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Engineering

कोलाइडयन कण की आत्म विधानसभा की प्रक्रिया के माध्यम से उप-50 एनएम Nanofluidic PDMS microfluidic चिप में जंक्शनों बनाना

Published: March 13, 2016 doi: 10.3791/54145
Automatic Translation
1,2, 1, 3, 4, 1,2
1Division of Engineering, New York University Abu Dhabi (NYUAD), 2Department of Chemical and Biomolecular Engineering, New York University Tandon School of Engineering, 3Newomics, Inc., 4Department of Electrical Engineering and Computer Science, Department of Biological Engineering, MIT

Abstract

Polydimethylsiloxane (PDMS) मोल्डिंग और संबंधों के अपने आसानी के साथ-साथ अपनी पारदर्शिता के कारण microfluidic उपकरणों बनाने के लिए प्रचलित निर्माण सामग्री है। PDMS सामग्री की कोमलता के कारण, हालांकि, यह nanochannels के निर्माण के लिए PDMS का उपयोग करने की चुनौती दे रहा है। चैनलों प्लाज्मा संबंध के दौरान आसानी से पतन के लिए करते हैं। इस पत्र में, हम सिलिका कोलाइडयन नैनोकणों के एक वाष्पीकरण संचालित आत्म विधानसभा उप-विधि 50 एनएम दो microchannels के बीच pores के साथ nanofluidic जंक्शनों बनाने के लिए उपस्थित थे। छेद के आकार के रूप में अच्छी तरह nanofluidic जंक्शन की सतह प्रभारी बस आत्म विधानसभा की प्रक्रिया से पहले एक शीशी में इकट्ठे microfluidic युक्ति के बाहर कोलाइडयन सिलिका मनका आकार और सतह functionalization बदलकर ट्यून करने योग्य है। 300 एनएम, 500 एनएम, और 900 एनएम का मनका आकार के साथ नैनोकणों के विधानसभा स्वयं का प्रयोग, यह ~ 45 एनएम एक छेद के आकार, ~ 75 एनएम और 135 एनएम ~ के साथ एक झरझरा झिल्ली के निर्माण के लिए क्रमश: संभव था। बिजली के तहतअल क्षमता है, इस nanoporous झिल्ली शुरू की आयन एकाग्रता ध्रुवीकरण (आईसीपी) एक केशन चयनात्मक झिल्ली के रूप में अभिनय के लिए 15 मिनट के भीतर ~ 1,700 बार से डीएनए ध्यान केंद्रित करने की। इस गैर-पत्थर के छापे nanofabrication प्रक्रिया एक नया एक PDMS microfluidic चिप के अंदर आयनों और अणुओं के nanoscale परिवहन प्रक्रियाओं के अध्ययन के लिए एक ट्यून करने योग्य nanofluidic जंक्शन बनाने का अवसर खुल जाता है।

Introduction

10 2 एनएम - Nanofluidics एक उभरते अनुसंधान (माइक्रो कुल विश्लेषण प्रणाली) μ टीएएस के क्षेत्र 10 1 की लंबाई पैमाने पर जैविक प्रक्रियाओं या आयनों के परिवहन घटना और अणुओं का अध्ययन है। इस तरह के रूप में nanochannels nanofluidic उपकरणों के आगमन के साथ, अणुओं और आयनों के परिवहन प्रक्रियाओं, अभूतपूर्व परिशुद्धता के साथ नजर रखी जा सकता है और चालाकी से अगर जरूरत सुविधाओं है कि केवल जुदाई और पता लगाने के लिए इस लंबाई पैमाने पर उपलब्ध हैं शोषण से। 1,2 के एक इन विशेषता nanoscale सुविधाओं nanochannels में थोक चार्ज (या Dukhin संख्या) के लिए सतह के एक उच्च अनुपात है कि एक प्रभारी असंतुलन का कारण है और आरंभ nanochannel और microchannel के बीच आयन एकाग्रता ध्रुवीकरण (आईसीपी) कर सकता है। 3

Nanofluidic घटना के अध्ययन के लिए एक आम उपकरण प्लेटफ़ॉर्म एक दो microchannel एक जंक्शन के रूप में nanochannels की एक सरणी से जुड़े प्रणाली के होते हैं। 4-6 7 हालांकि, सिलिकॉन उपकरण निर्माण महंगा मास्क और cleanroom सुविधा में प्रसंस्करण की पर्याप्त राशि की आवश्यकता है। 8 ढलाई और प्लाज्मा संबंध, polydimethylsiloxane (PDMS) के माध्यम से उपकरण निर्माण की सुविधा की वजह से व्यापक रूप से 10 microfluidics के लिए एक निर्माण सामग्री के रूप में स्वीकार किया गया है और यह nanofluidics के लिए एक आदर्श सामग्री के रूप में अच्छी तरह से होगा। हालांकि, इसकी कम यंग मापांक के चारों ओर 360-870 केपीए, PDMS चैनल आसानी से प्लाज्मा संबंध दौरान सिमटने बनाता है। 1 है कि मानक photolithography के माध्यम से PDMS उपकरणों के निर्माण के लिए बेहद चुनौतीपूर्ण है, तो nanochannel गहराई 100 एनएम से नीचे हो गया है हो जाएगा, एक चैनल चौड़ाई की आवश्यकता होती है जिसका अर्थ है: nanochannel (गहराई तक चौड़ाई) की न्यूनतम पहलू अनुपात कम से कम 10 हो गया है photolith की वर्तमान सीमा से कमपर लगभग 1 माइक्रोन ography। इस सीमा को पार करने के लिए, वहाँ ऐसे प्लाज्मा उपचार के बाद 78 एनएम 11 या फार्म के लिए झुर्रियों का मतलब गहराई के साथ दरारें आरंभ करने के लिए खींच के रूप में PDMS में nanochannels गैर lithographical तरीकों का उपयोग कर बनाने के लिए प्रयास किया गया है। 12 यांत्रिक दबाव के साथ एक PDMS चैनल अनुमति ढहने एक nanochannel ऊंचाई 60 एनएम के रूप में के रूप में कम। 13

