Het creëren van Sub-50 Nm nanofluidic Knooppunten in PDMS microfluïdische chip via Self-assemblageproces van colloïdale deeltjes
13 maart 2016
We stellen een eenvoudige zelfassemblerende techniek voor van silica colloïdale nanodeeltjes om een nanofluïdische kruising te creëren tussen twee microkanalen in polydimethylsiloxaan (PDMS). Met behulp van deze techniek werd een nanoporeuze parelmembraan met een poriegrootte tot ~45 nm gebouwd binnen een microkanaal en toegepast op elektrokinetische preconcentratie van DNA-monsters.
Dit protocol demonstreert een nieuwe en eenvoudige zelf-assembleringstechniek van colloïdale silica-nanodeeltjes om een nanofluidische kruising te creëren tussen twee microkanalen in polydimethylsiloxaan. Het parel membraan met een poriëngrootte van ongeveer 45 nanometer, dat fungeert als een kation-selectief membraan, kan worden gebruikt voor de elektrokinetieke concentratie van DNA- en eiwitmonsters. Overzicht:In de eerste stap wordt het PDMS-apparaat met nanotraps gegoten door middel van een dubbele afgiet-proces.
Nadat het apparaat door middel van plasma bonding aan een glazen substraat is gebonden, worden oppervlakte gefunctionaliseerde silica-parels in de microkanalen geïnjecteerd om de zelf-assemblerende colloïdale membraan te vormen. Ten slotte wordt een spanning over het membraan aangelegd met behulp van een bronmeter en een spanningsverdeler. De ionisatie en concentratie toename worden waargenomen met behulp van een omgekeerde epifluorescentiemicroscoop, met een CCD-camera.
Bereiding van de Silica Colloïdale Deeltjes Suspensies:Begin met de 300 nanometer silica-parels;vortex de parels voor 30 seconden;trek 600 microliter suspensie op in een Eppendorf buis, en centrifugeer gedurende een minuut bij 2.600g. Na centrifugeren, verwijder voorzichtig de supernatant. Suspend de parels met 400 microliter van een 1-millimolair natriumfosfaat buffer, om een 15% werkconcentratie te bereiken.
Vortex om een homogene suspensie te bereiken. Herhaal dezelfde stappen om 500-nanometer silica-parels te bereiden. Voor 500-nanometer carboxyl silica-parels, weeg 100 milligram in een 15-milliliter Falcon buis.
Breng vervolgens 9,8 milliliter van een 1-molair natriumchloride over om de parels te resuspenderen. Vortex de buis krachtig. Draai de buis om en om om de parels die op de bodem zijn aangetast te verplaatsen.
Om de oppervlaktelading op de parels te wijzigen, bereiden we twee polyelektrolyten voor:PAH en PSS. De 0,9%PSS wordt bereid door 180 milligram PSS op te lossen met 200 milliliter 1-molair natriumchloride. De 0,4%PAH wordt bereid door 300 microliter van de stockoplossing op te lossen in 15 milliliter 1-molair natriumchloride.
Vortex beide oplossingen om ervoor te zorgen dat ze volledig zijn opgelost. Om een positief geladen PAH-laag te deponeren, voeg 200 microliter van de PAH-oplossing toe aan de parelsuspensie. Vortex gedurende een minuut en incubeer de suspensie in een rotator gedurende een uur bij kamertemperatuur.
Om de ongebonden PAH weg te wassen, centrifugeer de suspensie gedurende een minuut bij 1.801g om de parels te laten bezinken. Verwijder het supernatant. Pipetteer een tot twee milliliter water in de buis om de parels te verstoren.
Voeg de resterende acht milliliter water toe en vortex. Herhaal de wasprocedure nog vier keer. Na de vijfde wassing en centrifugatie, gooi het supernatant weg en herstel de parels met 9,8 milliliter 1-molair natriumchloride.
Voor het deponeren van de negatief geladen PSS-laag, voeg 200 microliter van de PSS-oplossing toe aan de parelsuspensie. Vortex gedurende een minuut en incubeer de suspensie in de rotator gedurende een uur bij kamertemperatuur. Was de parels vijf keer met DI-water zoals voor de PAH-coating.
Na de laatste wassing, gooi het supernatant weg en suspendeer de parels met 650 microliter 1-millimolair natriumfosfaat buffer met 0,05%Tween 20. Breng de parelsuspensie over naar een eppendorfbuis. Voor de bereiding van de 500-nanometer amine silica-parels, herhaal dezelfde procedure om een enkele negatief geladen PSS-laag te deponeren.
