Criação de Sub-50 nm nanofluidic Junções em PDMS Microfluidic Chip via processo de automontagem de coloidal Particles

Resumo

Propomos uma técnica simples de automontagem de nanopartículas coloidais de sílica para criar uma junção nanofluídica entre dois microcanais em polidimetilsiloxano (PDMS). Usando esta técnica, uma membrana de grânulo nanoporosa com um tamanho de poro de até ~ 45 nm foi construída dentro de um microcanal e aplicada à pré-concentração eletrocinética de amostras de DNA.

Resumo

Polidimetilsiloxano (PDMS) é o material de construção predominante para tornar os dispositivos de microfluidos, devido à sua facilidade de moldagem e de ligação, bem como a sua transparência. Devido à suavidade do material de PDMS, no entanto, que é difícil de utilizar para a construção de nanocanais PDMS. Os canais tendem a entrar em colapso facilmente durante a ligação do plasma. Neste artigo, apresentamos um método de auto-montagem orientada por evaporação de nanopartículas de sílica coloidal para criar junções nanofluidic com sub-50 nm poros entre dois microcanais. A carga da superfície da junção nanofluidic de poros, bem como o tamanho é sintonizável simplesmente mudando a sílica coloidal e o tamanho do grânulo funcionalização de superfície exterior do dispositivo de microfluidos montados num frasco antes de o processo de auto-montagem. Utilizando o auto-montagem de nanopartículas com um tamanho de esfera de 300 nm, 500 nm e 900 nm, que era possível fabricar uma membrana porosa com um tamanho de poro de ~ 45 nM, ~ 75 nm e ~ 135 nm, respectivamente. sob elétricaal potencial, esta membrana iniciado polarização por concentração de íons (ICP) atuando nanoporous como uma membrana cátion-seletiva para concentrar DNA por ~ 1.700 vezes dentro de 15 min. Este processo de nanofabricação não litográfica abre uma nova oportunidade de construir uma junção nanofluidic sintonizável para o estudo de processos de transporte em nanoescala de íons e moléculas dentro de um chip microfluídico PDMS.

Introdução

Nanofluidics é uma área emergente de pesquisa de u TAS (Micro Systems Analysis total) para estudar os processos biológicos ou fenómenos de transporte de íons e moléculas na escala de comprimento de ¹⁰ janeiro - 10 fevereiro nm. Com o advento das ferramentas nanofluidic como nanocanais, processos de transporte de moléculas e íons podem ser monitorizados com uma precisão sem precedentes e manipulado, se necessário, através da exploração de recursos que estão disponíveis apenas nesta escala de comprimento para a separação e detecção. ^1,2 Um dos estas características em nanoescala característica é um elevado rácio de superfície de carga a granel (ou número Dukhin) em nanocanais que pode causar um desequilíbrio de carga e iniciar a polarização da concentração de iões (ICP) entre o nanochannel e ³ microcanal.

Uma plataforma dispositivo comum para o estudo de fenómenos nanofluidic consiste de um sistema de dois microcanais ligados por uma matriz de nanocanais como uma junção ^4-6. O material de escolha para a construção de um dispositivo, tal nanofluidic é o silício devido à sua elevada rigidez, que evita que o canal de entrar em colapso durante o processo de colagem. ⁷ No entanto, o dispositivo de fabricação de silício requer máscaras caros e quantidade substancial de tratamento na instalação de salas limpas. ^{8- 10} Devido à facilidade de fabricação do dispositivo de moldagem por meio de colagem e de plasma, de polidimetilsiloxano (PDMS) tem sido amplamente aceite como um material de construção para microfluidos e seria um material ideal para nanofluidics bem. No entanto, módulo de sua baixa de Young em torno de 360-870 kPa, torna o canal PDMS facilmente desmontável durante a ligação de plasma. A razão mínima aspecto da nanochannel (largura de profundidade) tem de ser inferior a 10: 1, o que significa que o fabrico de dispositivos PDMS via fotolitografia padrão irá tornar-se extremamente difícil se a profundidade nanochannel tem de ser inferior a 100 nm, o que requer uma largura de canal menos do que o limite atual de fotolitoografia em cerca de 1 uM. Para superar essa limitação, tem havido tentativas de criar nanocanais em PDMS usando métodos não-litografia, como alongamento para iniciar rachaduras com profundidade média de 78 nm ¹¹ ou para formar rugas após o tratamento de plasma. ¹² desmoronamento de um canal de PDMS com pressão mecânica permitiu uma altura nanochannel tão baixo quanto 60 nm. ¹³