हालांकि इन अत्यधिक आविष्कारशील गैर lithographic तरीके 100 एनएम से नीचे इमारत nanochannels अनुमति गहराई में, nanochannel निर्माण के आयामी controllability अभी भी nanofluidic उपकरणों के लिए एक निर्माण सामग्री के रूप PDMS की एक व्यापक स्वीकृति के लिए एक बाधा बन गया है। nanochannels का एक अन्य महत्वपूर्ण समस्या है, चाहे सिलिकॉन या PDMS में, मामले में सतह functionalization आयनों या अणुओं के हेरफेर के लिए चैनल की दीवार पर सतह प्रभारी को बदलने के लिए एक की जरूरत है। बाद संबंधों के माध्यम से विधानसभा डिवाइस, nanochannels करने के लिए बेहद मुश्किल हो जाता हैप्रसार-सीमित परिवहन की वजह से सतह functionalization के लिए पहुंच जाते हैं। उच्च आयामी निष्ठा और सतही सतह functionalization के साथ एक nanoscale चैनल बनाने के लिए, microfluidic उपकरणों में वाष्पीकरण 14-16 से प्रेरित कोलाइडयन कण की आत्म विधानसभा विधि होनहार तरीकों में से एक हो सकता है। ताकना आकार और सतह संपत्ति के controllability के अलावा, वहाँ भी धुन करने के लिए एक संभावना ताकना में सीटू जब तापमान 17 पीएच, 18,19 और ईओण ताकत को नियंत्रित करने से polyelectrolytes के साथ लेपित कोलाइडयन कण का उपयोग करने का आकार है। क्योंकि इनमें से 18 electrochromatography, 20 biosensors, 21 प्रोटीन एकाग्रता 22 और microfluidics में प्रोटीन और डीएनए की जुदाई। 14,23 इस अध्ययन में लिए फायदे, कोलाइडयन कण की आत्म विधानसभा पद्धति पहले से ही पाया गया है अनुप्रयोगों, हम इस विधानसभा स्वयं एक का निर्माण करने की विधि तैनात में electrokinetic preconcentration डिवाइसPDMS कि दो microchannels के बीच एक nanofluidic जंक्शन की आवश्यकता है। 24 electrokinetic एकाग्रता के पीछे मौलिक तंत्र आयन एकाग्रता ध्रुवीकरण (आईसीपी) पर आधारित है। 25 निर्माण और विधानसभा कदम का एक विस्तृत विवरण निम्नलिखित प्रोटोकॉल में शामिल है।

