通过胶体颗粒自组装工艺在PDMS微流控芯片中制备亚50 nm纳米流体结

摘要

我们提出一种简单的二氧化硅胶体纳米粒子自组装技术，用于在聚二甲基硅氧烷（PDMS）中的两个微通道之间构建纳米流体结。利用该技术，可在微通道内构建孔径低至约45 nm的纳米多孔微珠膜，并将其应用于DNA样品的电动预富集。

摘要

聚二甲基硅氧烷（PDMS）因其易于成型和键合以及良好的透明性，已成为制造微流控器件的主要材料。然而，由于PDMS材料本身较软，使用其构建纳米通道仍具挑战性，在等离子体键合过程中通道容易发生塌陷。本文介绍了一种由蒸发驱动的二氧化硅胶体纳米颗粒自组装方法，可在两个微通道之间形成具有亚50 nm孔径的纳流体结。通过在自组装过程前于离心管中调节胶体二氧化硅微球的尺寸及其表面功能化，即可简便地调控纳流体结的孔径大小和表面电荷。利用粒径分别为300 nm、500 nm和900 nm的纳米颗粒进行自组装，成功制备出孔径约为45 nm、75 nm和135 nm的多孔膜。在外加电场作用下，该纳米多孔膜引发离子浓差极化（ICP）效应，表现出阳离子选择性，并在15分钟内将DNA浓缩约1,700倍。这种非光刻的纳米制造工艺为在PDMS微流控芯片内构建可调谐的纳流体结提供了新途径，有助于研究离子和分子在纳米尺度下的输运过程。

引言

纳米流体学是微全分析系统（µTAS）中一个新兴的研究领域，旨在研究在10¹–10² nm尺度下离子和分子的生物过程或输运现象。随着纳米通道等纳米流体工具的出现，分子和离子的输运过程可以以前所未有的精度进行监测，并可根据需要利用仅在此尺度下才具备的特性，实现对分离与检测过程的操控^1,2。其中一种典型的纳米尺度特征是纳米通道中极高的表面电荷与体相电荷之比（或称杜赫金数），这可能导致电荷失衡，并在纳米通道与微通道之间引发离子浓差极化（ICP）³。

研究纳米流体现象的常用装置平台由两个微通道通过一组作为连接点的纳米通道阵列相连构成。^4-6 由于硅具有高刚性，可在键合过程中防止通道塌陷，因此成为构建此类纳米流体器件的首选材料。⁷ 然而，硅基器件的制备需要昂贵的掩模，并在洁净室设施中进行大量加工处理。^8-10 由于聚二甲基硅氧烷（PDMS）可通过模塑和等离子体键合方便地制备器件，因此已被广泛接受为微流体器件的构建材料，同样也是纳米流体器件的理想候选材料。然而，PDMS的杨氏模量较低（约为360–870 kPa），在等离子体键合过程中容易导致通道塌陷。纳米通道的最小宽深比（宽度与深度之比）必须小于10:1，这意味着如果纳米通道的深度需低于100 nm，则通道宽度必须小于当前光刻技术的极限（约1 µm），因此通过标准光刻工艺制备PDMS器件将变得极为困难。为克服这一限制，已有研究尝试采用非光刻方法在PDMS中构建纳米通道，例如通过拉伸产生平均深度为78 nm的裂纹¹¹，或通过等离子体处理后形成褶皱结构¹²。利用机械压力使PDMS通道塌陷，可实现低至60 nm的纳米通道高度。¹³

尽管这些高度创新的非光刻方法能够制造出深度低于100 nm的纳米通道，但纳米通道在尺寸控制方面的可调控性仍然制约着PDMS作为纳流控器件构建材料的广泛应用。另一个存在于硅基或PDMS基纳米通道中的关键问题在于，当需要改变通道壁表面电荷以调控离子或分子行为时，其表面功能化面临挑战。在通过键合完成器件组装后，由于扩散受限的传质过程，对纳米通道内部进行表面功能化处理变得极为困难。为实现具有高尺寸保真度且易于表面功能化的纳米级通道，可采用由蒸发诱导的胶体粒子自组装方法。^14-16 在微流控装置中，这可能是一种颇具前景的方法。除了能够控制孔径大小和表面特性外，甚至还有可能调节孔的尺寸 原位 通过调控温度使用聚电解质包覆的胶体颗粒时，¹⁷ pH^18,19 离子强度。¹⁸ 由于这些优势，胶体粒子的自组装方法已应用于电动色谱领域，²⁰ 生物传感器²¹ 蛋白浓度²² 微流控中蛋白质与DNA的分离^14,23 在本研究中，我们采用这种自组装方法在聚二甲基硅氧烷（PDMS）中构建了一种电动力学预浓缩装置，该装置需要在两个微通道之间形成纳米流体结。²⁴ 电动力学富集的基本机制基于离子浓度极化（ICP）。²⁵ 以下方案中包含了制造与组装步骤的详细说明。

