콜로이드 입자의 자기 조립 과정을 통해 PDMS 미세 유체 칩의 하위 50 Nm의 나노 유체 접합 만들기

요약

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.

초록

폴리 디메틸 실록산 (PDMS)의 성형으로 인해 결합의 용이성뿐만 아니라 투명성 마이크로 유체 장치를 만드는 일반적인 건축 재료이다. 때문에 PDMS 재료의 부드러움, 그러나 나노 채널을​​ 구축 PDMS를 사용하기 어려운 것이다. 채널 플라즈마 본딩시 쉽게 붕괴되는 경향이있다. 본 논문에서는 하위 50 개의 마이크로 사이에 기공 나노와 나노 유체 접합을 만들 수있는 실리카 콜로이드 나노 입자의 증발 중심의 자기 조립 방법을 제시한다. 기공 크기뿐만 아니라 나노 유체 접합 표면 전하 단순히 자기 조립 공정 전에 바이알 조립 미세 유동 장치의 외부 콜로이드 실리카 비드 크기 및 표면 작용을 변화시킴으로써 튜닝된다. 300 내지 500 나노 미터, 900 나노 미터의 비드 크기를 갖는 나노 입자의 자기 조립 (self-assembly)을 사용하여, 각각의 기공 (45) 내지 ~의 크기, ~ 75 nm이고, ~ 135 nm의 다공질 막을 제조하는 것이 가능했다. 전기에서알 전위 양이온 - 선택성 막으로서,이 나노 다공성 막을 개시 이온 농도 분극 (ICP) 작용을 15 분 이내에 ~ 1,700 배까지 농축하는 DNA. 이 아닌 나노 리소그래피 처리는 PDMS 마이크로 유체 칩 내부 이온 및 분자의 나노 전송 프로세스 연구를위한 가변 나노 유체 접합을 구축하기 위해 새로운 기회를 열어.

서문

10 ² 나노 - Nanofluidics 10 ^(1)의 길이 규모에서 생물학적 과정 또는 이온의 수송 현상과 분자를 연구하는 μ의 TAS의 새로운 연구 영역 (마이크로 총 분석 시스템)입니다. 필요한 경우 이러한 나노 채널과 나노 유체 도구의 출현으로, 분자 및 이온의 수송 과정은 분리 및 검출이 길이 규모에서 사용할 수있는 기능을 이용하여, 전례없는 정밀도로 모니터링 및 조작 할 수 있습니다. ^{1, 2} 분의 이러한 특성 나노 기능 전하 불균형을 일으켜 나노 채널 및 마이크로 채널 사이의 이온 농도 분극 (ICP)를 개시 할 수있는 나노 채널 벌크 전하 (또는 Dukhin 번호) 표면에 높은 비율이다. ⁽³⁾

나노 유체 현상의 연구를위한 일반적인 장치 플랫폼은 접합 등의 나노 채널의 배열에 의해 연결된 두 개의 마이크로 시스템으로 구성되어 있습니다. ^4-6 이러한 나노 유체 장치를 구축하기위한 선택의 재료로 인해 접합 과정에서 붕괴 채널을 방지 높은 강성의 실리콘이다. ⁷ ​​그러나, 실리콘 소자 제조 비싼 마스크와 클린 룸 시설에서 처리 상당한 양을 필요로한다. ⁸ 때문에 성형 플라즈마 본딩, 폴리 디메틸 실록산 (PDMS)을 통해 장치의 제조의 편의 ^{10 널리} 마이크로 유체 용 건축 재료로서 허용되었으며 그것뿐만 아니라 nanofluidics 이상적인 물질 일 수있다. 그러나, 낮은 영률 360-870 KPa가 주위 플라즈마 본딩 동안 PDMS 채널을 쉽게 접을 수있다. 나노 채널의 깊이는 100 nm의 아래해야 할 경우 표준 포토 리소그래피 기술을 통해 PDMS 소자의 제조는 채널 폭을 요구하는 매우 어려운 될 것이라는 것을 의미 1 : 나노 채널 (깊이와 넓이)의 최소 종횡비는 10 미만이어야 포토리스의 전류 한계 이하에서 약 1 μm의 ography. 이러한 한계를 극복하기 위해, 플라즈마 처리 후 78 내지 ¹¹ 또는 형성하는 주름의 평균 깊이와 크랙을 개시 연신 비의 리소그래피 방법을 이용하여 PDMS의 나노 채널을 생성하기위한 시도가 있었다. ^(12)이 기계적 압력 PDMS 채널 수 붕괴 60 나노 미터의 낮은 나노 채널의 높이입니다. ⁽¹³⁾