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Protocol

1. सिलिका कोलाइडयन मनका निलंबन की तैयारी

  1. 300 एनएम और 500 एनएम सिलिका मनका निलंबन की तैयारी
    1. भंवर 30 सेकंड के लिए सिलिका मनका शेयर निलंबन (10% w / पानी में वि)। एक सजातीय निलंबन प्राप्त करने के लिए। 1 मिनट के लिए 2600 XG पर एक 1.5 मिलीलीटर ट्यूब और यह सेंट्रीफ्यूज में 600 μl शेयर निलंबन की कुल पिपेट।
    2. 1 मिमी सोडियम फॉस्फेट बफर (पंजाब, 7.0 पीएच) के 400 μl के साथ सतह पर तैरनेवाला स्थानापन्न है।
    3. एक अंतिम पीएच 7.0 से 1 मिमी सोडियम फास्फेट समाधान में 15% की एकाग्रता के माध्यम से vortexing में सिलिका मोती निलंबित।
  2. पाली के साथ सतह functionalize 500 एनएम सिलिका carboxyl मोती (allylamine हाइड्रोक्लोराइड, पीएएच), और पाली के साथ (सोडियम styrene सल्फ़ोनेट, पीएसएस) polyelectrolytes
    1. 1% के लिए 10 मिलीलीटर 1 एम NaCl (पीएच 7.0) (डब्ल्यू / वी) मनका निलंबन के साथ carboxyl समूह के साथ 500 एनएम सिलिका मोतियों की 0.1 ग्राम निलंबित।
    2. 1 एम एनएसी में 0.4% पीएएच (मेगावाट 65K) तैयार1 एम NaCl के 15 मिलीलीटर (पानी में वी 20% w /) शेयर समाधान के 300 μl भंग द्वारा एल। 20 मिलीलीटर 1 एम NaCl समाधान में 0.18 जी पीएसएस भंग द्वारा 1 एम NaCl समाधान में 0.9% पीएसएस (मेगावाट -70) तैयार करें। भंवर दोनों 1 मिनट के लिए समाधान। polyelectrolytes पूरी तरह से भंग करने के लिए।
    3. carboxyl कार्यात्मक समूह के साथ सिलिका मनकों पर एक सकारात्मक आरोप लगाया polyelectrolyte परत जमा करने के लिए एक 15 मिलीलीटर ट्यूब में 1% सिलिका carboxyl मोतियों की 9.8 मिलीलीटर पीएएच समाधान के 200 μl जोड़ें। 1 मिनट के लिए मनका निलंबन भंवर। और 60 मिनट के लिए एक ट्यूब रोटेटर पर सेते हैं। आरटी पर।
    4. 1 मिनट के लिए 1,801 XG पर मनका निलंबन अपकेंद्रित्र। और 10 मिलीलीटर डि पानी के साथ अपार पीएएच पांच बार से धो लो। प्रत्येक सेंट्रीफ्यूज और सतह पर तैरनेवाला को हटाने के बाद, मोती घनी ट्यूब के नीचे पैक किया गया। इतना है कि मोती फिर से निलंबित किया जा सकता है और अगले सेंट्रीफ्यूज कदम से पहले धोया डि पानी के 8 मिलीलीटर जोड़ने से पहले डि पानी के 2 मिलीलीटर के साथ जोरदार pipetting द्वारा मनका पेड़ों का झुरमुट बाधित।
    5. का पालन करेंपीएसएस कोटिंग के लिए 1.2.3 और 1.2.4 में कदम मनकों पर एक नकारात्मक आरोप लगाया परत जमा करने के लिए। 1.2.4 के 5 वें धोने कदम से डि पानी सतह पर तैरनेवाला हटाने के बाद पीएसएस बयान से पहले 1 एम NaCl के 9.8 मिलीलीटर में मोती फिर से निलंबित।
      1. 1 एम NaCl के 2 मिलीलीटर का उपयोग कर 15 मिलीलीटर ट्यूब के नीचे मनका पेड़ों का झुरमुट को तोड़ने के लिए और फिर 1 एम NaCl के 8 मिलीलीटर जोड़ने ही जोरदार pipetting कदम का प्रयोग करें। सिलिका मोती एक भी पीएएच परत के साथ जमा की 9.8 मिलीलीटर पीएसएस समाधान के 200 μl जोड़ें। 1 मिनट के लिए vortexing के बाद। और 60 मिनट के लिए ऊष्मायन। ट्यूब रोटेटर पर, डि पानी के साथ कपड़े धोने 5 चरणों को दोहराएँ।
      2. उपाय से पहले और प्रत्येक polyelectrolyte कोटिंग के बाद मोतियों की जीटा संभावित polyelectrolyte बयान प्रक्रिया सही ढंग से प्रदर्शन किया गया है सत्यापित करने के लिए एक गतिशील प्रकाश बिखरने निर्माता प्रोटोकॉल के अनुसार प्रणाली का उपयोग (1 टेबल देखें)।
    6. एकल पीएसएस परत निम्नलिखित डि पानी के साथ कपड़े धोने पांच चरणों को दोहराएँबयान और 0.05% के बीच 20 (15% w / v) microfluidic डिवाइस में उपयोग करने से पहले अपने flowability बढ़ाने के साथ 1 मिमी सोडियम फॉस्फेट बफर के 650 μl में मोती फिर से निलंबित।
  3. प्रक्रिया अमाइन कार्यात्मक समूह के साथ 500 एनएम सिलिका मोती के लिए 1.2.6 के लिए पीएसएस की एक परत जमा करने के लिए 1.2.5 से ऊपर वर्णित का पालन करें।