方案

1. 二氧化硅胶体微球悬浮液的制备

1. 300 nm 和 500 nm 二氧化硅微球悬浮液的制备
   1. 涡旋二氧化硅珠原液悬浮液（10% w/v 水溶液）30秒，以获得均匀悬浮液。用移液器将总共600 µl原液悬浮液加入1.5 ml离心管中，在2,600 × g离心1分钟。
   2. 用400 µl 1 mM 磷酸钠缓冲液（PB, pH 7.0）替换上清液。
   3. 将二氧化硅珠通过涡旋振荡悬浮于pH 7.0的1 mM磷酸钠溶液中，使其最终浓度为15%。
2. 用聚烯丙胺盐酸盐（PAH）和聚苯乙烯磺酸钠（PSS）聚电解质对500 nm二氧化硅羧基微球进行表面功能化
   1. 将0.1 g带羧基的500 nm二氧化硅微球悬浮于10 ml 1 M NaCl（pH 7.0）中，制成1%（w/v）的微球悬浮液。
   2. 将300 µl储存液（20% w/v水溶液）溶于15 ml 1 M NaCl中，配制0.4% PAH（MW 65K）溶液。将0.18 g PSS溶于20 ml 1 M NaCl溶液中，配制0.9% PSS（MW 70K）溶液。将两种溶液分别涡旋振荡1分钟，使聚电解质完全溶解。
   3. 向一个15 ml离心管中的9.8 ml 1% 羧基化二氧化硅微珠中加入200 µl PAH溶液，以在带有羧基官能团的二氧化硅微珠表面沉积一层带正电荷的聚电解质。涡旋振荡微珠悬浮液1分钟，然后在室温下于旋转仪上孵育60分钟。
   4. 将珠子悬浮液在1801 × g下离心1分钟，并用10 ml去离子水洗涤未结合的PAH，重复5次。每次离心并移除上清液后，珠子在管底紧密聚集。在加入8 ml去离子水之前，先用2 ml去离子水剧烈吹打以分散珠子团块，使珠子重新悬浮并充分洗涤，再进行下一次离心步骤。
   5. 按照1.2.3和1.2.4步骤进行PSS包被，以在微珠表面沉积一层带负电荷的层。在去除5次去离子水洗涤后的上清液后，将微珠重悬于9.8 ml的1 M NaCl溶液中，再进行PSS沉积。^th 1.2.4 步骤中的洗涤操作
      1. 使用 2 ml 1 M NaCl 通过剧烈吹打充分分散 15 ml 管底部的磁珠团块，然后加入 8 ml 1 M NaCl。将 200 μl PSS 溶液加入已沉积单层 PAH 的 9.8 ml 二氧化硅微球中。涡旋混匀 1 分钟后，在管式旋转仪上孵育 60 分钟，随后用去离子水重复洗涤 5 次。
      2. 使用动态光散射系统，按照制造商的操作规程分别测量每次聚电解质包被前后微珠的Zeta电位，以验证聚电解质沉积步骤是否正确执行（见表1）。
   6. 在单层PSS沉积后，用去离子水重复洗涤五次，并在使用微流控装置前将微珠重悬于650 µl含0.05% Tween 20（15% w/v）的1 mM磷酸钠缓冲液中，以增强其流动性。
3. 按照上述1.2.5至1.2.6步骤，对具有氨基官能团的500 nm二氧化硅微球进行操作，沉积一层PSS。

