo aver rimosso il surnatante acqua deionizzata dalla fase di lavaggio 5 ^° di 1.2.4.
      1. Utilizzare la stessa fase di pipettaggio vigoroso con 2 ml di 1 M NaCl per rompere il ciuffo tallone sul fondo della provetta 15 ml e aggiungere 8 ml di 1 M NaCl. Aggiungere 200 ml di soluzione PSS a 9,8 ml delle perline di silice depositati con un singolo strato di IPA. Dopo vortex per 1 min. e incubazione per 60 min. sul rotatore tubo, ripetere 5 fasi di lavaggio con acqua deionizzata.
      2. Misurare il potenziale zeta delle perline prima e dopo ogni rivestimento polielettrolita utilizzando un sistema di dispersione della luce dinamica secondo il protocollo del produttore per verificare la procedura di deposizione polielettrolita è stata eseguita correttamente (vedi Tabella 1).
   6. Ripetere cinque fasi di lavaggio con acqua deionizzata seguenti strato singolo PSSdeposizione e risospendere le sfere in 650 ml di 1 mM tampone fosfato di sodio con 0,05% Tween 20 (15% w / v) prima dell'uso nel dispositivo microfluidico per migliorare la sua scorrevolezza.
3. Seguire la procedura sopra descritta da 1.2.5 a 1.2.6 per 500 perle nm silice con ammina gruppo funzionale per depositare un singolo strato di PSS.

2. Realizzazione della PDMS Microfluidic Chip

1. Microfabbricazione del maestro di silicio
   1. Realizzare il maestro di silicio per lo stampaggio PDMS utilizzando tecniche di microfabbricazione come segue.
      1. cappotto Spin un sottile fotosensibile 1 micron a 4.000 giri su un wafer di silicio. Modello il livello utilizzando la litografia di proiezione (tempo di esposizione 170 msec.) E 700 Nm incidere nanocanali planari profonde e 2 micron di larghezza (in qualità di nanotraps per le perline di silice) con ioni reattivi.
      2. Utilizzare i seguenti parametri di incisione per ottenere una velocità di attacco di 3,5 nm / s: CHF ₃ (45 sccm), CF ₄ (15 SCCM), Ar (100 SCCM), pressione 100 mTorr, potenza RF 200 W.
   2. cappotto Spin il secondo spesso strato di resina fotosensibile 1 micron a 2.000 giri ed eseguire un allineamento alle nanotraps precedenza fantasia. Motivo microcanali tramite contatto litografia e da una profonda incisione ioni reattivi (DRIE) di silicio. Utilizzare la DRIE parametri ²⁶ nella tabella 2.
2. Fabbricazione di stampo PDMS
   1. Silanizzare il maestro silicio con triclorosilano (50 ml) in un vaso vuoto O / N.
      ATTENZIONE: Tricholorosilane è un materiale tossico e corrosivo. Usare sempre in una cappa chimica con un equipaggiamento di protezione personale.
   2. Miscelare la base per il catalizzatore nel rapporto 10: 1 e fuso PDMS sul master silicio silanizzato e curare a 70 ° C per 2 ore in un forno a convezione.
   3. Rimuovere la lastra PDMS dal master silicio con un coltello e plasma legame su un wafer vuoto utilizzando un detergente plasmatica dopo una pltrattamento asma in un pulitore plasma per 1 min. Attaccare i nastri lungo il bordo per segnare una linea di partizione per i seguenti PDMS colata passo.
   4. Silanizzare lo stampo PDMS in un barattolo vuoto con triclorosilano (50 ml) O / N.
   5. PDMS Cast (base: catalizzatore in rapporto 10: 1) sullo stampo PDMS silanizzata e curare a 70 ° C per 2 ore in un forno a convezione.
3. Fabbricazione del dispositivo PDMS
   1. Rimuovere la lastra PDMS curato dallo stampo PDMS lungo la linea divisoria contrassegnato con il nastro.
   2. fori serbatoio punzone con 1,5 millimetri biopsia, pulito, con un nastro, lavare con alcool isopropilico (IPA) e asciugare con azoto.
   3. legame Plasma il dispositivo PDMS su un x 75 mm vetrino da microscopio a 25 mm dopo un trattamento al plasma e un detersivo plasma per 1 min.
4. Ultrasonicate la sospensione di sferette per 60 min. in un bagno ad ultrasuoni prima del riempimento. Pipetta una sospensione tallone 10 ml (300 nm di silice non-funzionalizzato essereannunci o 500 perline carbossilici nm silice con strati PAH-PSS, o 500 nm silice perline amminici con uno strato PSS) nelle insenature 4 e 6 ciascuno (vedi Figura 1 A, B) immediatamente dopo l'incollaggio plasma della piastrina PDMS a un substrato di vetro. Toccare delicatamente sul chip PDMS con un puntale per migliorare l'imballaggio tallone.
   1. Dopo aver riempito i canali di distribuzione di perline, coprire tutte le prese ad eccezione di 1 e 9 con del nastro adesivo. Far asciugare il dispositivo per 3 ore e conservare a + 4 ° C prima dell'uso. Figura 2 fornisce uno schema passo-passo del processo di auto-assemblaggio colloidale.

3. Esperimento per electrokinetic Concentrazione di DNA

1. Riempire i serbatoi 3, 7 con una soluzione tampone (10 microlitri di 1 mM PB) e serbatoio 5 con un campione di DNA (10 ml di 10 nM in 1 mM PB) e applicare una leggera pressione negativa con un puntale capovolta su serbatoi 2 , 8 e 10 per riempire i canali con le soluzioni senza bolle (vedi Figura 1B).
2. Aggiungere 10 ml di 1 mM PB di serbatoi 2 e 8 e 10 ml di 10 nM DNA al serbatoio 10 per equilibrare la pressione ed attendere 5 min. per raggiungere l'equilibrio.
3. Inserire i fili Pt in serbatoi 3, 5, 7, 10.
4. Applicare tensione attraverso la giunzione nanofluidic utilizzando un partitore di tensione collegato ad un misuratore di sorgente e fili Pt. applicare First 30 V su serbatoi 5, 10 e GND serbatoi 3, 7.
5. Diminuire la tensione di 25 V sul serbatoio 10 dopo ~ 30 sec.
6. Utilizzare un otturatore meccanico con apertura periodica ogni 5 s per minimizzare photobleaching del campione durante la registrazione dei segnali di fluorescenza del DNA.

Risultati

Un chip concentratore electrokinetic in PDMS che contiene una giunzione nanofluidic auto-assemblato tra due microcanali è mostrato nella Figura 1A). Il canale al centro del dispositivo viene riempito con una soluzione campione di DNA e fiancheggiata da due canali di soluzione tampone per lato con 50 micron di larghezza canale di recapito tallone (Figura 1B). La sospensione colloidale di silice è volato nel canale di mandata tallone subito dopo l'in...

Discussione

Seguendo lo schema di progettazione dispositivo comune per studiare nanofluidica, abbiamo inventato un incrocio nanofluidic tra due canali microfluidica utilizzando l'auto-assemblaggio di evaporazione-driven di nanoparticelle colloidali invece di litografia patterning una serie di nanocanali. Quando scorre le particelle colloidali nel canale consegna tallone, una matrice di nanotraps con una profondità di 700 nm e una larghezza di 2 micron su entrambi i lati del canale di recapito tallone con una larghezza totale d...

Materiali

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