2. PDMS microfluidic चिप का निर्माण

  1. सिलिकॉन मास्टर की microfabrication
    1. microfabrication तकनीक का उपयोग कर के रूप में निम्नानुसार PDMS ढलाई के लिए सिलिकॉन मास्टर बनाना।
      1. स्पिन कोट एक सिलिकॉन वेफर पर 4000 rpm पर एक 1 माइक्रोन से पतली photoresist। पैटर्न परत प्रक्षेपण लिथोग्राफी (जोखिम समय 170 मिसे।) और 700 एनएम गहरी और 2 माइक्रोन विस्तृत तलीय nanochannels खोदना का उपयोग कर प्रतिक्रियाशील आयन नक़्क़ाशी के साथ (सिलिका मोती के लिए nanotraps के रूप में अभिनय)।
      2. स्विस फ्रैंक 3 (45 SCCM: 3.5 एनएम / एस के एक खोदना दर हासिल करने के लिए निम्न नक़्क़ाशी मापदंडों का उपयोग), सीएफ 4 (15 SCCM), Ar (100 SCCM), दबाव 100 mTorr, आरएफ शक्ति 200 डब्ल्यू
    2. स्पिन कोट 2,000 आरपीएम पर दूसरी 1 माइक्रोन मोटी परत photoresist और पहले नमूनों nanotraps करने के लिए एक संरेखण प्रदर्शन करते हैं। पैटर्न संपर्क लिथोग्राफी के माध्यम से microchannels और सिलिकॉन के गहरे प्रतिक्रियाशील आयन नक़्क़ाशी (DRIE) द्वारा। का प्रयोग करें DRIE तालिका 2 में पैरामीटर 26।
  2. PDMS मोल्ड के निर्माण
    1. एक वैक्यूम जार हे / एन में trichlorosilane (50 μl) के साथ सिलिकॉन मास्टर Silanize।
      चेतावनी: Tricholorosilane एक विषैले और संक्षारक सामग्री है। हमेशा उचित व्यक्तिगत सुरक्षा उपकरणों के साथ एक रासायनिक हुड में इस्तेमाल करते हैं।
    2. 10 में इलाज एजेंट को आधार मिक्स: silanized सिलिकॉन मास्टर पर 1 के अनुपात और कलाकारों PDMS और एक संवहन ओवन में 2 घंटे के लिए 70 डिग्री सेल्सियस पर इसे इलाज।
    3. एक पी एल के बाद एक प्लाज्मा क्लीनर का उपयोग करने के लिए एक चाकू और प्लाज्मा बांड एक खाली वेफर पर इसके साथ सिलिकॉन मास्टर से PDMS स्लैब हटाये1 मिनट के लिए एक प्लाज्मा क्लीनर में Asma उपचार। निम्नलिखित PDMS कास्टिंग कदम के लिए एक विभाजन रेखा को चिह्नित करने के बढ़त के साथ टेप संलग्न।
    4. साथ trichlorosilane (50 μl) हे / एन एक वैक्यूम जार में PDMS मोल्ड Silanize।
    5. कास्ट PDMS (आधार: 1 अनुपात: 10 में इलाज के एजेंट) silanized PDMS मोल्ड पर और एक संवहन ओवन में 2 घंटे के लिए 70 डिग्री सेल्सियस पर इसे इलाज।
  3. PDMS डिवाइस का निर्माण
    1. विभाजन रेखा टेप के साथ चिह्नित साथ PDMS मोल्ड से ठीक PDMS स्लैब दूर छील।
    2. 1.5 मिमी बायोप्सी पंच, एक टेप के साथ स्वच्छ जलाशय के साथ पंच छेद, isopropyl शराब (आईपीए) और नाइट्रोजन के साथ सूखी से कुल्ला।
    3. प्लाज्मा बंधन 1 मिनट के लिए एक प्लाज्मा क्लीनर में एक प्लाज्मा उपचार के बाद एक 25 मिमी x 75 मिमी माइक्रोस्कोप गिलास स्लाइड पर PDMS डिवाइस।
  4. Ultrasonicate 60 मिनट के लिए मनका निलंबन। एक अल्ट्रासोनिक स्नान में भरने से पहले। एक 10 μl मनका निलंबन पिपेट (300 एनएम गैर-क्रियाशील हो सिलिकाविज्ञापन, या पीएएच-पीएसएस परतों के साथ 500 एनएम सिलिका carboxyl मोती, या inlets 4 और 6 में एक पीएसएस परत के साथ 500 एनएम सिलिका अमाइन मोती) प्रत्येक (चित्रा 1 देखें ए, बी) के लिए तुरंत एक PDMS चिप के प्लाज्मा संबंध के बाद कांच सब्सट्रेट। मनका पैकिंग को बढ़ाने के लिए एक विंदुक टिप के साथ PDMS चिप पर धीरे टैप करें।
    1. मनका वितरण चैनलों को भरने के बाद, 1 और 9 टेप के साथ के लिए छोड़कर सभी inlets को कवर किया। 3 घंटा और दुकान 4 डिग्री सेल्सियस पर उपयोग करने से पहले डिवाइस के लिए हवा शुष्क। चित्रा 2 कोलाइडयन आत्म विधानसभा की प्रक्रिया का एक कदम-दर-कदम योजनाबद्ध देता है।

3. डीएनए के Electrokinetic एकाग्रता के लिए प्रयोग

  1. जलाशयों 3, 7 एक बफर समाधान के साथ (1 मिमी पंजाब के 10 μl) और जलाशय 5 एक डीएनए नमूने के साथ (1 मिमी पंजाब में 10 एनएम के 10 μl) भरें और जलाशयों 2 पर एक औंधा विंदुक टिप के साथ एक सज्जन नकारात्मक दबाव लागू , 8 और 10 के बुलबुले के बिना समाधान के साथ चैनलों को भरने के लिए (देखें
  2. 10 जलाशय के दबाव संतुलन और 5 मिनट के लिए इंतजार करने के लिए जलाशयों 2 और 8 और 10 एनएम डीएनए के 10 μl के लिए 1 मिमी पंजाब के 10 μl जोड़ें। संतुलन तक पहुँचने के लिए।
  3. जलाशयों 3, 5, 7, 10 में पं तारों डालें।
  4. nanofluidic जंक्शन एक स्रोत मीटर और पं तारों से जुड़ा एक वोल्टेज विभक्त का उपयोग कर भर में वोल्टेज लागू करें। सबसे पहले जलाशयों 5, 10 और GND जलाशयों 3, 7 पर 30 वी लागू होते हैं।
  5. बाद ~ 30 सेकंड जलाशय 10 पर 25 वी करने के लिए वोल्टेज कम।
  6. जब डीएनए से प्रतिदीप्ति संकेतों रिकॉर्डिंग नमूना की photobleaching को कम से कम करने के लिए हर 5 एस में एक आवधिक खोलने के साथ एक यांत्रिक शटर का प्रयोग करें।

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Representative Results

PDMS में एक electrokinetic concentrator चिप है कि दो microchannels के बीच एक आत्म इकट्ठे nanofluidic जंक्शन शामिल हैं) चित्रा 1 ए में दिखाया गया है। डिवाइस के बीच में चैनल एक डीएनए नमूने समाधान के साथ भरा और एक 50 माइक्रोन विस्तृत मनका वितरण चैनल (चित्रा 1 बी) के माध्यम से प्रत्येक पक्ष पर दो बफर समाधान चैनलों से घिरे हुए है। सिलिका कोलाइडयन निलंबन मनका वितरण चैनल में भेजा जाता है तुरंत प्लाज्मा संबंध के बाद नमूना और बफर समाधान चैनल के बीच एक nanofluidic जंक्शन बनाने के लिए। nanotrap 700 एनएम गहरी और 2 माइक्रोन विस्तृत nanochannels से मिलकर सरणी फंसाने के लिए कोलाइडयन कण प्रयोग किया जाता है। इसके स्कैन एक गैर संपर्क सतह प्रोफाइलर के साथ प्राप्त की छवि) चित्रा 1C में दिखाया गया है। वाष्पीकरण के बाद कोलाइडयन मनका झिल्ली चित्रा -1 में दिखाया गया है)। चित्रा 1E में SEM) सिलिका मोती जाल से पता चलता हैतलीय nanotrap सरणी मनका वितरण चैनल से नमूना चैनल को अलग करने में ped। 300 एनएम सिलिका मनका पैकिंग अत्यधिक कुछ मामूली दोष है कि एकाग्रता व्यवहार (चित्रा 1F) में एक बदलाव का कारण बन सकता हेक्सागोनल साथ पैकिंग का आदेश दिया दिखाता है। उसके आयामों के साथ PDMS concentrator चिप के डिजाइन पाया जा सकता है यहाँ और पूरक फाइलों में।

