Abstract
Polydimetylsiloxan (PDMS) är den rådande byggnadsmaterialet att göra mikroflödessystem enheter på grund av dess enkla gjutning och bindning samt dess öppenhet. På grund av mjukheten hos PDMS materialet, är det emellertid svårt att använda PDMS för att bygga nanokanaler. Kanalerna tenderar att kollapsa lätt under plasma bindning. I detta dokument presenterar vi en avdunstning driven självorganisering metod kolloidal nanopartiklar för att skapa nanofluidic korsningar med sub-50 nm porer mellan två mikro. Porstorleken samt ytladdningen hos den nanofluidic korsningen är avstämbar helt enkelt genom att ändra den kolloidala kiseldioxiden pärlstorlek och ytfunktionalisering utanför den monterade mikroflödessystem enhet i en injektionsflaska innan den självorganiserande processen. Använda självorganisering av nanopartiklar med en pärla storlek på 300 nm, 500 nm och 900 nm, var det möjligt att tillverka ett poröst membran med en porstorlek av ~ 45 nm, ~ 75 nm och ~ 135 nm, respektive. Under elektriskal potential, denna nanoporösa membran inlett jonkoncentration polarisering (ICP) som fungerar som en katjon-selektiv membran för att koncentrera DNA genom ~ 1700 gånger inom 15 minuter. Denna icke-litografiska nanofabrikation processen öppnar upp en ny möjlighet att bygga en avstämbar nanofluidic knutpunkt för studiet av nanotransportprocesser av joner och molekyler inuti en PDMS mikroflödessystem chip.
Introduction
Nanofluidik är ett växande forskningsområde | i TAS (Micro Total Analysis System) för att studera biologiska processer eller transportfenomen av joner och molekyler på längdskalan av 10 januari-10 Februari nm. Med tillkomsten av de nanofluidic verktyg såsom nanokanaler, kan transportprocesser av molekyler och joner övervakas med oöverträffad precision och manipuleras, om det behövs, genom att utnyttja funktioner som bara är tillgängliga på denna längd skala för separation och detektion. 1,2 Ett av dessa karakteristiska nano funktioner är en hög andel av ytan till bulkladdning (eller Dukhin nummer) i nanokanaler som kan orsaka en laddningsobalans och initiera jonkoncentration polarisering (ICP) mellan nanochannel och mikro. 3
En gemensam enhetsplattform för studier av nanofluidic fenomen består av en två-mikrokanalsystemet förbundna genom en matris med nanokanaler som en knutpunkt. 4-6 7 emellertid kiselanordningstillverkning kräver dyra masker och betydande mängd bearbetning i renrumsanläggningen. 8- 10 på grund av att underlätta för enheten tillverkning genom gjutning och plasma bindning, polydimetylsiloxan (PDMS) har allmänt accepterats som byggnadsmaterial för mikrofluidik och det skulle vara ett idealiskt material för nanofluidik också. Men dess låga Youngs modul runt 360-870 kPa, gör PDMS kanalen lätt hopfällbar under plasma bindning. Sidförhållandet av nanochannel (bredd och djup) minst måste vara mindre än 10: 1, vilket innebär att tillverkningen av PDMS-enheter via standard fotolitografi blir extremt utmanande om nanochannel djupet måste vara under 100 nm, vilket kräver en kanalbredd mindre än den nuvarande gränsen för Fotolitograferaography på runt 1 pm. För att övervinna denna begränsning, har det förekommit försök att skapa nanokanaler i PDMS som använder icke-litografiska metoder, såsom sträckning för att initiera sprickor med medeldjup av 78 nm 11 eller för att bilda rynkor efter plasmabehandling. 12 kollapsa en PDMS-kanal med mekaniskt tryck tillåts en nanochannel höjd så låg som 60 nm. 13