2. PDMS 微流控芯片的制备

1. 硅模板的微加工
   1. 采用以下微加工技术制备用于PDMS成型的硅模板。
      1. 在硅片上以4,000 rpm转速旋涂一层1 µm厚的光刻胶。通过投影光刻（曝光时间170毫秒）对薄膜进行图形化，并利用反应离子刻蚀（RIE）刻蚀出深度为700 nm、宽度为2 µm的平面纳米通道（作为二氧化硅微珠的纳米陷阱）。
      2. 采用以下刻蚀参数以实现3.5 nm/s的刻蚀速率：CHF₃（45 sccm）、CF₄（15 sccm）、Ar（100 sccm）、压力100 mTorr、射频功率200 W。
   2. 以2,000 rpm转速旋涂第二层1 μm厚的光刻胶，并与先前图形化的纳米陷阱进行对准。通过接触光刻和硅的深反应离子刻蚀（DRIE）形成微通道。使用表2中的DRIE参数²⁶。
2. PDMS模具的制备
   1. 在真空罐中使用三氯硅烷（50 μl）对硅模板进行硅烷化处理，过夜（O/N）。
      注意：三氯硅烷为有毒且具腐蚀性的物质，务必在通风橱内操作，并佩戴适当的个人防护装备。
   2. 将PDMS基础剂与固化剂按10:1比例混合，浇注于硅烷化处理后的硅模板上，随后在鼓风烘箱中70 °C下固化2小时 。
   3. 用刀片将PDMS块从硅模板上剥离，经等离子体清洗仪中等离子处理1分钟后，使用等离子体清洗仪将PDMS块键合至空白硅片上。沿边缘粘贴胶带以标记后续PDMS浇注步骤的分界线。
   4. 在真空罐中使用三氯硅烷（50 μl）对PDMS模具进行过夜（O/N）硅烷化处理。
   5. 在硅烷化处理后的PDMS模具上浇注PDMS（基础剂:固化剂=10:1），并在鼓风烘箱中70 °C下固化2小时。
3. PDMS器件的制备
   1. 沿胶带标记的分界线，将固化的PDMS块从PDMS模具上剥离。
   2. 使用1.5 mm穿孔器打储液孔，用胶带清洁，异丙醇（IPA）冲洗，并用氮气吹干。
   3. 将PDMS器件在等离子体清洗仪中进行1分钟等离子处理后，立即键合至25 mm × 75 mm的显微镜载玻片上。
4. 在填充前，先将微珠悬浮液置于超声浴中进行60分钟的超声处理。在PDMS芯片与玻璃基底完成等离子键合后，立即用移液器将10 µl微珠悬浮液（300 nm非功能化二氧化硅微珠，或包覆PAH-PSS层的500 nm羧基化二氧化硅微珠，或包覆PSS层的500 nm氨基化二氧化硅微珠）分别加入入口4和6（见图1 A, B）。用移液器吸头轻轻敲击PDMS芯片以促进微珠的紧密填充。
   1. 填充微珠输送通道后，用胶带封住除1和9以外的所有入口。将器件在空气中干燥3小时，使用前储存于+4 °C环境中。图2展示了胶体自组装过程的逐步示意图。

3. DNA 电动力学浓缩实验

1. 用缓冲液（10 μl 的 1 mM PB）填充储液池 3 和 7，用 DNA 样品（10 μl 的 10 nM PB 溶液）填充储液池 5，并在储液池 2、8 和 10 上使用倒置的移液枪头施加轻微的负压，以使溶液无气泡地充满通道（见图 1B）。
2. 向储液池 2 和 8 中各加入 10 μl 的 1 mM PB，向储液池 10 中加入 10 μl 的 10 nM DNA 溶液以平衡压力，并静置 5 分钟以达到平衡。
3. 将铂丝插入储液池 3、5、7、10 中。
4. 通过连接源表和铂丝的分压电路在纳米流体结两端施加电压。首先在储液池 5 和 10 上施加 30 V，储液池 3 和 7 接地。
5. 约 30 秒后，将储液池 10 上的电压降至 25 V。
6. 在记录 DNA 荧光信号时，使用每 5 秒周期性开启一次的机械快门，以尽量减少样品的光漂白。