Mesmo que esses métodos não litográficas altamente inventivos permitido nanocanais construção abaixo de 100 nm em profundidade, a controlabilidade dimensional da fabricação nanochannel ainda representa um obstáculo para uma ampla aceitação de PDMS como material de construção para dispositivos nanofluidic. Outro problema crítico das nanocanais, quer em silício ou PDMS, a funcionalização da superfície é no caso de haver uma necessidade de alterar a carga de superfície na parede do canal para a manipulação de iões ou moléculas. Após a montagem do dispositivo por meio de ligação, os nanocanais são extremamente difíceis dechegar para a funcionalização da superfície devido ao transporte limita-difusão. Para criar um canal de nanoescala com alta fidelidade dimensional e funcionalização da superfície fácil, o método de auto-montagem de partículas coloidais induzidas por evaporação ^14-16 em microcanais pode ser uma das abordagens promissoras. Além da capacidade de controlo de tamanho de poro e propriedades de superfície, existe ainda a possibilidade de ajustar o tamanho do poro in situ pelo uso de partículas coloidais revestidos com polielectrólitos, controlando a temperatura, pH ^{17, 18,19} e força iónica. ¹⁸ Devido a estes aplicações vantagens, o método de auto-montagem de partículas coloidais já encontrados para electrocromatograf, ²⁰ biossensores, a concentração de proteína ^{de 21} e ^{22 de} separação de proteínas e de DNA em microfluidics. ^14,23 neste estudo, foram implantados este método de auto-montagem para construir um dispositivo de pré-concentração electrokinetic emPDMS que requer uma junção entre duas nanofluidic microcanais. ²⁴ o mecanismo fundamental para trás a concentração electrocinético é baseado em polarização de concentração de iões (ICP). ²⁵ Uma descrição mais detalhada das etapas de fabricação e de montagem está incluído no seguinte protocolo.

Protocolo

1. Preparação da sílica coloidal Bead Suspensões

1. Preparação de 300 nm e 500 nm de sílica suspensões grânulo
   1. Vortex a suspensão de pasta talão de sílica (10% w / v em água) durante 30 seg. para se obter uma suspensão homogénea. Pipetar um total de 600 ul da suspensão para um tubo de 1,5 mL e centrifuga-se que em 2600 xg durante 1 min.
   2. Substituir o sobrenadante com 400 ul de tampão de fosfato de sódio 1 mM (PB, pH 7,0).
   3. Suspender os grânulos de sílica para uma concentração final de 15% em solução de fosfato de sódio 1 mM, a pH 7,0 através de agitação em vórtice.
2. Funcionalizar a superfície contas de 500 nm de sílica carboxilo com poli (cloridrato de alilamina, PAH), e com poli polielectr�itos (estireno sulfonato de sódio, PSS)
   1. Suspender 0,1 g de esferas de sílica de 500 nm com um grupo carboxilo, com 10 mL de NaCl 1 M (pH 7,0) para 1% (w / v) de suspensão de pérolas.
   2. Prepare 0,4% HAP (MW 65K) em 1 M NaCl por dissolução de 300 ul da solução-mãe (20% w / v em água) em 15 ml de 1 M de NaCl. Prepare 0,9% PSS (PM 70 K) em solução de 1 M de NaCl através da dissolução de 0,18 g PSS em 20 ml de solução 1 M de NaCl. Ambas as soluções Vortex durante 1 minuto. para dissolver os polielectrólitos completamente.
   3. Adicionar 200 uL de solução de HAP a 9,8 ml de 1% de partículas de sílica carboxilo em um tubo de 15 mL para depositar uma camada de polielectrólito de carga positiva em grânulos de sílica com grupo funcional carboxilo. Vortex a suspensão de esferas durante 1 minuto. e incubar-lo no tubo de um rotor durante 60 min. à TA.
   4. Centrifugar a suspensão do grânulo em 1801 xg durante 1 min. e lave os não ligados PAH cinco vezes com 10 ml de água DI. Depois de cada centrifugação e remoção do sobrenadante, as esferas foram densamente compactados na parte inferior do tubo. Interromper o grânulo aglomerado por pipetagem vigorosa com 2 ml de água desionizada antes da adição de 8 ml de água desionizada de modo a que as esferas podem ser re-suspenso e lavado antes do próximo passo de centrifugação.
   5. Segueos passos em 1.2.3 e 1.2.4 para revestimento PSS para depositar uma camada carregada negativamente sobre os grânulos. Re-suspender as pérolas em 9,8 ml de NaCl 1 M antes da deposição PSS após a remoção do sobrenadante de água Dl a partir do passo de lavagem de 5 ^th 1.2.4.
      1. Utilizar o mesmo passo de pipetagem vigorosa com 2 ml de NaCl a 1 M para quebrar a aglomeração do grânulo na parte inferior do tubo de 15 ml e, em seguida, adicionar 8 mL de 1 M de NaCl. Adicionar 200 uL de solução de PSS para 9,8 ml das pérolas depositado sobre sílica com uma camada única de HAP. Após vortex durante 1 min. e incubação durante 60 min. na rotator tubo, repita 5 etapas de lavagem com água DI.
      2. Medir o potencial zeta dos grânulos, antes e depois de cada revestimento polielectrólito utilizando um sistema de dispersão de luz dinâmica, de acordo com o protocolo do fabricante para verificar o procedimento de deposição de polielectrólito foi efectuado correctamente (ver Tabela 1).
   6. Repita cinco etapas de lavagem com água DI seguintes a camada PSS únicadeposição e re-suspender as pérolas em 650 ul de tampão de fosfato de sódio 1 mM com 0,05% de Tween 20 (15% w / v) antes da sua utilização no dispositivo de microfluidos para aumentar a sua fluidez.
3. Siga o procedimento descrito acima 1.2.5 a 1.2.6 para 500 nm esferas de sílica com grupo funcional amina para depositar uma camada única de PSS.