Trots dessa mycket uppfinningsrika icke-litografiska metoder tillåtna byggnanokanaler under 100 nm i djup, utgör mått styrbarhet av nanochannel tillverkning fortfarande ett hinder för en bred acceptans av PDMS som byggnadsmaterial för nanofluidic enheter. Ett annat kritiskt problem av de nanokanaler, vare sig i kisel eller PDMS, är ytan funktionalisering i fall det finns ett behov av att ändra ytladdningen på kanalväggen för manipulering av joner eller molekyler. Efter anordningsenheten genom limning, de nanokanaler är extremt svåra attnå för ytan funktionalisering på grund av diffusion begränsade transport. Att skapa en nano kanal med hög dimensionell trohet och enkel yta funktionalisering, kan självorganisering metod för kolloidala partiklar inducerade genom avdunstning 14-16 i mikroflödessystem enheter vara en av de lovande metoder. Förutom möjligheten att kontrollera porstorlek och ytegenskapen, det finns även en möjlighet att avstämma storleken av poren in situ vid användning av kolloidala partiklar belagda med polyelektrolyter genom att styra temperatur, 17 pH, 18,19 och jonstyrka. 18 På grund av dessa fördelar, har den självsammansättningsmetoden av kolloidala partiklar som redan har hittats applikationer för elektrokromatografi, 20 biosensorer, 21 proteinkoncentration 22 och separation av proteiner och DNA i mikrofluidik. 14,23 i denna studie, iordning vi denna självsammansättning metod för att bygga en elektrokinetisk förkoncentrering enheten iPDMS som kräver en nanofluidic korsning mellan två mikro. 24 Den grundläggande mekanismen bakom den elektrokinetiska koncentrationen är baserad på jonkoncentration polarisation (ICP). 25 En detaljerad beskrivning av tillverknings- och monteringssteg ingår i följande protokoll.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Framställning av de Silica Kolloidala Bead Suspensioner
- Framställning av 300 nm och 500 nm kiseldioxid pärla suspensioner
- Vortex kiseldioxiden bead stock suspension (10% vikt / volym i vatten) under 30 sek. för att erhålla en homogen suspension. Pipettera totalt 600 | j, l stamsuspension in i ett 1,5 ml rör och centrifugera den vid 2600 xg under 1 min.
- Ersätta supernatanten med 400 | il av 1 mM natriumfosfatbuffert (PB, pH 7,0).
- Suspendera kiseldioxidpärlor till en slutlig koncentration av 15% i ett mM natriumfosfatlösning vid pH 7,0 genom virvling.
- Yta funktionalisera 500 nm kisel karboxylgrupper pärlor med poly (allylaminhydroklorid, PAH), och med poly (natriumstyrensulfonat, PSS) polyelektrolyter
- Suspendera 0,1 g av 500 nm kiseldioxidpärlor med karboxylgrupp med 10 ml 1 M NaCl (pH 7,0) under 1% (vikt / volym) pärlsuspension.
- Bered 0,4% PAH (MW 65K) i en M Nacl genom upplösning av 300 ul av stamlösning (20% vikt / volym i vatten) i 15 ml 1 M NaCl. Bered 0,9% PSS (MW 70K) i 1 M NaCl-lösning genom att lösa 0,18 g PSS i 20 ml 1 M NaCl-lösning. Vortex båda lösningar för en minut. att upplösa polyelektrolyterna fullständigt.
- Tillsätt 200 pl av PAH-lösning till 9,8 ml av en% kiseldioxid karboxylgrupper pärlor i ett 15 ml rör för att avsätta en positivt laddad polyelektrolyt skikt på kiseldioxidpärlor med karboxylfunktionell grupp. Vortexa kulsuspensionen under 1 min. och inkubera den på ett rör rotator under 60 min. vid RT.
- Centrifugera vulsten suspensionen vid 1801 xg under 1 min. och tvätta bort de obundna PAH fem gånger med 10 ml Dl-vatten. Efter varje centrifug och avlägsnande av supernatanten, pärlorna tätt packade vid botten av röret. Störa pärla klump genom kraftig pipettering med 2 ml avjoniserat vatten före tillsats av 8 ml avjoniserat vatten så att pärlorna kan åter suspenderas och tvättas bort före nästa centrifug steg.
- Följstegen i 1.2.3 och 1.2.4 för PSS beläggning för att avsätta en negativt laddad skikt på pärlorna. Återsuspendera pärlorna i 9,8 ml av 1 M NaCl före PSS nedfall efter avlägsnande av DI-vatten vätskan från 5: e tvättsteget av 1.2.4.
- Använd samma kraftig pipettering steg med användning av 2 ml av en M NaCl för att bryta upp vulsten klump i botten av 15 ml-rör och tillsätt sedan 8 ml av 1 M NaCl. Tillsätt 200 pl PSS lösning till 9,8 ml av kiseldioxid pärlor deponerade med en enda PAH skikt. Efter vortexning under 1 minut. och inkubation under 60 min. på röret rotator, upprepa 5 tvättsteg med DI vatten.
