Abstract
Polydimethylsiloxan (PDMS) er den fremherskende byggemateriale at gøre mikrofluidenheder på grund af sin lette støbning og limning samt dens gennemsigtighed. På grund af den blødhed af PDMS materiale, men det er svært at anvende PDMS til opbygning nanochannels. Kanalerne har tendens til at kollapse let under plasma binding. I dette papir, præsenterer vi en fordampning-drevet selv-samling metode silica kolloid nanopartikler til at skabe nanofluidic vejkryds med sub-50 nm porer mellem to mikrokanaler. Porestørrelsen samt overfladeladningen af nanofluidic junction er afstemmelig blot ved at ændre det kolloide siliciumdioxid perlestørrelse og overfladefunktionalisering uden af den samlede mikrofluidanordning i et hætteglas før selvsamlende proces. Brug af selvsamling af nanopartikler med en vulst størrelse på 300 nm, 500 nm og 900 nm, var det muligt at fremstille en porøs membran med en porestørrelse på ~ 45 nm, ~ 75 nm og ~ 135 nm. Under elektriskal potentiale, til dette nanoporøse membran initieret ionkoncentration polarisering (ICP), der virker som en kation-selektiv membran koncentrere DNA ved ~ 1.700 gange inden for 15 min. Denne ikke-litografisk nanofabrikation proces åbner op for en ny mulighed for at opbygge en indstillelig nanofluidic knudepunkt for studiet af nanoskala transportprocesser af ioner og molekyler inde i en PDMS mikrofluid chip.
Introduction
Nanofluidics er en spirende forskningsområde af u-TAS (Micro Total Analysis Systems) til at studere biologiske processer eller transport fænomener af ioner og molekyler på længden omfanget af januar 10-februar 10 nm. Med fremkomsten af de nanofluidic værktøjer som nanochannels, kan overvåges transportprocesser af molekyler og ioner med en hidtil uset præcision og manipuleret, hvis det er nødvendigt, ved at udnytte funktioner, som kun er tilgængelige på denne længde skala for separation og detektion. 1,2 En af disse karakteristiske nanoskala funktioner er et højt forhold mellem overflade til bulk ladning (eller Dukhin nummer) i nanochannels der kan forårsage en afgift ubalance og initiere ionkoncentrationen polarisering (ICP) mellem nanochannel og mikrokanal. 3
En fælles enhed platform for studiet af nanofluidic fænomener består af en to-mikrokanalplade system, forbundet af en bred vifte af nanochannels som et vejkryds. 4-6 7. Men silicium enhed fabrikation kræver dyre masker og betydelig mængde af bearbejdning i renrummet facilitet. 8- 10 på grund af den bekvemmelighed i enhedens fabrikation gennem støbning og plasma bonding, polydimethylsiloxan (PDMS) er almindeligt accepteret som byggemateriale for mikrofluidik og det ville være et ideelt materiale til nanofluidics så godt. Men dens lave Youngs modul omkring 360-870 kPa, gør PDMS kanal let sammenklappelig under plasma binding. Den mindste formatforhold nanochannel (bredde til dybde) skal være mindre end 10: 1, hvilket betyder, at fremstillingen af PDMS enheder via standard fotolitografi bliver ekstremt udfordrende hvis nanochannel dybde skal være under 100 nm, hvilket kræver en kanalbredde mindre end den nuværende grænse på photolithography på omkring 1 um. For at overvinde denne begrænsning, har der været forsøg på at skabe nanochannels i PDMS anvender ikke-litografiske metoder såsom strække at indlede revner med gennemsnitlig dybde på 78 nm 11 eller danne rynker efter plasmabehandling. 12 kollapse en PDMS kanal med mekanisk tryk tillod en nanochannel højde så lav som 60 nm. 13
Selvom disse meget opfindsomme ikke-litografiske metoder tilladt bygning nanochannels under 100 nm i dybden, den dimensionelle styrbarhed af nanochannel fabrikation stadig udgør en hindring for en bred accept af PDMS som byggemateriale til nanofluidic enheder. Et andet kritisk problem af nanochannels, enten i silicium eller PDMS, er overfladen funktionalisering, hvis der er behov for at ændre overfladen afgift på kanalvæggen til manipulation af ioner eller molekyler. Efter enheden samling ved limning, de nanochannels er ekstremt vanskelige atnå til overfladefunktionalisering grund af diffusion begrænset transport. For at oprette en nanoskala kanal med høj dimensional troskab og facile overfladefunktionalisering, kan selv-samling metode kolloide partikler fremkaldt af fordampning 14-16 i mikrovæskeanordninger være en af de lovende metoder. Udover kontrollerbarhed porestørrelsen og overfladen ejendom, der er endda en mulighed for at tune størrelsen af pore in situ ved brug kolloide partikler overtrukket med polyelektrolytter ved temperaturregulering, 17 pH, 18,19 og ionstyrke. 18 På grund af disse fordele, har den selvsamlende fremgangsmåde til kolloide partikler allerede fundet ansøgninger om elektrochromatografi, 20 biosensorer, 21 proteinkoncentration 22 og adskillelse af proteiner og DNA i mikrofluidik. 14,23 i denne undersøgelse har vi indsat denne selvsamlende metode til at opbygge en elektrokinetisk preconcentration enhed iPDMS, der kræver en nanofluidic krydset mellem to mikrokanaler. 24 Den grundlæggende mekanisme bag elektrokinetiske koncentration er baseret på ion-koncentration polarisering (ICP). 25. En detaljeret beskrivelse af fabrikation og montage skridt er inkluderet i følgende protokol.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Fremstilling af kolloid silica Bead Suspensioner
- Fremstilling af 300 nm og 500 nm silica perle suspensioner
- Vortex silica bead stock suspension (10% vægt / volumen i vand) i 30 sek. at opnå en homogen suspension. Pipette i alt 600 pi stock suspension i et 1,5 ml rør og centrifugeres den ved 2.600 xg i 1 min.