Fabricage van de PDMS Microfluidic Chip:Om de siliconen master te fabriceren, eerst een een-micrometer dikke fotoresist aanbrengen bij 4.000 RPM op een siliconen wafer. Gebruik vervolgens projectie lithographie en reactieve ionen etch om 700-nanometer diepe en twee-micrometer brede planaire nanokanalen te creëren als nanotraps voor de parels. Breng vervolgens de tweede fotoresistlaag aan bij 2.000 RPM en voer een uitlijning uit naar de eerder gepatternde nanotraps.
Voeg de microkanalen toe via contact lithographie en door diep-reactieve ionen etch van silicon. Om de releaselaag te creëren, silaniseer de siliconen master in een vacuümpot met 50 microliter trichlorosilane, overnacht. Om de PDMS mal te gieten, meng de PDMS-basis met het verhardingsmiddel in een 10:1-verhouding.
Giet het mengsel op de siliconen master. Plaats de master met PDMS in een vacuümpot om de luchtbellen te verwijderen en bak het in de oven bij 70 graden C om de PDMS te crosslinken. Na twee uur bakken, verwijder voorzichtig de PDMS-plaat van de siliconen master.
Behandel het oppervlak met plasma om een permanente binding te creëren met een lege siliconen wafer. Plak tape langs de rand om een partitielijn aan te geven voor de volgende PDMS-gietstap. Om een mal-releaselaag te creëren, silaniseer de PDMS-mal in een vacuümpot overnacht.
Giet PDMS op de PDMS-mal en breng het over in een vacuümpot voor degassing. Bak het vervolgens in de oven. Verwijder de uitgeharde PDMS-plaat van de PDMS-mal langs de met tape gemarkeerde partitielijn.
Snijd de apparaten voorzichtig af en maak gaten met een 1,5 millimeter biopsie-punch in de reservoirs. Na oppervlaktereiniging met tape en IPA, plak de PDMS-apparaten op een 25-millimeter bij 75-millimeter microscoopglazen schuif. Direct na de plasma-binding, injecteer 10 microliter van de suspensie in inlaten vier en zes van de parel-afgiftekanalen.
Na het vullen van de parel-afgiftekanalen, dek alle reservoirs af, behalve uitlaten een en negen, van de parel-afgiftekanalen. Laat het apparaat drie uur op kamertemperatuur drogen en bewaar het op vier graden C voor gebruik. Microfoto's van het apparaat tonen de colloïdale deeltjes die zich verzamelen in de bovenste en onderste parel-afgiftekanalen.
De SEM-afbeelding toont zelf-geassembleerde 300-nanometer silica colloïdale deelt
Bekijk het volledige transcript en krijg toegang tot duizenden wetenschappelijke video's
Overzicht
Dit protocol demonstreert een nieuwe en eenvoudige zelfassemblagetechniek van colloïdale siliciumnanodeeltjes om een nanofluïdische verbinding te creëren tussen twee microkanalen in polydimethylsiloxaan. Het kraalmembraan met een poriegrootte van ongeveer 45 nanometer kan worden gebruikt voor de elektrokinetische concentratie van DNA- en eiwitmonsters.
Belangrijkste componenten van de studie
Wetenschappelijk vakgebied
- Nanotechnologie
- Microfluidica
- Biotechnologie
Achtergrond
- Zelfassemblagetechnieken zijn essentieel voor het creëren van functionele nanostructuren.
- Colloïdale silicadelen kunnen membranen met specifieke eigenschappen vormen.
- Elektrokinetische methoden zijn effectief voor het concentreren van biomoleculen.
- Polydimethylsiloxaan (PDMS) wordt veelvuldig gebruikt in microfluïdische apparaten.
Doel van de studie
- Een zelfassemblagemethode ontwikkelen voor het creëren van nanofluïdische juncties.
- Een nanoporeus kraalmembraan vervaardigen voor selectief ionentransport.
- De elektrokinetische concentratie van DNA- en eiwitmonsters verbeteren.
Gebruikte methoden
- PDMS-devicecasting via een dubbelgietproces.
- Plasmabinding van het device aan een glazen substraat.
- Injectie van oppervlakte-gefunctionaliseerde silicakralen in de microkanalen.
- Toepassing van spanning over het membraan om iondepletie en concentratieverhoging waar te nemen.
Belangrijkste resultaten
- Een nanoporeus kraltenmembraan met een poriegrootte van ~45 nm is succesvol vervaardigd.
- Het membraan fungeerde als een kation-selectieve barrière.
- Elektrokinetische concentratie van DNA-monsters is effectief aangetoond.
- Iondepletie en concentratieverhogingen zijn gevisualiseerd met behulp van microscopie.