- Mäta zeta-potentialen för pärlorna före och efter varje polyelektrolyt beläggning med användning av en dynamisk ljusspridning system enligt tillverkarens protokoll för att kontrollera polyelektrolyten avsättningsförfarandet har utförts korrekt (se tabell 1).
- Upprepa fem tvättsteg med avjoniserat vatten efter enda PSS skiktetavsättning och återsuspendera pärlorna i 650 | il av 1 mM natriumfosfatbuffert med 0,05% Tween 20 (15% vikt / volym) före användning i mikrofluidanordningen att förbättra dess flytbarhet.
- Följa det förfarande som beskrivits ovan från 1.2.5 till 1.2.6 för 500 nm kiseldioxidpärlor med funktionella amingruppen för att avsätta ett enda skikt av PSS.
2. Tillverkning av PDMS mikroflödes Chip
- Mikrofabrikation av kisel befälhavaren
- Tillverka kisel master för PDMS gjutning med hjälp av mikrotillverkningstekniker enligt följande.
- Spin belägga ett 1 | im tunn fotoresist vid 4000 rpm på en kiselskiva. Mönster lagret med hjälp av projektionslitografi (exponeringstid 170 msek.) Och etsa 700 nm djupa och 2 um breda plana nanokanaler (i egenskap av nanotraps för kiselpärlor) med reaktiv jonetsning.
- Använd följande etsnings parametrar för att uppnå en etsningshastighet av 3,5 nm / s: CHF 3 (45 sccm), CF 4 (15 sccm), Ar (100 sccm), tryck 100 mTorr, RF-effekten 200 W.
- Spin belägga andra ett pm tjockt fotoresistskiktet vid 2000 rpm och utföra en anpassning till de tidigare mönstrade nanotraps. Mönster mikrokanaler via kontakt litografi och djup reaktiv jonetsning (DRIE) av kisel. Använd DRIE parametrar 26 i tabell 2.
- Tillverka kisel master för PDMS gjutning med hjälp av mikrotillverkningstekniker enligt följande.
- Tillverkning av PDMS mögel
- Silaniseras kisel master med triklorsilan (50 | il) i en vakuum jar O / N.
VARNING: Tricholorosilane är en giftig och frätande material. Använd alltid det i en kemisk huva med lämplig personlig skyddsutrustning. - Blanda basen till härdare vid 10: 1 förhållande och gjutna PDMS på silaniserad kisel mästare och bota den vid 70 ° C under 2 timmar i en varmluftsugn.
- Ta bort PDMS platta från kisel mästare med en kniv och plasma obligation det på en tom skiva med hjälp av en plasma renare efter en plasma behandling i en plasma renare under 1 min. Fäst band längs kanten för att markera en partition linje för följande PDMS gjutning steg.
- Silaniseras PDMS mögel i en vakuum burk med triklorsilan (50 | j, l) O / N.
- Gjutna PDMS (bas: härdare på 10: 1 ratio) på silaniserad PDMS mögel och bota den vid 70 ° C under 2 timmar i en varmluftsugn.
- Silaniseras kisel master med triklorsilan (50 | il) i en vakuum jar O / N.
- Tillverkningen av PDMS-enheten
- Dra av härdade PDMS platta från PDMS mögel längs skiljelinjen markerad med bandet.
- Punch reservoar hål med 1,5 mm biopsistans, ren med ett band, skölj med isopropylalkohol (IPA) och torr med kväve.
- Plasma bond PDMS-enheten på en 25 mm x 75 mm mikroskop glasskiva efter en plasmabehandling i en plasma renare under 1 minut.
- Ultrasonicate kulsuspensionen under 60 min. i ett ultraljudsbad innan fyllning. Pipettera en 10 pl pärlsuspension (300 nm icke-funktionaliserad kiseldioxid varaannonser, eller 500 nm kisel karboxylgrupper pärlor med PAH-PSS skikt, eller 500 nm kiseldioxid amin pärlor med en PSS skikt) i inloppen 4 och 6 vardera (se figur 1 A, B) omedelbart efter plasma bindning av PDMS-chip till en glassubstrat. Knacka försiktigt på PDMS-chip med en pipettspets för att förbättra pärla packning.
- Efter fyllning av pärla distributionskanaler omfatta alla inloppen utom en och 9 med tejp. Lufttorka anordningen för 3 h och förvara vid 4 ° C före användning, fig. 2 ger en steg-för-steg-schema över den kolloidala självorganiserande processen.