2. Fabricação do PDMS Microfluidic Chip

1. Microfabricação do mestre de silício
   1. Fabricar o mestre de silício para PDMS moldagem usando técnicas de microfabricação como segue.
      1. Spin revestimento de um fotorresiste fina 1 mm a 4.000 rpm em um wafer de silício. Padrão da camada usando projeção litografia (tempo de exposição de 170 ms.) E gravar 700 nanocanais planas profundas e 2 m de largura nm (atuando como nanoarmadilhas para as esferas de sílica) com gravação iónica reativa.
      2. Utilize os seguintes parâmetros de gravura para alcançar uma taxa de corrosão de 3,5 nm / s: CHF ₃ (45 sccm), (15 sccm) ₄ CF, Ar (100 sccm), pressão de 100 mTorr, de potência de RF de 200 W.
   2. Spin revestir a segunda camada de fotorresiste de espessura 1 mm a 2.000 rpm e realizar um alinhamento com as nanoarmadilhas previamente modelados. Pattern os microcanais via litografia contato e por ataque profunda reativa iônica (DRIE) de silício. Utilizar a DRIE parâmetros ²⁶ na Tabela 2.
2. Fabricação de PDMS molde
   1. Silanizar o mestre de silício com trichlorosilane (50 ul) em um frasco de vácuo O / N.
      CUIDADO: Tricholorosilane é um material tóxico e corrosivo. Sempre usá-lo em uma capa química com equipamento adequado de proteção pessoal.
   2. Misture a base para o agente de cura a 10: 1 de razão e elenco PDMS no mestre de silício silanizada e curá-la a 70 ° C durante 2 horas num forno de convecção.
   3. Remova a placa de PDMS do mestre de silício com uma ligação faca e plasma-lo em um wafer em branco usando um aspirador de plasma depois de um pltratamento de asma num aspirador de plasma durante 1 min. Anexar fitas ao longo da borda para marcar uma linha de partição para os seguintes PDMS passo de fundição.
   4. Silanizar o molde PDMS em um frasco de vácuo com trichlorosilane (50 ul) O / N.
   5. Fundido PDMS (base: agente de cura na proporção de 10: 1) sobre o molde PDMS silanizada e curá-la a 70 ° C durante 2 horas num forno de convecção.
3. Fabrico do dispositivo de PDMS
   1. Retire a laje PDMS curado a partir do molde PDMS ao longo da linha de partição marcada com a fita.
   2. furos reservatórios perfurados com socos biópsia 1,5 mm, limpo, com uma fita, lavar com álcool isopropílico (IPA) e secar com azoto.
   3. Plasma ligação do dispositivo de PDMS em um x 75 mm lâmina de microscópio de vidro de 25 mm após um tratamento com plasma em um aspirador de plasma para 1 min.
4. Ultrasonicate da suspensão de esferas durante 60 minutos. num banho de ultra-sons antes do enchimento. Pipetar uma suspensão de esferas 10 ul (300 nm de sílica não-funcionalizado seranúncios, ou 500 nm esferas de sílica carboxilo com camadas HAP-PSS, ou 500 esferas de amina nm de sílica com uma camada PSS) para as entradas 4 e 6 cada (ver Figura 1 A, B), imediatamente após a colagem do plasma do chip PDMS a um substrato de vidro. Toque suavemente sobre o chip PDMS com uma ponta de pipeta para melhorar a embalagem do grânulo.
   1. Após o preenchimento dos canais de entrega de talão, cobrir todas as entradas, exceto para 1 e 9 com fita adesiva. Secar o dispositivo durante 3 h e armazenar a 4 ° C antes de usar. A Figura 2 apresenta um esquema passo-a-passo do processo de auto-montagem coloidal.

