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

이 프로토콜은 폴리디메틸실록산의 두 마이크로채널 사이에 나노유체 접합을 생성하기 위한 콜로이드 실리카 나노입자의 새롭고 간단한 자가 조립 기술을 보여줍니다. 양이온 선택성 멤브레인 역할을 하는 기공 크기가 약 45나노미터인 비드 멤브레인은 DNA 및 단백질 샘플의 동전기 농축에 사용될 수 있습니다. 개요: 첫 번째 단계에서 나노트랩이 있는 PDMS 장치는 이중 성형 공정을 통해 주조됩니다.

장치를 유리 기판에 플라즈마 결합한 후, 표면 기능화된 실리카 비드를 마이크로채널에 주입하여 자가 조립 콜로이드 멤브레인을 형성합니다. 마지막으로 소스 미터와 전압 분배기를 사용하여 멤브레인을 가로질러 전압이 적용됩니다. 이온 고갈 및 농도 증가는 CCD 카메라와 함께 거꾸로 된 epifluorescence 현미경을 사용하여 관찰됩니다.

실리카 콜로이드 입자 현탁액의 제조: 300나노미터 실리카 비드로 시작; 30초 동안 소용돌이 구슬 스톡; 600 마이크로리터 현탁액을 Eppendorf 튜브에 빼내고 2, 600g에서 1분 동안 원심분리합니다. 원심분리 후 상청액을 조심스럽게 제거합니다. 400마이크로리터의 1밀리몰 인산나트륨 완충액으로 비드를 재현탁하여 15% 작동 농도에 도달합니다.

균질한 현탁액에 도달하기 위한 소용돌이. 동일한 단계를 반복하여 500나노미터 실리카 비드를 준비합니다. 500나노미터 카르복실릭 실리카 비드의 경우 15밀리리터 팔콘 튜브에 100밀리그램의 무게를 잰다.

그런 다음 9.8밀리리터의 1몰 염화나트륨을 옮겨 비드를 재현탁합니다. 튜브를 격렬하게 소용돌이치게 합니다. 튜브를 여러 번 뒤집어 바닥에 충격을 받은 비드를 옮깁니다.

비드의 표면 전하를 수정하기 위해 PAH와 PSS의 두 가지 고분자 전해질을 준비합니다. 0.9%PSS는 PSS 180mg을 200밀리리터 1몰 염화나트륨과 용해시켜 제조합니다. 0.4% PAH는 300마이크로리터의 원액을 15밀리리터의 1몰 염화나트륨에 속여 제조합니다.

두 솔루션을 모두 소용돌이시켜 완전히 용해되도록 합니다. 양전하를 띤 PAH 층을 증착하려면 200마이크로리터의 PAH 용액을 비드 현탁액에 첨가하십시오. 1분 동안 소용돌이치고 현탁액을 회전기에서 실온에서 1시간 동안 배양합니다.

결합되지 않은 PAH를 씻어내려면 현탁액을 1, 801g에서 1분 동안 원심분리하여 비드를 침전시킵니다. 상청액을 제거합니다. 1-2밀리리터의 물을 튜브에 피펫으로 넣어 구슬을 파괴합니다.

나머지 8밀리리터의 물을 넣은 다음 소용돌이치십시오. 세탁 절차를 네 번 더 반복합니다. 다섯 번째 세척 및 원심분리 후 상층액을 버리고 9.8밀리리터 1몰 염화나트륨으로 비드를 복원합니다.

음전하를 띤 PSS 층을 증착하기 위해 200마이크로리터의 PSS 용액을 비드 현탁액에 첨가합니다. 1분 동안 소용돌이치고 현탁액을 회전기에서 실온에서 1시간 동안 배양합니다. PAH 코팅과 마찬가지로 DI 물로 비드를 5회 세척합니다.

마지막 세척 후, 상청액을 버리고 0.05% 트윈 20이 포함된 650마이크로리터의 1밀리몰 인산나트륨 완충액으로 비드를 재현탁합니다. 비드 현탁액을 에펜도르프 튜브로 옮깁니다. 500나노미터 아민 실리카 비드를 준비하기 위해 동일한 절차를 반복하여 음전하를 띤 단일 PSS 층을 증착합니다.

PDMS 미세유체 칩의 제작: 실리콘 마스터를 제작하려면 먼저 실리콘 웨이퍼에 4, 000 RPM으로 1마이크로미터 두께의 포토레지스트를 스핀 코팅합니다. 그런 다음 프로젝션 리소그래피와 반응성 이온 에칭을 사용하여 700나노미터 깊이와 2마이크로미터 너비의 평면 나노채널을 비드의 나노트랩으로 만듭니다. 그런 다음 2, 000 RPM에서 2 번째 포토 esist 층을 스핀 코팅하고 이전에 패턴화 된 나노 트랩에 정렬을 수행합니다.

접촉 리소그래피와 실리콘의 심층 반응성 이온 에칭을 통해 마이크로 채널을 추가합니다. 이형층을 만들려면 50마이크로리터 트리클로로실란이 담긴 진공 용기에 실리콘 마스터를 밤새 실란네이트합니다. PDMS 금형을 주조하려면 PDMS 베이스와 경화제를 10:1 비율로 혼합합니다.