3. Experiment för Electro Koncentration av DNA
- Fylla reservoarerna 3, 7 med en buffertlösning (10 pl av 1 mM PB) och reservoar 5 med ett DNA-prov (10 | il av 10 nM i 1 mM PB) och tillämpa en mild negativt tryck med en inverterad pipettspets på reservoarer 2 , 8 och 10 för att fylla kanalerna med lösningarna utan bubblor (se
- Tillsätt 10 ul av 1 mM PB till reservoarer 2 och 8 och 10 | il av 10 nM DNA till reservoaren 10 för att balansera trycket och vänta i 5 minuter. att nå jämvikt.
- Sätt i Pt trådarna i reservoarerna 3, 5, 7, 10.
- Applicera spänningen över nanofluidic korsning med hjälp av en spänningsdelare som är ansluten till en källa mätare och Pt ledningar. Först gäller 30 V på reservoarerna 5, 10 och GND på reservoarerna 3, 7.
- Minska spänningen till 25 V på behållaren 10 efter ~ 30 sek.
- Använd en mekanisk slutare med en periodisk öppning i varje 5 s för att minimera fotoblekning av provet vid inspelning av fluorescenssignaler från DNA.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
En elektrokinetisk koncentrator chip i PDMS som innehåller en egenmonterad nanofluidic korsning mellan två mikrokanaler visas i figur 1A). Kanalen i mitten av anordningen är fylld med ett DNA-prov-lösning och flankeras av två buffertlösning kanaler på varje sida via en 50 | im breda vulsten leveranskanal (Figur 1B). Kiseldioxid kolloidal suspension flygs in pärlan leveranskanal direkt efter plasma bindning för att skapa en nanofluidic korsning mellan provet och buffertlösningen kanalen. Den nanotrap array bestående av 700 nm djup och 2 um breda nanokanaler används för att fånga de kolloidala partiklarna. Dess avlästa bilden erhållen med en icke-kontaktytan profiler visas i figur 1C). De kolloidala pärla membran efter indunstning visas i figur 1D). SEM i figur 1E) visar kiselpärlor fällanped på den plana nanotrap array separera provkanalen från pärlan leveranskanal. 300 nm kisel pärla packning visar höggradigt ordnad hexagonal packning med några smärre brister som kan orsaka en variation i koncentration beteende (figur 1F). Kan hittas utformningen av PDMS anriknings chip med dess dimensioner här och i tilläggsfilerna.
Figur 1. Mikroflödesanrikningsverk i PDMS med en integrerad under 50 nm nanoporösa korsning. (A) Foto av PDMS anrikningsanordningen. (B) Schematisk ritning av mikro nanofluidic anordning med en vulst leveranskanal mellan provet och buffertlösningen kanal. Spänningen appliceras över däckfots membranen mellan provkanalen och buffertlösningen channels. (C) Ytprofil av nanotrap array i PDMS med en bredd på 2 | j, m och ett djup av 700 nm. (D) Micrograph av anordningen med en kolloidal partikelsammansättning inuti vulsten leveranskanal efter indunstning. (E) svepelektronmikroskopbild av de själv monterade 300 nm kisel kolloidala partiklar med nanotrap arrayer mellan provet och buffert kanal. De 300 nm pärlor fångas vid ingången till nanotraps på grund av ytspänning. (F) hexagonalt packade 300 nm kiseldioxid pärlor inuti pärlan leverans mikro efter indunstning. (Anpassad från ref. 25 med tillstånd från The Royal Society of Chemistry) Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Ett schema över de mikrotillverkningsstegen för PDMS concentratoR-enheten visas i figur 2. För att göra en PDMS-enhet, är en dubbel PDMS gjutning krävs. Pärlan påfyllning i PDMS anriknings visas i figur 3. Detaljerna för mikro och fyllningsprocessen kan hittas i protokollet. Zeta-potentialen för kiseldioxid-pärlor utan och med polyelektrolyt beläggningen visas i tabell 1.
