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要約

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.

要約

ポリジメチルシロキサン（PDMS）が原因で成形及び接合の容易さだけでなく、その透明性にマイクロ流体デバイスを作るために現行の建築材料です。 PDMS材料の柔らかさに、しかし、ナノチャネルの構築にPDMSを使用することは困難です。チャネルは、プラズマ接合時に容易に崩壊する傾向があります。本稿では、2マイクロチャネルの間nm孔サブ50とナノ流体ジャンクショ​​ンを作成するために、シリカコロイド状ナノ粒子の蒸発主導の自己組織化法を提案します。細孔径、ならびにナノ流体接合の表面電荷は、単に、自己組織化プロセスの前にバイアルに組み立てられたマイクロ流体デバイスの外部コロイダルシリカビーズの大きさ及び表面機能化を変更することにより調整可能です。ビーズ300nmの大きさ、500ナノメートル、900ナノメートルを有するナノ粒子の自己集合を使用して、それぞれ、〜45nmで、〜75 nmおよび〜135ナノメートルの細孔サイズを有する多孔質膜を作製することが可能でした。電気の下でアル電位は、陽イオン選択性膜として、このナノ多孔膜開始イオン濃度分極（ICP）作用は、15分以内〜1700倍のDNAを濃縮します。この非リソグラフィナノファブリケーションプロセスは、PDMSマイクロ流体チップ内部のイオンや分子のナノスケールの輸送過程の研究のための調整可能なナノ流体接合を構築するための新しい機会を開きます。

概要

10 2 nmの-ナノ流体工学は、10 1の長さスケールでのイオンや分子の生物学的プロセスまたは輸送現象を研究するためにμTAS（マイクロトータル分析システム）の新興研究領域です。必要であれば、このようなナノチャンネルのようなナノ流体ツールの出現により、分子やイオンの輸送過程だけ分離および検出のために、この長さスケールで使用可能な機能を利用することにより、前例のない精度で監視し、操作することができます。1,2つのこれらの特徴的なナノスケールの特徴は、電荷不均衡を引き起こし、ナノチャネルとマイクロチャネルとの間のイオンの濃度分極（ICP）を開始することができるナノチャンネル内のバルク充電（またはDukhin番号）に対する表面の比率が高いです。3

ナノ流体現象の研究のための一般的なデバイスプラットフォームは、接合部としてナノチャネルのアレイによって接続された2-マイクロチャネルシステムで構成されています。4-6 そのようなナノ流体デバイスを構築するために選択される材料をので、接合プロセスの間に崩壊するチャネルを防止する高い剛性のシリコンである。7しかし、シリコンデバイスの製造は、高価なマスク及びクリーンルーム施設での処理のかなりの量を必要とします。8-これにより、成形およびプラズマボンディング、ポリジメチルシロキサン（PDMS）を介して、デバイス製造の利便性への10は広くマイクロ流体のための建築材料として受け入れられており、それは同様にナノ流体工学のための理想的な材料であろう。しかし、低ヤング率は、360から870キロパスカルの周囲に、プラズマ接合時PDMSチャネルは容易に折りたたみ可能なります。ナノチャネルの深さが100nm以下である必要がある場合、標準的なフォトリソグラフィを介してPDMSデバイスの製造は、チャネル幅を必要とする、非常に挑戦的になることを意味し、1：ナノチャネル（深さ、幅）の最小アスペクト比が10未満でなければなりませんphotolithの電流制限値未満1μm程度でography。この制限を克服するために、78 nmの11の平均深さを有する亀裂を開始するために、プラズマ処理後のしわを形成するために延伸非リソグラフィ法を用いてPDMSにナノチャネルを作成するための試みがなされてきた。12機械的圧力とPDMSチャネルを崩壊許さ60 nmと低いナノチャネルの高さ。13