आकृति 1
एक एकीकृत उप 50 एनएम nanoporous जंक्शन के साथ PDMS में चित्रा 1. Microfluidic concentrator। (ए) PDMS concentrator डिवाइस के फोटो। (बी) नमूना और बफर समाधान चैनल के बीच एक मनका वितरण चैनल के साथ सूक्ष्म nanofluidic डिवाइस के योजनाबद्ध। वोल्टेज नमूना चैनल और बफर समाधान चर्चा के बीच मनका झिल्ली भर में लागू किया जाता हैannels। (सी) 2 माइक्रोन की चौड़ाई और 700 एनएम की गहराई के साथ PDMS में nanotrap सरणी की सतह प्रोफ़ाइल। (डी) वाष्पीकरण के बाद मनका वितरण चैनल के अंदर एक कोलाइडयन कण विधानसभा के साथ डिवाइस की सूक्ष्मछवि। (ई) नमूना के बीच nanotrap सरणियों के साथ आत्म इकट्ठे 300 एनएम सिलिका कोलाइडयन कण की स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन माइक्रोग्राफ और चैनल बफर। 300 एनएम मोती तनाव सतह के कारण nanotraps के प्रवेश द्वार पर फंस रहे हैं। (एफ) Hexagonally वाष्पीकरण के बाद मनका वितरण microchannel अंदर 300 एनएम सिलिका मोती पैक। (रेफरी से अनुकूलित। रसायन विज्ञान की रॉयल सोसायटी की ओर से अनुमति के साथ 25) यह आंकड़ा का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।

PDMS concentrato के लिए microfabrication कदम का एक योजनाबद्धआर डिवाइस चित्रा 2 में दिखाया गया है। एक PDMS युक्ति बनाने के लिए, एक डबल PDMS कास्टिंग की आवश्यकता है। PDMS concentrator में मनका भरने की प्रक्रिया में 3 चित्र में दिखाया गया है। Microfabrication और भरने की प्रक्रिया के लिए विवरण प्रोटोकॉल में पाया जा सकता है। बिना और polyelectrolyte कोटिंग के साथ सिलिका मोतियों की जीटा संभावित तालिका 1 में दिखाया गया है।

चित्र 2
चित्रा 2. सिलिकॉन मास्टर, PDMS मास्टर और PDMS concentrator डिवाइस के लिए निर्माण की प्रक्रिया के योजनाबद्ध। दो photolithographic और नक़्क़ाशी कदम के बाद, सिलिकॉन मास्टर PDMS साथ डाली है। एक डबल ढलाई के बाद, PDMS डिवाइस प्लाज्मा संबंध के माध्यम से इकट्ठा किया और एक मनका निलंबन से भरा है। यह आंकड़ा का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।


चित्रा 3. कदम-दर-कदम कोलाइडयन सिलिका मोतियों की आत्म विधानसभा के लिए योजनाबद्ध। मनका निलंबन के 10 μl तुरंत प्लाज्मा उपचार के बाद मनका वितरण चैनलों के लिए pipetted में किया गया था। एक बार मनका वितरण चैनल भरा हुआ था, लेकिन सभी दो inlets 1 और 9 टेप और उपकरणों हवा 3 घंटा पहले का उपयोग करने के लिए सूखे के साथ कवर किया गया। (रसायन विज्ञान की रॉयल सोसायटी की ओर से अनुमति के साथ रेफरी से reproduced। 25) यह आंकड़ा का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।

कोलाइडयन कण (500 एनएम) जीटा संभावित (एम वी)
सिलिका -२.०४
सिलिका अमाइन 19.6
सिलिका carboxyl -१९.७३
सिलिका गarboxyl, पीएएच लेपित 31.8
सिलिका carboxyl, पीएएच, पीएसएस लेपित -28.5
सिलिका अमाइन, पीएसएस लेपित -३१.२

25 डिग्री सेल्सियस पर सिलिका मोतियों की तालिका 1. जीटा संभावित। 0.1% (w / v) कोलाइडयन समाधान मापन के लिए इस्तेमाल किया गया (एन = 3)।

के रूप में चित्रा 4 में दिखाया गया SEM बाहर सुखाने के बाद मनका पैकिंग चैनल से लिए गए चित्रों, 60 एनएम, 91 एनएम और 170 एनएम के बीच लेकर एक छेद के आकार को दिखाने के लिए। ताकना आकार मनका आकार का लगभग 20%, 300 एनएम, 500 से मेल खाती है एनएम और 900 एनएम, क्रमशः (मनका व्यास का 15% सैद्धांतिक ताकना आकार है)।