이러한 고도로 발명 비 리소그래피 방법 깊이 100nm로 이하 건물 나노 채널을​​ 허용하더라도, 나노 채널 제작의 치수 제어 성이 여전히 나노 유체 장치 등의 건축 재료 PDMS의 광범위한 수용을 장애가된다. 나노 채널의 또 다른 중요한 문제는, 실리콘 또는 PDMS 여부에 이온 또는 분자의 조작에 대한 채널 벽면의 표면 전하를 변경할 필요가있는 경우에, 표면 기능화된다. 결합을 통해 장치 조립 후, 나노 채널은 매우 어렵다때문에 확산 제한 전송에 표면 기능화 도달. 높은 치수 정확도 및 용이 한 표면 기능화와 나노 스케일 채널을 생성하기 위해 마이크로 유체 소자에 증착 ^14-16에 의한 콜로이드 입자의 자기 조립 방법은 유망한 접근 방법 중 하나가 될 수있다. 기공 크기 및 표면 특성의 제어 외에, 튜닝 가능성은 온도 ^17의 pH, ^{18, ​​19} 및 이온 세기를 조절함으로써 고분자 전해질로 코팅 된 콜로이드 입자를 사용하여 반응계 공극의 크기도있다.이 때문에 이러한 ¹⁸ electrochromatography ²⁰ 바이오 센서 ²¹ 단백질 농도 ²² 마이크로 유체 단백질 및 DNA의 분리. ^14,23 본 연구에 대한 장점, 콜로이드 입자의 자기 조립 방법은 아직 발견 애플리케이션, 우리는 구축이 자기 조립 방법을 배포 에서 동 전기 농축 장치이 마이크로 나노 유체 간의 접합을 필요 PDMS. ²⁴ 기적 농도 뒤에 기본적인 메커니즘은 이온 농도 분극 (ICP)에 기초한다. 제조 및 조립 단계 ^(25)의 상세한 설명은 다음의 프로토콜에 포함된다.