これらの高度に本発明の非リソグラフィー法は、深さ100 nm以下のナノチャンネルを構築する許可されていても、ナノチャンネル製作の寸法制御は、依然としてナノ流体デバイスのための建築材料としてPDMSの広く受け入れへの障害をもたらします。ナノチャネルの別の重大な問題は、シリコンまたはPDMSで、ケース内表面機能であるか否かのイオンまたは分子の操作のためのチャネル壁上の表面電荷を変化させる必要があります。結合を介してデバイスアセンブリの後、ナノチャンネルはに非常に困難であり、拡散制限輸送による表面機能化のために達します。高次元の忠実度と容易な表面官能持つナノスケールのチャネルを作成するには、マイクロ流体デバイス中で蒸発14-16によって誘導されたコロイド粒子の自己組織化法は有望なアプローチの1つであることができます。細孔サイズおよび表面特性の制御に加えて、調整する可能性は、温度、pHは17、18,19及びイオン強度を制御することにより、高分子電解質で被覆されたコロイド粒子を使用してその場で孔の大きさもある。そのため、これらの18利点、コロイド粒子の自己組織化法はすでにエレクトロ、20バイオセンサー、21タンパク質濃度22とマイクロ流体中のタンパク質やDNAの分離のためのアプリケーションを発見した。本研究では14,23、我々はANを構築するために、この自己組織化法を導入しました中電学的予備濃縮装置2マイクロチャネル間のナノ流体接合を必要とするPDMS。24動電濃度の背後にある基本的なメカニズムは、イオン濃度分極（ICP）に基づくものである。製造及び組立工程の25詳細な説明は以下のプロトコルに含まれています。

プロトコル

シリカコロイドビーズ懸濁液の調製

  1. 300 nmおよび500 nmのシリカビーズ懸濁液の調製
    1. 30秒間ボルテックスシリカビーズストック懸濁液（水中のw / vの10％）を。均一な懸濁液を得ました。 1.5ミリリットルチューブに600μlのストック懸濁液の合計をピペットで、1分間2600×gでそれを遠心します。
    2. 1 mMリン酸ナトリウム緩衝液（PB、pHは7.0）の400μlの上清を代入します。
    3. ボルテックスを通してpH7.0で1 mMのリン酸ナトリウム溶液中で15％の最終濃度にシリカビーズを一時停止します。
  2. ポリ表面官能500nmシリカカルボキシルビーズ（アリルアミン塩酸塩、PAH）、及びポリ（スチレンスルホン酸ナトリウム、PSS）高分子電解質
    1. 1％の10mlの1MのNaCl（pH7.0）で、カルボキシル基を有する500nmのシリカビーズを0.1gを懸濁ビーズ懸濁液（w / v）の。
    2. 1 M NACで0.4％PAH（MW 65K）を準備1MのNaClの15ミリリットルでストック溶液（20％重量/体積水中）の300μLを溶解することによりリットル。 20ミリリットルの1M NaCl溶液中に0.18グラムのPSSを溶解することにより、1 M NaCl溶液中に0.9％PSS（MW 70K）を準備します。 1分間の両方のソリューション渦。完全に高分子電解質を溶解します。
    3. カルボキシル官能基を​​有するシリカビーズ上の正に荷電した高分子電解質層を堆積させるために15mlチューブ中の1％のシリカカルボキシルビーズを9.8 mlのPAH溶液200μlを加えます。 1分間ビーズ懸濁液をVORTEX。そして60分間チューブ回転でそれをインキュベートします。 RTで。
    4. 1分間1801×gでビーズ懸濁液を遠心します。そして10ミリリットルのDI水と結合していないPAH 5回洗い落とします。各遠心分離し、上清を除去した後、ビーズを密にチューブの底部に充填しました。ビーズを再懸濁し、次の遠心分離工程の前に洗浄除去することができるように、脱イオン水8mlを添加する前に、脱イオン水2mlで激しいピペッティングによりビーズ塊を破壊します。
    5. 続きますPSSコーティングのための1.2.3と1.2.4の手順では、ビーズ上に負に帯電した層を堆積させます。 PSSの堆積前1.2.4の5 回目の洗浄工程からのDI水の上澄みを除去した後、1MのNaClの9.8ミリリットルでビーズを再懸濁します。
      1. 15ミリリットルチューブの底にビーズ塊を破砕した後、1MのNaClの8ミリリットルを追加するために1MのNaClの2ミリリットルを使用して、同じ活発なピペッティングステップを使用してください。単一PAH層を堆積したシリカビーズの9.8ミリリットルにPSS溶液200μlを追加します。 1分間ボルテックスした後。 60分間のインキュベーション。チューブローテーター上、DI水で5回の洗浄工程を繰り返します。
      2. 正しく行われた高分子電解質の堆積手順を確認するために、製造業者のプロトコルに従って、動的光散乱装置を用いて、それぞれの高分子電解質コーティングの前と後のビーズのゼータ電位を測定した（表1参照）。
    6. 単一PSS層以下のDI水で5回の洗浄工程を繰り返し、0.05％のTween 20（15％w / v）の前に、その流動性を向上させるために、マイクロ流体デバイスで使用すると堆積し、1 mMリン酸ナトリウム緩衝液650μLに再懸濁ビーズ。
  3. PSSの単層を堆積させるために、アミン官能基を有する500nmのシリカビーズのために1.2.5から1.2.6に上記の手順に従ってください。