चित्रा 4
चित्रा 4. आत्म इकट्ठे 300 एनएम (ए), 500 एनएम के SEM छवियों (बी) और 900 एनएम (सी) सिलिका कोलाइडयन मनका पैकिंग। PDMS उपकरणों reversibly गिलास स्लाइड और मोती चैनल नकारात्मक दबाव का उपयोग करने में प्रवाहित करने के लिए बंधुआ थे। बाद हवा सुखाने उपकरणों हे / एन, PDMS उपकरणों ध्यान से कांच की खुली और imaged थे। यह ध्यान में लीन होना आकार, 60 ± 2 होने का अनुमान लगाया गया था 91 ± 5 और क्रमश: 300 एनएम, 500 एनएम और 900 एनएम मोती के लिए 170 ± 7 एनएम (एन = 9)। ये ध्यान में लीन होना आकार, सैद्धांतिक आकार के करीब थे ~ 15 मनका व्यास का%। (रेफरी से अनुकूलित। रसायन विज्ञान की रॉयल सोसायटी की ओर से अनुमति के साथ 25) यह आंकड़ा का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।

जब 300 एनएम मनका झिल्ली भर में 30 वी की वोल्टेज लागू करने, एक आयन कमी जोन एक से भरा एक microchannel अंदर कोलाइडयन झिल्ली के पास मनाया गयाफ्लोरोसेंट लेबल डीएनए (चित्रा 5 ए, बी)। जब बाईं ओर 25 वी करने के लिए वोल्टेज कम करने, डीएनए अणु एक प्लग के रूप में जमा हो गया और अपनी एकाग्रता electroosmotic (चित्रा 5 सी नमूना चैनल भर में 30 वी 25 वी के एक वोल्टेज अंतर द्वारा संचालित प्रवाह के कारण बढ़ , डी)।

चित्रा 5
चित्रा 5. समय चूक micrographs डीएनए (10 एनएम की प्रारंभिक एकाग्रता) के साथ भरा चैनल में nanofluidic कोलाइडयन जंक्शनों के पास एक आयन रिक्तीकरण क्षेत्र के गठन दिखा। आयन रिक्तीकरण क्षेत्र टी = 10 एस और एक केंद्रित डीएनए प्लग में शुरू किया गया था V2 पर उत्पन्न किया गया था 30 वी = और V1 = 25 वी नमूना चैनल पार जबकि बफर चैनलों पर आधारित थे। बिंदीदार रेखा चैनलों दीवारों उजागर करने के लिए इस्तेमाल किया गया है। ~ 1,700 परतों के एक एकाग्रता कारक 15 मिनट के भीतर हासिल की थी। Uएक 300 एनएम कोलाइडयन झिल्ली गाते हैं। (रसायन विज्ञान की रॉयल सोसायटी की ओर से अनुमति के साथ रेफरी से reproduced। 25) यह आंकड़ा का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।

एनएम 5 के लिए Cy ~ पर सर्वोच्च एकाग्रता कारक दिखाया 1,700 बार 300 एनएम और 500 का मनका आकार के साथ सिलिका झिल्ली टैग की डीएनए (सीएए CCG ATG सीसीए बिल्ली बिल्ली टैग सीटीए सी) 15 मिनट के भीतर। (चित्रा 6 ए, बी)। polyelectrolyte लेपित सिलिका मनका झिल्ली 15 मिनट के बाद डीएनए एकाग्रता में 200 से 1,000 गुना वृद्धि हुई है। (चित्रा 6 सी, डी)।

चित्रा 6
(ए) 300 एनएम सिलिका मोती (बी) 500 एनएम सिलिका मोती के लिए समय के एक समारोह के रूप में डीएनए की चित्रा 6 प्रतिदीप्ति तीव्रता एकडी (सी) 500 एनएम पीएसएस लेपित सिलिका अमाइन मोती और (डी) 500 एनएम पीएएच / पीएसएस लेपित सिलिका carboxyl मोती। बिंदीदार रेखा 10 एनएम (ए, बी, सी, डी), 17 माइक्रोन के लिए प्रतिदीप्ति संकेत तीव्रता के स्तर का प्रतिनिधित्व (ए, बी), 2 माइक्रोन (सी) और 10 माइक्रोन (डी) डीएनए। परिणाम पृष्ठभूमि प्रतिदीप्ति के खिलाफ सामान्यीकृत किया गया है। (रसायन विज्ञान की रॉयल सोसायटी की ओर से अनुमति के साथ रेफरी से reproduced। 25) यह आंकड़ा का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।

प्रक्रिया समय खोदना मोड passivation मोड
प्रक्रिया समय 6 रों 4.5 रों
उग आया 0.5 एस 0 एस
पट्ट जनरेटर पावर 80 W 60 डब्ल्यू
कुंडल जनरेटर पावर 600 W 600 W
गैस एस एफ 6 70 SCCM सी एफ 4 8 35 SCCM
खोदना दर 1.47 माइक्रोन / मिनट

तालिका 2 DRIE मापदंडों।

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Discussion

nanofluidics अध्ययन करने के लिए आम उपकरण डिजाइन योजना के बाद, हम कोलाइडयन नैनोकणों के वाष्पीकरण से चलने वाली विधानसभा स्वयं उपयोग करने के बजाय पत्थर के छापे से छापने से nanochannels की एक सरणी patterning द्वारा दो microfluidic चैनलों के बीच एक nanofluidic जंक्शन गढ़े। जब मनका वितरण चैनल, 700 एनएम की गहराई और 100 माइक्रोन की कुल चौड़ाई में मनका वितरण चैनल के दोनों किनारों पर 2 माइक्रोन की चौड़ाई के साथ nanotraps की एक सरणी में कोलाइडयन कण बहने में बहने से मनका निलंबन रोका nanotraps पर सतह तनाव के कारण बफर और नमूना चैनल। एक बार फंस, कोलाइडयन कण तेजी से मनका वितरण चैनल में पैक किया और नमूना के बीच एक nanoporous जंक्शन का गठन किया और चैनल बफर।