프로토콜

실리카 콜로이드 비드 정학 1. 준비

1. 300 nm 내지 500 nm의 실리카 비드 현탁액의 제조
   1. 소용돌이 30 초 동안 실리카 비드 재고 서스펜션 (w 10 % / 물 V). 균일 한 현탁액을 얻었다. 1 분 동안 2,600 XG에 1.5 ML 튜브와 원심 분리기를에 600 ㎕의 재고 현탁액의 총을 피펫.
   2. 1 mM의 인산 나트륨 완충액 (PB, pH를 7.0) 400 μL로 뜨는을 대체합니다.
   3. 텍싱 통해 pH가 7.0에서 1 mM의 인산 나트륨 용액 15 %의 최종 농도로 실리카 비드를 일시.
2. 폴리와 표면 기능화 500nm의 실리카 비드 카르복실기 (알릴 아민 염산염, PAH), 폴리로 (소듐 스티렌 설포 네이트, PSS) 고분자 전해질
   1. 1 %를위한 10 ml의 1 M의 NaCl (PH 7.0) (w / v)의 비드 서스펜션이 장착 된 카르복실기 500 nm의 실리카 비드의 0.1 g을 일시 중단합니다.
   2. 1 M NAC 0.4 % PAH (MW 65K)를 준비1 M NaCl을 15 mL의 원액을 300 μL (20 % w / 물 V)를 용해시켜 L. 20 ㎖의 1 M NaCl 용액에 0.18 g의 PSS를 용해시켜 1 M NaCl 용액에 0.9 % PSS (MW 70K)를 준비한다. 소용돌이 모두 1 분을위한 솔루션을 제공합니다. 완전히 고분자 전해질을 용해한다.
   3. 카복실 작용기를 갖는 실리카 비드에 양전하 고분자 전해질 층을 증착하기 위해 15 ㎖의 튜브에 1 % 실리카 카복실 비드 9.8 ml의 PAH 용액 200 μL를 추가한다. 1 분 동안 비드 현탁액을 소용돌이. 60 분 동안 튜브 회전에 품어. RT에서.
   4. 1 분 동안 1,801 XG에서 비드 현탁액을 원심 분리기. 10 mL의 탈 이온수와 바인드 PAH 다섯 번 씻어. 각 원심 분리하고 상청액을 제거한 후, 비드 조밀 튜브의 하단에 충전 하였다. 비드를 재현 탁하고, 다음 원심 분리 단계에 앞서 씻어되도록 DI 물 8 ml를 첨가하기 전에 DI 물 2 ㎖와 함께 강하게 피펫 팅 비드 덩어리를 방해.
   5. 따르다PSS 코팅 1.2.3과 1.2.4의 단계는 구슬에 음전하 층을 증착한다. PSS 증착하기 전에 1.2.4의 5 ^번째 세척 단계에서 DI 물 상층 액을 제거한 후 1 M NaCl을 9.8 ml의 구슬을 다시 일시 중지합니다.
      1. 15 ML 튜브의 하단에있는 구슬 덩어리를 분해 한 후 1 M NaCl을 8 ml에 추가 1 M NaCl을 2 ㎖를 사용하여 동일한 활발한 피펫 팅 단계를 사용합니다. 하나의 PAH 층 증착 된 실리카 비드의 9.8 ml의 PSS 용액 200 μl를 추가합니다. 1 분 동안 텍싱 후. 60 분 동안 배양. 튜브 회전에, DI 물 5 세척 단계를 반복합니다.
      2. 올바르게 수행 된 고분자 전해질 증착 과정을 확인 제조자 프로토콜에 따라 동적 광산란 장치를 이용하여 각각의 고분자 전해질 코팅 전후의 비드의 제타 전위를 측정한다 (표 1 참조).
   6. 단일 PSS 층 다음 DI 워터와 다섯 세척 단계를 반복합니다증착 및 0.05 % 트윈 20 종래의 유동성을 향상시키기 위해 미세 유체 소자에 사용하는 (V / w 15 %)와 1 mM의 인산 나트륨 완충액 650 μL의 비드를 재 - 보류.
3. PSS의 단일 층을 증착하는 아민 작용기 500 나노 실리카 비드를 위해 1.2.6에 1.2.5에서 위에서 설명한 절차를 따르십시오.

PDMS 미세 유체 칩의 제조 (2)

1. 실리콘 마스터의 미세
   1. 다음과 같은 미세 가공 기술을 이용하여 PDMS 성형 용 실리콘 마스터를 제작.
      1. 스핀 코팅 실리콘 웨이퍼 상에 4000 rpm에서 1 μm의 얇은 포토 레지스트. 패턴 투영 노광 (노광 시간 170 밀리 초). 700 nm의 깊이와 2 ㎛ 폭 평면 나노 채널 에칭을 이용하여 층을 반응성 이온 에칭 (실리카 비드 nanotraps 역할).
      2. CHF ₃ (45 SCCM : 3.5 ㎚ / (S)의 에칭 율을 달성하기 위해 다음의 에칭 파라미터를 사용하여), CF ₄ (15 SCCM), 아르곤 (100 SCCM), 압력 100 mTorr로, RF 전력 200 W.
   2. 스핀 코트 제 1 μm의 두께 포토 레지스트 2,000 rpm에서 층과 이전 패턴 nanotraps에 정렬을 수행합니다. 마이크로 콘택트 리소그래피를 통해 실리콘 깊은 반응성 이온 에칭 (DRIE)에 의해 패턴. DRIE는 표 2에 ^{26 매개} 변수 사용합니다.
2. PDMS 몰드의 제조
   1. 진공 항아리 O의 / n에서 트리클로로 실란 (50 μL)와 실리콘 마스터를 silanization합니다.
      주의 : Tricholorosilane는 독성 및 부식성 물질이다. 항상 적절한 개인 보호 장비와 화학 후드에서 사용.
   2. 10 경화제베이스 믹스 : 실란 실리콘 마스터 1의 비율로 주조 PDMS 및 대류 오븐에서 2 시간 동안 70 ° C에서이를 경화.
   3. PL 후 플라즈마 세정기를 사용하여 빈 웨이퍼에 칼 플라즈마 결합 그것으로 실리콘 마스터에서 PDMS의 슬래브를 제거1 분 동안 플라즈마 클리너에 ASMA 처리. 단계를 캐스팅 다음 PDMS에 대한 파티션 라인을 표시하는 가장자리를 따라 테이프를 부착합니다.
   4. 트리클로로 실란 (50 μL) O / N과 진공 항아리에 PDMS 금형을 silanization합니다.
   5. PDMS 캐스트 (베이스 : 1 비율 : 10 경화제) 실란 PDMS 몰드와 대류 오븐에서 2 시간 동안 70 ° C에서이를 경화.
3. PDMS 소자의 제조
   1. 테이프로 표시된 분할 선을 따라 PDMS 금형에서 경화 된 PDMS의 슬래브 떼어.
   2. 테이프 깨끗한 1.5 mm 생검 펀치와 펀치 구멍 저장조, 이소 프로필 알콜 (IPA) 및 건조 질소로 씻어.
   3. 플라즈마 본드 1 분 동안 플라즈마 세정기의 플라즈마 처리 후의 25mm X 75mm 현미경 유리 슬라이드에 PDMS 소자.
4. 초음파 처리 60 분 비드 서스펜션. 충전에 초음파 목욕 전에. 10 μl의 비드 현탁액을 피펫 (300 nm의 비 기능화 된 실리카는 수광고 또는 PAH-PSS 층과 500 nm의 실리카 카복실 비드, 또는 흡입구 (4) 및 (6)에 PSS 층과 500 nm의 실리카 아민 비즈) 각각 (도 1 A, B) 바로에 PDMS 칩 플라즈마 본딩 후 볼 유리 기판. 비드 포장을 향상시키기 위해 피펫 팁과 PDMS 칩에 부드럽게 누릅니다.
   1. 비드 전달 채널을 충전 한 후, 테이프 1과 9 제외한 모든 입구를 다룹니다. . 사용하기 전에 4 ° C에서 3 시간 및 저장을위한 장치를 공기 - 건조 2 콜로이드 자기 조립 과정을 단계별로 개략적 도표를 제공.