PDMSマイクロ流体チップの2製作

  1. シリコンマスターの微細加工
    1. 次のように微細加工技術を用いて、PDMS成形用シリコンマスターを作ります。
      1. スピンコートシリコンウェーハ上に4,000rpmで1ミクロンの薄いフォトレジスト。パターンは、投影リソグラフィ（露光時間170ミリ秒）及び700nmの深さ2μmの幅の広い平面ナノチャネルをエッチングを用いて層を反応性イオンエッチングで（シリカビーズnanotrapsとして作用します）。
      2. CHF 3（45 SCCM：3.5ナノメートル/秒のエッチング速度を達成するために、次のエッチングパラメータを使用）、CF 4（15 SCCM）は、Ar（100 SCCM）、圧力100ミリトール、RFパワー200Wで
    2. スピン2,000 rpmでコート第二の厚さ1μmのフォトレジスト層と、以前にパターン化nanotrapsにアライメントを行います。マイクロチャネルコンタクトリソグラフィビアおよびシリコンの深い反応性イオンエッチング（DRIE）によるパターン。 DRIEは、表2の26のパラメータを使用します。
  2. PDMSモールドの作製
    1. 真空瓶O / Nでトリクロロシラン（50μl）を有するシリコンマスターをSilanize。
      注意：Tricholorosilaneは、有毒で腐食性の材料です。常に適切な個人用保護機器との化学フードでそれを使用しています。
    2. シラン化シリコンマスター上で1の割合とキャストPDMSと対流式オーブン中で2時間、70℃で、それを治す：10での硬化剤にベースを混ぜます。
    3. それは、PL後にプラズマクリーナーを使用して空白のウェハ上にナイフとプラズマ結合を有するシリコンマスターからPDMSスラブを削除します1分間のプラズマクリーナーでASMA処理。ステップを鋳造次PDMSのための仕切り線をマークするために縁に沿ってテープを取り付けます。
    4. トリクロロシランを有する真空瓶（50μl）をO / NでPDMSモールドをSilanize。
    5. PDMSをキャスト（ベース：1の比率：10で硬化剤）シラン化PDMSモールド上と対流式オーブン中で2時間、70℃で、それを治します。
  3. PDMSデバイスの作製
    1. テープでマークされた仕切り線に沿ってPDMSモールドから硬化PDMSスラブをはがし。
    2. テープできれいに1.5ミリメートル生検パンチとパンチ溜め穴は、イソプロピルアルコール（IPA）および窒素で乾燥ですすいでください。
    3. 1分間のプラズマクリーナーにおけるプラズマ処理後の25ミリメートル×75mmの顕微鏡ガラススライド上にプラズマ結合PDMSデバイス。
  4. Ultrasonicate 60分間ビーズ懸濁液。充填する超音波浴中で前に。 10μlのビーズ懸濁液をピペット（300nmの非官能基化シリカがあること広告、またはPAH-PSS層を有する500 nmのシリカカルボキシルビーズ、または入口4,6にPSS層に500 nmのシリカアミンビーズ）がそれぞれ（ 図1 A、B）直ちにPDMSチップのプラズマ接合した後に表示しますガラス基板。ビーズ充填を向上させるためにピペットチップを用いてPDMSチップを軽くタップします。
    1. ビーズ配信チャネルを充填した後、テープ1と9を除く全ての入口を覆います。 。使用前+4℃で3時間および貯蔵するための装置を風乾し2コロイド自己組織化プロセスを順を追って模式図を与える図 。