यह प्लाज्मा संबंध के तुरंत बाद मनका निलंबन लोड करने के लिए बहुत महत्वपूर्ण है कि केशिका बल आउटलेट आर के प्रवेश द्वार तक ड्राइव सिलिका मनका निलंबनअस्थायी रूप से हाइड्रोफिलिक मनका वितरण चैनल में eservoirs। आदेश में एक हवा प्रवेश जलाशय में प्रवाह अवरुद्ध बुलबुले को रोकने के लिए, यह अत्यधिक की एक विंदुक टिप के साथ जलाशय के तल तक पहुंचने और फिर जलाशय में मनका निलंबन जारी करने के लिए सिफारिश की है। polyelectrolytes के साथ सतह-क्रियाशील मोती के मामले में, उनके flowability काफी सतह functionalization बिना सिलिका मोतियों की तुलना में और अधिक आसानी से समग्र और भरने की प्रक्रिया के दौरान चैनल सतह का पालन करने की प्रवृत्ति कम हो गया था। आदेश polyelectrolyte लिपटे मोतियों के साथ चैनल के एक clogging रोकने के लिए, हम मनका निलंबन के बीच 20 एक surfactant कहा, 0.05%,। मामले में वहाँ अभी भी भरने के दौरान एक clogging समस्या थी, एक विंदुक टिप के साथ PDMS चिप पर एक कोमल दोहन आम तौर पर इसे हल करने में मदद की।

इसके अलावा, यह महत्वपूर्ण है कि मनका निलंबन पूरी तरह से वाष्पीकरण के बाद बाहर सूख नहीं किया गया था के बाद से यह inf के लिए मुश्किल होगाफिर सोडियम फॉस्फेट बफर समाधान के साथ मनका झिल्ली iltrate। इसलिए, आंशिक वाष्पीकरण के 3 घंटे के बाद, सभी में और PDMS डिवाइस की दुकानों के टेप और मनका पैकिंग नम रहता है इसलिए उपयोग करने से पहले भंडारण के लिए 4 डिग्री सेल्सियस पर रखा गया था। preconcentration प्रयोगों के दौरान, आत्म इकट्ठे मनका अधिकांश भाग के लिए अपनी संरचनात्मक स्थिरता को बनाए रखा। हालांकि, कुछ मामलों में, हम मोती जो microchannels में मोतियों की एक दोषपूर्ण पैकिंग संकेत दिया की एक अव्यवस्था मनाया। आत्म इकट्ठे सिलिका आत्म विधानसभा के बाद 300 एनएम के लिए नीचे 900 एनएम के एक व्यास से लेकर मोती चित्रा 4. मनका पैकिंग था ~ 45 एनएम के सैद्धांतिक ताकना आकार में देखा जा सकता है, कोलाइडयन कण के लगभग ~ 15% व्यास। हम एक SEM विश्लेषण का उपयोग छेद के आकार की पुष्टि करें और पैकिंग के बाद एक छेद के आकार लगभग मनका व्यास के 20% मापा सकता है।

एक के रूप में आत्म इकट्ठे 300 एनएम और 500 एनएम कोलाइडयन कण झिल्ली का प्रयोग आयन चयनात्मक NAnoporous जंक्शन, हम 30 वी में आयन रिक्तीकरण क्षेत्र आरंभ और ध्यान केंद्रित 10 एनएम Cy5 1 मिमी सोडियम फॉस्फेट बफर में टैग डीएनए (सीएए CCG ATG सीसीए बिल्ली बिल्ली टैग सीटीए सी) (चित्रा 5) कर सकता है। लगातार एक वोल्टेज अंतर वी वी 2 1 = 5 वी, हम 15 मिनट के भीतर ~ 1,700 परतों द्वारा प्रारंभिक डीएनए एकाग्रता में वृद्धि कर सकता पर एक electroosmotic प्रवाह के साथ आयन कमी क्षेत्र की ओर डीएनए नमूने बह द्वारा। (चित्रा 6A, ख)। 500 एनएम मोती, 300 एनएम मोतियों से अधिक मजबूत डीएनए एकाग्रता अनुमति के रूप में चित्रा 6B) में दिखाया गया है। चूंकि electrokinetic एकाग्रता electroosmotic बल और अत्यधिक nonlinear electrophoretic बलों के बीच एक शक्ति संतुलन पर आधारित है, जिसके परिणामस्वरूप एकाग्रता कारक है जो करने के लिए इस बल संतुलन electrokinetic एकाग्रता के दौरान बनाए रखा जा सकता डिग्री से निर्धारित होता है। 27