Figur 2. Schematisk av tillverkningsprocessen för kisel befälhavaren, PDMS master och PDMS anrikningsanordningen. Efter två fotolitografiska och etsningssteg, är kisel mästare kasta med PDMS. Efter en dubbelgjutning, är PDMS enheten monteras via plasma bindning och fylld med en pärla suspension. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 3. Steg-för-steg schema för självorganisering av kolloidala kiseldioxid-pärlor. 10 | il av pärlsuspensionen pipetterades in för att pärlan leveranskanaler omedelbart efter plasmabehandling. När vulsten leveranskanal fylldes, alla utom två inlopp 1 och 9 var täckta med tejp och anordningar lufttorkades under 3 h före användning. (Återges från ref. 25 med tillstånd från The Royal Society of Chemistry) Klicka här för att se en större version av denna siffra.
| Kolloidala partiklar (500 nm) | Zeta-potential (mV) |
| kiseldioxid | -2,04 |
| kiseldioxid amin | 19,6 |
| kiseldioxid karboxyl | -19,73 |
| kiseldioxid carboxyl, PAH belagd | 31,8 |
| Kiseldioxid karboxyl, PAH, PSS belagd | -28,5 |
| Kiseldioxid amin, PSS belagd | -31,2 |
Tabell 1. Zeta potential kiseldioxidpärlor vid 25 ° C. 0,1% (vikt / volym) kolloidala lösningar användes för mätningarna (n = 3).
SEM-bilder tagna från vulsten packningskanalen efter uttorkning visar en porstorlek som varierar mellan 60 nm, 91 nm och 170 nm, såsom visas i figur 4. Porstorleken motsvarar ca 20% av pärlans storlek, 300 nm, 500 nm och 900 nm, respektive (15% av pärldiametern är den teoretiska porstorleken).
Figur 4. SEM-bilder av självmonterade 300 nm (A), 500 nm (B) och 900 nm (C) kolloidal kiseldioxid bead packning. PDMS anordningar reversibelt bundet till glasskivor och pärlor flugit in i kanalen med hjälp av negativt tryck. Efter lufttorkning anordningarna O / N, var PDMS anordningar skalade av glaset noggrant och avbildas. Denna porstorlekar uppskattades vara 60 ± 2, 91 ± 5 och 170 ± 7 nm för 300 nm, 500 nm och 900 nm pärlor respektive (n = 9). Dessa porstorlekar var nära den teoretiska storleken, ~ 15% av pärldiametern. (Anpassad från ref. 25 med tillstånd från The Royal Society of Chemistry) Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Vid tillämpning av spänning på 30 V över 300 nm pärla membran, var en jon utarmningszonen observeras nära kolloidalt membranet i en mikro fylld med enfluorescerande märkt DNA (figur 5 A, B). Vid sänkning av spänningen till 25 V på vänster sida, fick DNA-molekylerna ackumuleras i form av en plugg och dess koncentration ökade till följd av det elektroosmotiska flödet drivs av en spänningsskillnad på 30 V 25 V över provet kanal (Figur 5 C , D).
Figur 5. Tid-lapse mikrofotografier visar bildandet av en jon utarmningsregion nära de nanofluidic kolloidala korsningar i den kanal fylld med DNA (initial koncentration av 10 nM). Den jon utarmningsregion initieras vid t = 10 s och en koncentrerad DNA-plugg genererades på V2 = 30 V och V1 = 25 V över provet kanalen medan buffert kanaler jordad. De streckade linjerna har använts för att belysa de kanaler väggar. En koncentrationsfaktor av ~ 1.700 veck uppnåddes inom 15 min. usjunga en 300 nm kolloidalt membran. (Återges från ref. 25 med tillstånd från The Royal Society of Chemistry) Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Kiseldioxidpartiklarna membran med en pärlstorlek av 300 nm och 500 nm visade den högsta koncentrationsfaktorn vid ~ 1,700 gånger för Cy 5 taggade DNA (CAA CCG ATG CCA CAT CAT TAG CTA C) inom 15 min. (Figur 6 A, B). Polyelektrolyten belagda kiseldioxidpartiklar pärla membran ledde till en 200- till 1000-faldig ökning i DNA-koncentrationen efter 15 min. (Figur 6 C, D).
Figur 6. Fluorescensintensitet av DNA som en funktion av tiden för (A) 300 nm kiseldioxidpärlor (B) 500 nm kiseldioxidpärlor end (C) 500 nm PSS-belagda kiselamin pärlor och (D) 500 nm PAH / PSS belagd kiseldioxid karboxylgrupper pärlor. De streckade linjerna representerar fluorescenssignalen intensitetsnivån för 10 nM (A, B, C, D), 17 ^ M (A, B), 2 ^ M (C) och 10 ^ M (D) DNA. Resultaten har normaliserats mot bakgrundsfluorescens. (Återges från ref. 25 med tillstånd från The Royal Society of Chemistry) Klicka här för att se en större version av denna siffra.