结果

一种包含自组装纳米流体结的PDMS电动力学浓缩芯片如图1A所示。该装置中央的通道中充满DNA样品溶液，并通过一条宽50 µm的微珠输送通道与两侧的缓冲液通道相邻（图1B）。在等离子体键合后，立即将二氧化硅胶体悬浮液注入微珠输送通道，以在样品通道与缓冲液通道之间形成纳米流体结。所用的纳米捕获阵列包含深700 nm、宽2 μm的纳米通道，用于截留胶体颗粒。其通过非接触式表面轮廓仪获得的扫描图像如图1C所示。胶体微珠在蒸发后的膜结构如图1D所示。图1E中的扫描电镜（SEM）图像显示，二氧化硅微珠被截留在平面纳米捕获阵列上，该阵列将样品通道与微珠输送通道分隔开。300 nm二氧化硅微珠的排列呈现出高度有序的六方密堆积结构，尽管存在少量微小缺陷，这些缺陷可能导致浓缩行为的差异（图1F）。PDMS浓缩芯片的设计及其尺寸可在此处

讨论

遵循研究纳米流体的通用器件设计方法，我们利用胶体纳米颗粒的蒸发驱动自组装，而非采用光刻技术构建纳米通道阵列，在两个微流控通道之间制备了纳米流体结。当将胶体颗粒引入微珠输送通道时，微珠输送通道两侧总宽度为100 μm、深度为700 nm、宽度为2 µm的纳米捕获阵列，由于纳米捕获点处的表面张力作用，阻止了微珠悬浮液流入缓冲液通道和样品通道。一旦被捕获，胶体颗粒在微珠输送通道内迅速紧密排列，在样品通道与缓冲液通道之间形成多孔纳米结构连接。

在等离子体键合后，应立即加载珠悬浮液，以便毛细作用力将二氧化硅珠悬浮液驱动至出口储液池入口处，此时珠输送通道暂时具有亲水性。为防止气泡阻塞入口储液池中的液体流动，建议将移液器吸头触及储液池底部，再将珠悬浮液释放到储液池中。对于经聚电解质表面功能化的微珠，其流动性相较于未进行表面功能化的二氧化硅微珠显著降低，在填充过程中更容易发生聚集并黏附于通道表面。为防止聚电解质包覆微珠造成通道堵塞，我们在珠悬浮液中添加了0.05%吐温20作为表面活性剂。若在填充过程中仍出现堵塞问题，通常轻敲PDMS芯片（使用移液器吸头）即可解决。

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
聚（苯乙烯磺酸）钠盐	Polysciences	08772
聚烯丙胺溶液	Sigma Aldrich	479144-5G
二氧化硅微球 - 300 nm	Polysciences	24321
二氧化硅微球 - 500 nm	Polysciences	24323
羧基功能化二氧化硅微球 - 500 nm	Polysciences	24753
氨基功能化二氧化硅微球 - 500 nm	Polysciences	24756
Sylgard 184 硅弹性体试剂盒	Dow Corning
三氯硅烷	Sigma Aldrich	175552
超声波清洗器	Branson	3510
试管旋转仪	VWR	10136-084
涡旋混合器	WiseMix	VM-10
微量离心机	VWR	Micro 1207
等离子清洗机	Harrick Plasma	PDC-001-HP
PDMS 混合器	Thinky	ARE-250
烘箱	Thermo Scientific	PR305220M
落射荧光显微镜	Nikon	Eclipse Ti
CCD 相机	Andor	Clara
铂电极	Alfa Aesar	43014
源表	Keithley	2400
数字万用表	Extech	410
显微镜载玻片	Thermo Scientific	2951-001
吐温 20	Merck Millipore	822184
氯化钠	Fisher Scientific	7646-14-5
磷酸二氢钠	Sigma Aldrich	71505
磷酸氢二钠	Sigma Aldrich	S3264
DNA	IDT		CAA CCG ATG CCA CAT CAT TAG CTA C
B-藻红蛋白	Life Technologies	P-800
用于Zeta电位测量的动态光散射系统	Malvern	Zetasizer Nano S
光刻胶	Shipley	SPR700-1.0
投影光刻	Nikon	NSR2005i9
反应离子刻蚀机	Applied Materials	AME P5000
ICP 深反应离子刻蚀机	STS	STS-6"
接触式光刻	Electronic Visions	EV620
光刻胶涂布显影机	SSI	SSI 150
非接触式表面轮廓仪	Wyko	NT 9800