Conclusies
- De zelfassemblagetekniek is een veelbelovende methode voor nanofluïdische toepassingen.
- Gefabriceerde membranen kunnen worden gebruikt voor biomoleculaire concentratie.
- Deze benadering kan de ontwikkeling van microfluïdische apparaten bevorderen.
Veelgestelde vragen
Industriële Relevantie voor Leidinggevenden
Snelle vervaardiging van nanofluidische juncties kleiner dan 50 nm in PDMS-microfluidische chips maakt instelbare platforms met een hoge selectiviteit mogelijk voor studies naar het transport van ionen en biomoleculen op nanoschaal. Deze mogelijkheid ondersteunt de vroege ontwikkeling van assays en het mechanistisch reduceren van risico's voor analyseworkflows van nucleïnezuren en eiwitten. De aanpak vergroot het voorspellend vertrouwen in de prestaties van microfluidische apparaten, wat een directe impact heeft op cruciale punten in ontdekking en screening.
Strategische toepassingen in biofarmaceutische R&D
Vroegtijdige ontdekking & targetvalidatie
- Maakt onderzoek mogelijk naar nanostroommechanismen voor nucleïnezuren en eiwitten.
- Ondersteunt functionele validatie van ionselectieve barrières in microfluïdische systemen.
- Faciliteert mechanische risicoreductie door gecontroleerde modulatie van poriegrootte en oppervlaktelading mogelijk te maken.
- Verbetert het voorspellende vertrouwen in apparaatgebaseerde moleculaire scheiding en concentratie.
Screening en assay-ontwikkeling
- Biedt een platform voor kwantitatieve preconcentratie van DNA en eiwitten in microfluïdische assays.
- Maakt reproduceerbare fabricage van nanofluïdische juncties met instelbare selectiviteit mogelijk.
- Ondersteunt standaardisatie van workflows voor monsterbehandeling en concentratie.
- Maakt schaalbare integratie in gemultiplexte screeningsplatforms mogelijk.
Translationeel & Preklinisch Onderzoek
- Faciliteert het onderzoek naar nanometrische transportprocessen die relevant zijn voor biomarkerdetectie en moleculaire diagnostiek.
- Maakt continuïteit mogelijk van het prototypen van apparaten in de ontdekkingsfase tot de preklinische validatie van assays.
- Ondersteunt de risico-gecorrigeerde ontwikkeling van microfluïdische technologieën voor translationele toepassingen.
Integratie van Pipeline & Workflow
Deze methode voor de fabricage van nanofluïdische juncties is geschikt voor trajecten van vroege ontdekking tot assay-ontwikkeling, ter ondersteuning van lead-identificatie en preklinisch onderzoek waarbij transport op nanoschaal cruciaal is.
- Discovery Biology: Biedt een controleerbaar systeem voor hypothesetoetsing van ionen- en molecuultransport op nanoschaal.
- Screening: Levert reproduceerbare, kwantitatieve preconcentratie van biomoleculen voor downstream-analyse.
- Analytics: Maakt directe meting van concentratie factoren en ionendepletie mogelijk met behulp van fluorescentiemicroscopie.
- Translationeel Onderzoek: Ondersteunt afstemming op de vereisten voor biomarkerdetectie in microfluïdische diagnostiek.
- Enterprise Reuse: Biedt een modulair, instelbaar platform dat aanpasbaar is aan diverse behoeften voor assay- en apparaatontwikkeling.
Operationele impact en impact op de organisatie
- Wetenschappelijke waarde: Verhoogt het voorspellende vertrouwen in workflows voor scheiding en concentratie op nanoschaal.
- Operationele waarde: Vereenvoudigt de fabricage en functionalisering buiten verzegelde apparaten, wat de reproduceerbaarheid verbetert.
- Strategische waarde: Versnelt go/no-go-beslissingen voor de ontwikkeling en integratie van microfluïdische platforms.
- Impact op portfolio: Vermindert risico's in een laat stadium door vroegtijdige, instelbare validatie en standaardisatie van apparaten mogelijk te maken.
Overwegingen bij de implementatie
- Vereist expertise in de fabricage van microfluïdische apparaten en de oppervlaktechemie van nanodeeltjes.
- Toegang tot standaard infrastructuur voor microfabricage en fluorescentie-imaging is noodzakelijk.
- Vereist standaardisatie tussen teams voor de protocollen voor bolletjespreparatie en membraanassemblage.
- Aanpasbaar aan verschillende bolletjesgroottes en oppervlaktechemieën voor diverse moleculaire targets.
- Praktische beperkingen omvatten de zachtheid van PDMS en mogelijk kanaalklap tijdens het bonden.