| processtid | etch-läge | passive~~POS=TRUNC |
| processtid | 6 s | 4,5 s |
| överskridande | 0,5 s | 0 s |
| Platen generatorkraft | 80 W | 60 W |
| Coil generatorkraft | 600 W | 600 W |
| Gas | SF 6 70 sccm | C 4 F 8 35 sccm |
| etshastighet | 1,47 | j, m / min | |
Tabell 2. DRIE parametrar.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Efter den gemensamma enheten designschema för att studera nanofluidik, tillverkade vi en nanofluidic korsning mellan två mikroflödessystem kanaler med hjälp av avdunstning drivna självorganisering av kolloidala nanopartiklar i stället för litografiskt mönstring en rad nanokanaler. När den strömmar de kolloidala partiklarna i vulsten leveranskanal, en matris med nanotraps med ett djup på 700 nm och en bredd av 2 | j, m på båda sidor om vulsten leveranskanal vid en total bredd på 100 | j, m förhindrade kulsuspensionen från att strömma in i buffert och prov kanalen på grund av ytspänningen vid de nanotraps. Gång fångade, de kolloidala partiklarna packade i pärlan leveranskanal snabbt och bildade ett nanoporös korsning mellan provet och buffertkanal.
Det är viktigt att ladda kulsuspensionen omedelbart efter plasmabindning så att kapillärkraften driver kiseldioxid pärlsuspension upp till ingången av utlopps reservoirs i tillfälligt hydrofila pärla leveranskanal. För att förhindra att en luftbubbla blockering av flödet i inloppsreservoaren, är det starkt rekommenderat att nå botten av behållaren med en pipettspets och sedan frigöra kulsuspensionen in i reservoaren. I fallet med ytfunktionaliserade pärlor med polyelektrolyter, var deras flytbarhet drastiskt jämfört med kiselpärlor utan ytan funktionalisering och tenderade att aggregera lättare och hålla sig till kanalytan under fyllningsprocessen. För att förhindra en igensättning av kanalen med polyelektrolyten belagda pärlor, sattes vi ett ytaktivt medel, 0,05% Tween 20, till pärlsuspensionen. Om det fortfarande fanns en igensättning problem under fyllning, en mild knacka på PDMS-chip med en pipettspets i allmänhet bidragit till att lösa det.
Dessutom är det viktigt att vulsten suspensionen inte fullständigt var torkade ut efter indunstning eftersom det skulle vara svårt att infiltrate vulsten membranet med natriumfosfatbuffertlösning igen. Därför, efter tre timmar av partiell förångning, alla in- och utlopp av PDMS-enheten tejpades och hölls vid 4 ° C för förvaring före användning så pärlan packning förblir fuktig. Under förkoncentrering experiment själv monterade pärla behållit sin strukturella stabilitet för det mesta. Men i några fall, observerade vi en förskjutning av pärlorna som indikerade en bristfällig förpackning av pärlorna i mikro. De själv monterade kiseldioxidpärlor som sträcker sig från en diameter på 900 nm ner till 300 nm efter det att självsammansättning kan ses i figur 4. Den teoretiska porstorleken hos vulsten packning var ~ 45 nm, ca ~ 15% av den kolloidala partikeln diameter. Vi kunde bekräfta porstorleken med användning av en SEM-analys och mättes en porstorlek ca 20% av pärlans diameter efter packning.