एक nanofluidic जंक्शन के निर्माण के लिए कोलाइडयन कण की तैनाती का एक अन्य महत्वपूर्ण लाभ है जो अपनी surfac के साथ सहज हैई functionalization किया जा सकता है। इसके बजाय पहले संबंधों के माध्यम से एक nanochannel बनाने और फिर उस पर एक सतह functionalization प्रदर्शन करने में, हम केवल डिवाइस के बाहर एक शीशी में कोलाइडयन कण functionalize पहली सतह और फिर उन्हें आत्म विधानसभा के लिए चैनल में प्रवाह कर सकते हैं। इस दृष्टिकोण के आधार पर हम, कम वोल्टेज पर 500 एनएम सिलिका कणों अमाइन पीएसएस की एक परत और 500 एनएम सिलिका carboxyl कणों की पीएएच और पीएसएस (चित्रा 6 सी और डी) एक परत के साथ लेपित के साथ लेपित का उपयोग कर आईसीपी आरंभ कर सकता है (8 वी और 10 वी, क्रमशः) सतह functionalization (30 वी) के बिना कोलाइडयन कण की तुलना में। इस परिणाम से पता चलता है कि स्वयं विधानसभा के लिए पहले कोलाइडयन कणों की सतह functionalization कोलाइडयन कणों की सतह प्रभारी बढ़ाने के लिए प्रभावी था और उच्च आईसीपी में हुई। हालांकि, concentrator कारक प्राप्त करने के मामले में, सतह क्रियाशील मोतियों की nanofluidic जंक्शन गैर-क्रियाशील सी की तुलना में कम प्रभावी थाLica मोती। अमाइन / पीएसएस लिपटे मोतियों ~ 200 का एक पहलू सक्षम है, जबकि carboxyl / पीएएच / पीएसएस मनका झिल्ली 15 मिनट के बाद एक 1000 गुना वृद्धि देखी गई। (चित्रा 6D)। यह नतीजा है, कम स्थिर एकाग्रता के लिए सतह क्रियाशील nanopores कि आयन रिक्तीकरण क्षेत्र नमूना एकाग्रता प्लग धकेलने आगे मनका झिल्ली से दूर है और इसलिए की एक वृद्धि की लंबाई करने के लिए नेतृत्व के एक उच्च सतह प्रभारी द्वारा समझाया जा सकता है। हम मानते हैं कि वर्तमान में 1 मिमी (नमूना चैनल से मनका झिल्ली समानांतर की धारा) से nanoporous मनका झिल्ली की कुल चौड़ाई छोटा इस अस्थिरता मुद्दे को कम कर सकता है। हमारे पिछले अध्ययन के अनुसार, nanoporous जंक्शन की चौड़ाई के माध्यम से यह आयनिक वर्तमान निधन की राशि निर्धारित करता है। 28 चौड़ाई बढ़ जाती है, आयनिक वर्तमान बढ़ जाती है के रूप में और अधिक फैटायनों झिल्ली, कमी लंबाई बढ़ जाती है और एकाग्रता प्लग के माध्यम से विस्थापित कर सकते हैं के बाद से आगे nanoporous जंक्शन से दूर धकेल दिया है। टीherefore, संचय एक कम ही सीमित तरीके से होता है और नमूना प्लग कम स्थिर हो जाता है। अनुभव से, nanoporous जंक्शन चौड़ाई में ~ 100-400 माइक्रोन होना चाहिए। सुधार करने के लिए एक अन्य विशेषता यह नमूना चैनल और मनका वितरण के बीच 15 माइक्रोन के PDMS दीवार की मोटाई एक अपर्याप्त था। इस पतली PDMS खंड एक अपर्याप्त संबंध है कि बफर और नमूना चैनल के बीच एक ईओण वर्तमान सक्षम करने के लिए नेतृत्व किया। इसलिए, नमूना चैनल के लिए पूरे मनका झिल्ली अनुभाग समानांतर (चौड़ाई में 1 मिमी) एक nanoporous जंक्शन के रूप में, यहां तक ​​कि केवल 100 मनका के माइक्रोन nanotrap सरणी की कुल चौड़ाई के अनुसार एक nanoporous जंक्शन झिल्ली के रूप में इरादा था, हालांकि काम कर रहा था। PDMS दीवार मोटाई कम से कम 25 माइक्रोन या अधिक होना चाहिए।

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Acknowledgments

यह काम एनआईएच R21 EB008177-01A2 और न्यूयॉर्क विश्वविद्यालय अबू धाबी (NYUAD) अनुसंधान संवर्धन फंड 2013. हम microfabrication के दौरान उनके समर्थन के लिए एमआईटी MTL के तकनीकी स्टाफ के लिए हमारे धन्यवाद व्यक्त करने और जेम्स वेस्टन और उनके लिए NYUAD की Nikolas Giakoumidis द्वारा समर्थित किया गया SEM तस्वीरें लेने और क्रमश: एक वोल्टेज विभक्त के निर्माण में समर्थन करते हैं। PDMS में उपकरण निर्माण NYUAD की microfabrication कोर सुविधा में आयोजित किया गया। अन्त में, हम वीडियो शूटिंग और संपादन के लिए डिजिटल छात्रवृत्ति के लिए NYUAD केंद्र से रेबेका Pittam को धन्यवाद देना चाहूंगा।

Materials

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

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References

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इंजीनियरिंग अंक 109 आयन एकाग्रता ध्रुवीकरण (आईसीपी) आत्म विधानसभा की प्रक्रिया सिलिका कोलाइड nanofluidics microfluidics electrokinetic एकाग्रता
कोलाइडयन कण की आत्म विधानसभा की प्रक्रिया के माध्यम से उप-50 एनएम Nanofluidic PDMS microfluidic चिप में जंक्शनों बनाना
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Wei, X., Syed, A., Mao, P., Han, J., Song, Y. A. Creating Sub-50 Nm Nanofluidic Junctions in PDMS Microfluidic Chip via Self-Assembly Process of Colloidal Particles. J. Vis. Exp. (109), e54145, doi:10.3791/54145 (2016).

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