DNAの電濃度3.実験

  1. DNAサンプル（1 mMのPB中の10 nMの10μlの）と緩衝液（1mMのPBを10μl）と貯水池3、7とリザーバ5を記入し、貯水池2に反転ピペットチップで穏やかな負圧を適用します、泡なしのソリューションとのチャネルを埋めるために8および10（参照図1B）。
  2. 圧力のバランスを取り、5分間待つように10をリザーバに10 nMのDNAの2と8と10μlの貯水池に1 mMのPBの10μLを加えます。平衡に到達します。
  3. 貯水池3、5、7、10内に白金線を挿入します。
  4. ソースメータとPt線に接続された電圧分圧器を使用してナノ流体接合部の両端の電圧を適用します。まず貯水池貯水池3、7上5、10とGNDの30 Vを適用します。
  5. 〜30秒後に、リザーバ10に25 Vの電圧を下げます。
  6. DNAからの蛍光信号を記録する際、試料の光退色を最小限にするために5秒ごとに周期的な開口部を有するメカニカルシャッターを使用してください。

結果

2マイクロチャネル間の自己組織化ナノ流体接合部が含まれているPDMSにおける動電コンセントレータチップ）は、図1Aに示されています。装置の中央のチャネルは、DNAサンプル溶液を充填し、50μm幅のビード配信チャネル（ 図1B）を介してそれぞれの側に2つの緩衝液流路に隣接しています。シリカのコロイド状懸濁液を試料と緩衝液路との間?...

ディスカッション

ナノ流体工学を研究するための一般的なデバイスの設計方式に続いて、我々は、コロイド状のナノ粒子の蒸発主導の自己集合を使用しての代わりに、リソグラフィナノチャネルのアレイをパターニングすることにより、2つのマイクロ流体チャネルとの間にナノ流体接合部を作製しました。ビーズ配信チャネル、700ナノメートルの深さおよび100μmの全幅にビーズ配信チャネルの両側に2μmの幅na...

開示事項

The authors have nothing to disclose.

謝辞

この作品は、NIH R21 EB008177-01A2とニューヨーク大学アブダビ（NYUAD）研究強化基金2013我々は、微細加工時の彼らのサポートのためのMIT MTLの技術スタッフに感謝を表明し、ジェームズ・ウェストンとそののためのNYUADのニコラスGiakoumidisによってサポートされていましたSEM写真を撮影し、それぞれ、分圧器を構築する上でのサポート。 PDMSでデバイス製造をNYUADの微細コア施設で行いました。最後に、我々はビデオ撮影・編集のためのデジタル奨学金NYUADセンターからレベッカPittamに感謝したいと思います。

資料

NameCompanyCatalog NumberComments
Poly(Styrenesulfonic Acid) Sodium SaltPolysciences 08772
Poly(allylamine) SolutionSigma Aldrich479144-5G
Silica Microsphere - 300 nmPolysciences 24321
Silica Microsphere - 500 nmPolysciences 24323
Silica Microsphere Carboxyl Functional - 500 nmPolysciences 24753
Silica Microsphere Amine Functional - 500 nmPolysciences 24756
Sylgard 184 Silicone Elastomer kitDow Corning
TrichlorosilaneSigma Aldrich175552
Ultrasonic CleanerBranson3510
Tube Rotator VWR10136-084
Vortex MixerWiseMixVM-10
MicrocentrifugeVWRMicro 1207
Plasma CleanerHarrick PlasmaPDC-001-HP
PDMS MixerThinkyARE-250
OvenThermo ScientificPR305220M
Epi-fluorescence MicroscopeNikonEclipse Ti
CCD CameraAndorClara
Platinum ElectrodesAlfa Aesar43014
Source MeterKeithley2400
Digital Multimeter Extech410
Microscopy Glass SlidesThermo Scientific2951-001
Tween 20Merck Millipore822184
Sodium chlorideFisher Scientific7646-14-5
Sodium phosphate monobasicSigma Aldrich71505
Sodium phosphate dibasicSigma AldrichS3264
DNAIDTCAA CCG ATG CCA CAT CAT TAG CTA C
B-PhycoerythrinLife TechnologiesP-800
Dynamic light scattering system for Zeta Potential MeasurementMalvernZetasizer Nano S
Photoresist ShipleySPR700-1.0
Projection lithographyNikonNSR2005i9
Reactive Ion EtcherApplied MaterialsAME P5000
ICP deep reactive ion etcherSTSSTS-6"
Contact lithographyElectronic VisionsEV620
Photoresist Coater DeveloperSSISSI 150
Non-contact surface profilerWykoNT 9800

参考文献

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