3. Experiência por eletrocinéticas Concentração de DNA

1. Encher os reservatórios 3, 7 com uma solução tampão (10 ul de PB 1 mM) e reservatório 5 com uma amostra de ADN (10 uL de 10 nM em PB 1 mM) e aplica uma pressão negativa suave com uma ponta de pipeta invertido em reservatórios 2 , 8 e 10 para preencher os canais com as soluções sem bolhas (ver Figura 1B).
2. Adicionar 10 ml de PB 1 mM de reservatórios 2 e 8 e 10 ul de 10 nM DNA ao reservatório 10 para equilibrar a pressão e esperar por 5 min. para atingir o equilíbrio.
3. Insira os fios Pt em reservatórios 3, 5, 7, 10.
4. Aplicar a tensão através da junção nanofluidic utilizando um divisor de tensão ligado a um medidor de fonte e fios de Pt. Primeiro aplique 30 V em reservatórios 5, 10 e GND em reservatórios 3, 7.
5. Diminuir a tensão de 25 V no reservatório após 10 ~ 30 seg.
6. Usar um obturador mecânico com uma abertura periódica em cada 5 s para minimizar fotobranqueamento da amostra ao gravar os sinais de fluorescência do ADN.

Resultados

Um chip concentrador electrocinético PDMS em que contém uma junção nanofluidic auto-montados entre dois microcanais é mostrado na Figura 1A). O canal no meio do dispositivo é preenchido com uma solução de amostra de ADN e flanqueado por dois canais de solução tampão de cada lado por meio de um 50 um canal de largura de entrega talão (Figura 1B). A suspensão de sílica coloidal é levado para o canal de entrega grânulo imediatamente após a colagem do plasma...

Discussão

Seguindo o esquema de design do dispositivo comum para estudar nanofluidics, que fabricou uma junção nanofluidic entre dois canais microfluídicos usando a auto-montagem orientada por evaporação de nanopartículas coloidais em vez de lithographically padronização uma matriz de nanocanais. Quando fluir as partículas coloidais para dentro do canal de entrega do grânulo, uma matriz de nanoarmadilhas com uma profundidade de 700 nm e uma largura de 2 m em ambos os lados do canal de distribuição de pérolas a uma largura total d...

Materiais

Lista de materiais utilizados neste artigo

Nome	Empresa	Número de catálogo	Comentários
Poli(Ácido Estirenossulfônico) Sal de Sódio	Policiências	08772
Solução de Poli(alilamina)	Sigma Aldrich	479144-5G
Microesfera de Sílica - 300 nm	Policiências	24321
Microesfera de Sílica - 500 nm	Policiências	24323
Sílica Microesfera Carboxil Funcional - 500 nm	Policiências	24753
Sílica Microesfera Amina Funcional - 500 nm	Policiências	24756
Sylgard 184 Kit de Elastômero de Silicone	Dow Corning
Triclorossilano	Sigma Aldrich	175552
Limpador Ultrassônico	Rotador de Tubo Branson	3510
	VWR	10136-084
Misturador de vórtice	WiseMix	VM-10
Microcentrífuga	VWR	Micro 1207
Limpador de plasma	Harrick Plasma	PDC-001-HP
Misturador PDMS	Thinky	ARE-250
Forno	Thermo Scientific	PR305220M
Microscópio	de EpifluorescênciaCâmera CCD Nikon	Eclipse Ti
	Andor	Clara
Platinum Electrodes	Alfa Aesar	43014
Source Meter	Multímetro Digital Keithley	2400
	Extech	410
Microscopia Vidro Slides	Thermo Scientific	2951-001
Tween 20	Merck Millipore	822184
Cloreto de sódio	Fisher Scientific	7646-14-5
Fosfato de sódio monobásico	Sigma Aldrich	71505
Fosfato de sódio dibásico	Sigma Aldrich	S3264
DNA	IDT		CAA CCG ATG CCA CAT CAT TAG CTA C
B-Ficoeritrina	Life Technologies	P-800
Sistema de dispersão de luz dinâmica para medição de potencial Zeta	Malvern	Zetasizer Nano S
Photoresist	Shipley	SPR700-1.0
Projeção	litografia Nikon	NSR2005i9
Íon Reativo	Etcher Materiais Aplicados	AME P5000
ICP profundo reativo íon gravador	STS	STS-6 "
Contato litografia	Electronic Visions	EV620
Photoresist Coater Desenvolvedor	SSI	SSI 150
Perfiladora de superfície sem contato	Wyko	NT 9800