Använda själv monterade 300 nm och 500 nm kolloidal partikel membran som en jonselektiv nanoporous junction, kunde vi initiera ion utarmningsregionen vid 30 V och koncentrera 10 nM Cy5 taggade DNA (CAA CCG ATG CCA CAT CAT TAG CTA C) i 1 mM natriumfosfatbuffert (Figur 5). Genom att kontinuerligt strömmande DNA-provet mot jon utarmningszonen med en elektroosmotiskt flöde vid en spänningsskillnad V 2 -V 1 = 5 V, vi skulle kunna öka den initiala DNA-koncentrationen genom ~ 1.700 veck inom 15 min. (Figur 6a, b). 500 nm pärlor tillåts mer robust DNA-koncentration än 300 nm pärlor, såsom visas i figur 6b). Eftersom den elektrokinetiska koncentrationen är baserad på en kraftbalans mellan den elektroosmotiska kraften och de starkt olinjära elektroforetiska krafter, är den resulterande koncentrationsfaktor bestäms av den grad till vilken kan upprätthållas denna kraft balans under elektrokinetisk koncentration. 27
En annan betydande fördel med att distribuera de kolloidala partiklarna för att bygga en nanofluidic korsning är den lätthet med vilken dess surface funktionalisering kan utföras. Istället för att skapa en nanochannel genom limning först och sedan utföra en yta funktionalisering på det, kan vi helt enkelt ytan funktionalisera de kolloidala partiklarna i en flaska utanför enheten först och sedan strömma dem in i kanalen för självmontering. Baserat på denna strategi, kan vi initiera ICP hjälp av 500 nm kisel aminpartiklar belagda med ett enda skikt av PSS och 500 nm kiseldioxid karboxylgrupper partiklar belagda med ett skikt av PAH och PSS (figur 6 c och d), vid lägre spänningar (8 V och 10 V, respektive) än de kolloidala partiklarna utan ytan funktionalisering (30 V). Detta resultat visar att ytan funktionalisering av de kolloidala partiklarna innan läkemedlet självsammansättning var effektiv för att öka ytladdningen hos kolloidala partiklar och resulterade i högre ICP. Emellertid i termer av koncentratorn faktorn erhålles, den nanofluidic korsningen av ytan funktionaliserade pärlorna var mindre effektiv än den icke-funktionaliserade siLICA pärlor. Amin / PSS-belagda pärlor möjliggjorde en faktor ~ 200, medan karboxyl / PAH / PSS pärla membran visade en 1000-faldig ökning efter 15 minuter. (Figur 6d). Detta resultat kan förklaras av en högre ytladdning av ytan funktionaliserade nanoporer som ledde till en ökad längd av jonen utarmningsregion trycka provkoncentrationen pluggen längre bort från vulsten membranet och därför, för att mindre stabil koncentration. Vi tror att förkorta den totala bredden av den nanoporösa pärla membran från för närvarande 1 mm (den del av pärla membran parallellt med provkanalen) kan mildra denna instabilitet fråga. Enligt vår tidigare studie, bredden på nanoporösa korsningen bestämmer mängden jonisk ström som passerar genom den. 28 som bredden ökar, de joniska strömmen ökar och eftersom flera katjoner kan migrera genom membranet, de längd ökar utarmnings och koncentrationen pluggen trycks längre bort från nanoporösa korsning. Thärför inträffar ackumulering i ett mindre begränsat sätt och provpluggen blir mindre stabil. Empiriskt bör nanoporösa korsningen vara ~ 100-400 nm i bredd. Ett annat särdrag för att förbättra var en otillräcklig tjocklek på PDMS väggen av 15 | j, m mellan provkanalen och vulsten leverans. Denna tunna PDMS avsnitt ledde till en otillräcklig bindning som möjliggjorde en jonström mellan bufferten och provkanal. Därför hela vulsten membransektion parallellt med provkanalen (1 mm i bredd) agerade som en nanoporösa föreningspunkt, trots att endast 100 ^ m hos vulsten var tänkt som en nanoporös junction membran enligt den totala bredden av nanotrap array. PDMS väggtjocklek bör vara åtminstone 25 | j, m eller högre.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Acknowledgments
Detta arbete stöddes av NIH R21 EB008177-01A2 och New York University Abu Dhabi (NYUAD) Forskning Enhancement Fund 2013. Vi uttrycker vårt tack till den tekniska personalen av MIT MTL för deras stöd under mikro och James Weston och Nikolas Giakoumidis av NYUAD för deras stöd i att ta SEM-bilder och bygga en spänningsdelare, respektive. Enheten tillverkning i PDMS genomfördes i mikrokärnanläggningen NYUAD. Slutligen vill vi tacka Rebecca Pittam från NYUAD Center for Digital stipendium för videoinspelning och redigering.
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 |
References
- Mawatari, K., Kazoe, Y., Shimizu, H., Pihosh, Y., Kitamori, T. Extended-Nanofluidics: Fundamental Technologies, Unique Liquid Properties, and Application in Chemical and Bio Analysis Methods and Devices. Anal Chem. 86, 4068-4077 (2014).
- Tsukahara, T., Mawatari, K., Kitamori, T. Integrated extended-nano chemical systems on a chip. Chem Soc Rev. 39, 1000-1013 (2010).
- Mani, A., Zangle, T. A., Santiago, J. G. On the Propagation of Concentration Polarization from Microchannel-Nanochannel Interfaces Part I: Analytical Model and Characteristic Analysis. Langmuir. 25, 3898-3908 (2009).
- Aizel, K., et al. Enrichment of nanoparticles and bacteria using electroless and manual actuation modes of a bypass nanofluidic device. Lab Chip. 13, 4476-4485 (2013).