DNA의 동 전기 농도 3. 실험

1. 저수지 3, 7 완충 용액 (1 mM의 PB의 10 μL) 및 저장 (5) DNA 샘플 (1 mM의 PB 10 nM의 10 μl를) 작성 및 저수지 2 역 피펫 팁과 부드러운 음의 압력을 , 8, 10 참조 (거품없이 솔루션 채널을 채우기 위해 그림 1B).
2. 압력 균형을 5 분 동안 기다려야 10 리저버 저장조 (2)와도 8 및 10 나노 DNA 10 ㎕를 1 mM의 PB 10 μL를 추가한다. 평형에 도달합니다.
3. 저장조 3, 5, 7, 10 편에 와이어를 삽입한다.
4. 소스 미터 및 Pt 와이어에 연결된 전압 분배기를 이용하여 나노 유체 접합부를 가로 질러 전압을인가한다. 우선 저수지 5, 저수지 3, 7, 10 및 GND에 30 V를 적용합니다.
5. ~ 30 초 후 저수지 (10)에 25 V의 전압을 낮 춥니 다.
6. DNA의 형광 신호를 기록 할 때 샘플의 광표백을 최소화하기 위해 매 5 년주기의 개구와 기계적 셔터를 사용한다.

결과

두 마이크로 간의 자기 조립 된 나노 유체 접합을 포함 PDMS에 집중 기적 칩)는도 1a에 도시된다. 장치의 중앙 채널은 50 ㎛ 폭 비드 전달 채널 (도 1b)을 통해 DNA 시료 용액으로 채워지고 양쪽에 각각 2 완충액 채널 어귀된다. 실리카 콜로이드 현탁액 샘플 완충액 나노 유체 채널 간의 접합을 만들 즉시 플라즈마 본딩 후 비드 전달 채널로 유입된다. 깊...

토론

nanofluidics을 연구 일반 기기 설계 방식에 따라, 우리는 나노 채널의 어레이를 패터닝하는 리소그래피 콜로이드 성 나노 입자의 증착 구동 자기 조립을 사용하는 대신 두 개의 미세 채널에서 나노 유체 사이의 접합을 제작. 비드 전달 채널, 700 nm의 깊이가 100 ㎛의 전체 폭에 비드 전달 채널의 양쪽에 2 ㎛의 폭 nanotraps의 배열 콜로이드 입자를 흐르는 경우에 흐르는 비드 현탁액을 방지 인해 nanotraps에...

자료

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