실리콘 마스터 위에 믹스를 붓습니다. PDMS가 있는 마스터를 진공 용기에 넣어 기포를 제거하고 70°C의 오븐에서 구워 PDMS를 가교합니다. 2시간 동안 구운 후 실리콘 마스터에서 PDMS 슬래브를 조심스럽게 제거합니다.

표면을 플라즈마로 처리하여 빈 실리콘 웨이퍼에 영구적인 결합을 만듭니다. 가장자리를 따라 테이프를 부착하여 다음 PDMS 주조 단계에 대한 파티션 라인을 표시합니다. 이형층을 만들려면 PDMS 금형을 진공 용기에 밤새 실란테이션합니다.

PDMS 금형 위에 PDMS를 주조하고 가스 제거를 위해 진공 용기에 옮깁니다. 그런 다음 오븐에서 굽습니다. 테이프로 표시된 칸막이를 따라 PDMS 금형에서 경화된 PDMS 슬래브를 떼어냅니다.

장치를 조심스럽게 자르고 저장소에 1.5mm 생검 펀치로 구멍을 뚫습니다. 테이프와 IPA로 표면을 청소한 후 25mm x 75mm 현미경 유리 슬라이드에 PDMS 장치를 플라즈마 결합합니다. 플라즈마 결합 직후, 10마이크로리터의 현탁액을 비드 전달 채널의 입구 4 및 6에 주입합니다.

구슬 전달 채널을 채운 후 구슬 전달 채널의 배출구 1과 9를 제외한 모든 저장소를 덮습니다. 장치를 실온에서 3시간 동안 자연 건조하고 사용하기 전에 섭씨 4도에서 보관하십시오. 장치의 현미경 사진은 콜로이드 입자가 상부 및 하부 비드 전달 채널 내부에 조립되는 것을 보여줍니다.

SEM 이미지는 샘플과 버퍼 채널 사이에 나노트랩 어레이로 갇힌 자체 조립된 300나노미터 실리카 콜로이드 입자를 보여줍니다. 완충액 채널 중 3번과 7번의 입구를 10마이크로리터의 1밀리몰 인산나트륨 완충액으로 채웁니다. 샘플 채널 입구 5에 10마이크로리터의 10나노몰 DNA 샘플을 채웁니다.

모든 배출구에 거꾸로 된 피펫 팁으로 부드러운 음압을 가하여 기포 없이 용액으로 채널을 채웁니다. 10마이크로리터의 인산나트륨 완충액을 저장소 2와 8에 넣고 10마이크로리터의 DNA 샘플을 저장소(10)에 추가하여 5분 동안 압력을 안정화시킵니다. DNA의 동전기 농도 실험: 소스 미터에 연결된 전압 분배기와 미세유체 칩을 연결합니다.

PT 와이어를 저장소 3, 7, 5 및 10에 삽입합니다. 나노유체 접합부에 전압을 인가합니다. 먼저 저수지 5와 10에 30볼트를 바르고 저수지 3과 7에 접지합니다.

약 25초 후에 저장소 10에서 전압을 30볼트로 낮춥니다. 동전기 사전 농축 결과: 미세유체 채널은 DNA로 채워져 있으며 초기 농도는 10나노몰입니다. 타임랩스 현미경 사진은 나노유체 콜로이드 접합부인 이온 고갈 영역의 형성을 보여줍니다.

이온 고갈 영역은 10초 만에 시작되었습니다. 버퍼 채널이 접지된 동안 샘플 채널에 전압이 가해질 때 농축된 DNA 플러그가 생성되었습니다. 점선은 채널 벽을 강조하는 데 사용되었습니다.

약 1, 700배의 농도 계수는 300나노미터 콜로이드 멤브레인을 사용하여 15분 이내에 달성됩니다. DNA의 평균 형광 강도는 나노다공성 멤브라브에서 시간의 함수로 증가하고 있습니다. 점선은 10나노몰, 17마이크로몰, 2마이크로몰 및 10마이크로몰 DNA에 대한 신호 수준을 나타냅니다.

농축된 플러그는 300나노미터 실리카 비드의 나노다공성 막에서 생성됩니다. 500나노미터 실리카 비드; 단일 PSS 층으로 코팅된 500나노미터 실리카아민 비드; PAH와 PSS의 두 층으로 코팅된 500나노미터 실리카 카르복실 비드. 결론: 추정 기공 크기가 45나노미터인 자체 조립 콜로이드 실리카 멤브레인을 사용하여 나노유체 접합부 근처에서 이온 농도 분극을 입증하고 DNA 샘플을 15분 이내에 1700배 농축했습니다. 실리콘 기반 나노채널과 비교하여 자체 조립 콜로이드 멤브레인의 주요 장점은 별도의 바이알에서 밀봉된 미세유체 장치 외부에서 표면 기능화를 수행할 수 있다는 것입니다.

우리는 이 접근법이 10-100나노미터 범위에서 이온 및 분자 수송을 연구하기 위해 완충 용액의 비드 크기, 이온 강도 또는 pH 값을 제어함으로써 쉽게 조정 가능한 기공 크기로 마이크로 나노유체 플랫폼을 신속하게 제작할 수 있는 가능성을 열어준다고 믿습니다.