- Wang, Y. C., Stevens, A. L., Han, J. Million-fold preconcentration of proteins and peptides by nanofluidic filter. Anal Chem. 77, 4293-4299 (2005).
- Karnik, R., et al. Electrostatic control of ions and molecules in nanofluidic transistors. Nano letters. 5, 943-948 (2005).
- Mao, P., Han, J. Y. Fabrication and characterization of 20 nm planar nanofluidic channels by glass-glass and glass-silicon bonding. Lab Chip. 5, 837-844 (2005).
- Mao, P., Han, J. Massively-parallel ultra-high-aspect-ratio nanochannels as mesoporous membranes. Lab Chip. 9, 586-591 (2009).
- Balducci, A., Mao, P., Han, J. Y., Doyle, P. S. Double-stranded DNA diffusion in slitlike nanochannels. Macromolecules. 39, 6273-6281 (2006).
- Yamada, M., Mao, P., Fu, J. P., Han, J. Y. Rapid Quantification of Disease-Marker Proteins Using Continuous-Flow Immunoseparation in a Nanosieve Fluidic Device. Anal Chem. 81, 7067-7074 (2009).
- Huh, D., et al. Tuneable elastomeric nanochannels for nanofluidic manipulation. Nat Mater. 6, 424-428 (2007).
- Chung, S., Lee, J. H., Moon, M. W., Han, J., Kamm, R. D. Non-lithographic wrinkle nanochannels for protein preconcentration. Adv Mater. 20, 3011-3016 (2008).
- Park, S. M., Huh, Y. S., Craighead, H. G., Erickson, D. A method for nanofluidic device prototyping using elastomeric collapse. Proc Natl Acad Sci. 106, 15549-15554 (2009).
- Zeng, Y., Harrison, D. J. Self-assembled colloidal arrays as three-dimensional nanofluidic sieves for separation of biomolecules on microchips. Anal Chem. 79, 2289-2295 (2007).
- Malekpourkoupaei, A., Kostiuk, L. W., Harrison, D. J. Fabrication of Binary Opal Lattices in Microfluidic Devices. Chem Mat. 25, 3808-3815 (2013).
- Merlin, A., Salmon, J. -B., Leng, J.
- Schepelina, O., Zharov, I. PNIPAAM-modified nanoporous colloidal films with positive and negative temperature gating. Langmuir. 23, 12704-12709 (2007).
- Schepelina, O., Zharov, I. Poly(2-(dimethylamino)ethyl methacrylate)-Modified Nanoporous Colloidal Films with pH and Ion Response. Langmuir. 24, 14188-14194 (2008).
- Smith, J. J., Zharov, I. Ion transport in sulfonated nanoporous colloidal films. Langmuir. 24, 2650-2654 (2008).
- Gaspar, A., Hernandez, L., Stevens, S., Gomez, F. A. Electrochromatography in microchips packed with conventional reversed-phase silica particles. Electrophoresis. 29, 1638-1642 (2008).
- Lee, S. Y., et al. High-Fidelity Optofluidic On-Chip Sensors Using Well-Defined Gold Nanowell Crystals. Anal Chem. 83, 9174-9180 (2011).
- Hu, Y. L., et al. Interconnected ordered nanoporous networks of colloidal crystals integrated on a microfluidic chip for highly efficient protein concentration. Electrophoresis. 32, 3424-3430 (2011).
- Zhang, D. -W., et al. Microfabrication-free fused silica nanofluidic interface for on chip electrokinetic stacking of DNA. Microfluid Nanofluid. 14, 69-76 (2013).
- Syed, A., Mangano, L., Mao, P., Han, J., Song, Y. A. Creating sub-50 nm nanofluidic junctions in a PDMS microchip via self-assembly process of colloidal silica beads for electrokinetic concentration of biomolecules. Lab Chip. 14, 4455-4460 (2014).
- Kim, S. J., Song, Y. A., Han, J. Nanofluidic concentration devices for biomolecules utilizing ion concentration polarization: theory, fabrication, and applications. Chem Soc Rev. 39, 912-922 (2010).
- Fu, J. P., Mao, P., Han, J. Y. Continuous-flow bioseparation using microfabricated anisotropic nanofluidic sieving structures. Nat Protoc. 4, 1681-1698 (2009).
- Plecis, A., Nanteuil, C., Haghiri-Gosnet, A. M., Chen, Y.
- Ko, S. H., et al. Nanofluidic preconcentration device in a straight microchannel using ion concentration polarization. Lab Chip. 12, 4472-4482 (2012).