- Erstat supernatanten med 400 pi 1 mM natriumphosphatpuffer (PB, pH 7,0).
- Suspender silicaperlerne til en slutkoncentration på 15% i 1 mM natriumphosphat med pH 7,0 gennem hvirvelbehandling.
- Surface funktionalisere 500 nm silica carboxylgrupper perler med poly (allylaminhydrochlorid, PAH) og med poly (natrium styrensulfonat, PSS) polyelektrolytter
- Suspender 0,1 g 500 nm silicaperler med carboxylgruppe med 10 ml 1 M NaCl (pH 7,0) i 1% (vægt / volumen) bead suspension.
- Forbered 0,4% PAH (MW 65K) i 1 M NACl ved at opløse 300 pi af stamopløsningen (20% w / i vand) i 15 ml 1 M NaCl. Forbered 0,9% PSS (MW 70K) i 1 M NaCl-opløsning ved at opløse 0,18 g PSS i 20 ml 1 M NaCl-opløsning. Vortex begge løsninger for 1 min. at opløse polyelektrolytter fuldstændigt.
- Tilsæt 200 pi PAH-opløsning til 9,8 ml 1% silica carboxylgrupper perler i et 15 ml rør til at deponere en positivt ladet polyelektrolyt lag på silicaperler med funktionel carboxylgruppe. Vortex perlesuspensionen i 1 min. og inkuber det på et rør rotator i 60 minutter. ved stuetemperatur.
- Centrifuger perlen suspension ved 1801 x g i 1 min. og vaske de ubundne PAH fem gange med 10 ml DI-vand. Efter hver centrifuge og fjernelse af supernatanten blev perlerne tæt pakket i bunden af røret. Forstyrre bead klump ved kraftig pipettering med 2 ml DI-vand før tilsætning 8 ml DI-vand, således at perlerne kan resuspenderes og vaskes før næste centrifuge trin.
- Følgetrinene i 1.2.3 og 1.2.4 for PSS belægning for at deponere et negativt ladet lag på perlerne. Re-suspendere perlerne i 9,8 ml 1 M NaCl forud for PSS aflejring efter fjernelse af deioniseret vand supernatant fra 5 th vasketrin af 1.2.4.
- Brug samme kraftig pipettering trin med 2 ml 1 M NaCl til at bryde op perlen klump på bunden af 15 ml rør og derefter tilsættes 8 ml 1 M NaCl. Tilsæt 200 pi PSS opløsning til 9,8 ml silicaperlerne deponeret hos en enkelt PAH lag. Efter hvirvelbehandling i 1 min. og inkubation i 60 minutter. på røret rotator, gentag 5 vasketrin med DI vand.
- Mål zetapotentialet af perlerne før og efter hver polyelektrolyt belægning ved anvendelse af en dynamisk lysspredning ifølge producentens protokol til at kontrollere polyelektrolyt deposition procedure er blevet udført korrekt (se tabel 1).
- Gentag fem vasketrin med DI vand efter den eneste PSS lagetaflejring og resuspender perlerne i 650 pi 1 mM natriumphosphatpuffer med 0,05% Tween 20 (15% vægt / volumen) før anvendelse i den mikrofluidapparat at forøge dets flydeevne.
- Følg fremgangsmåden beskrevet ovenfor fra 1.2.5 til 1.2.6 i 500 nm silicaperler med aminfunktionelle gruppe til at deponere et enkelt lag af PSS.
2. Fremstilling af PDMS Mikrofluid Chip
- Mikrofabrikation af silicium masteren
- Fremstille silicium master for PDMS støbning hjælp microfabrication teknikker som følger.
- Spin coat en 1 um tynd fotoresist ved 4000 rpm på en siliciumskive. Mønster laget ved hjælp projektion litografi (eksponeringstid 170 msek.) Og ætse 700 nm dybe og 2 um brede plane nanochannels (fungerer som nanotraps for silica perler) med reaktiv ion ætsning.
- Brug følgende ætsning parametre for at opnå en etch på 3,5 nm / s: CHF 3 (45 SCCM), CF 4 (15 sccm), Ar (100 sccm), tryk 100 mTorr, RF-effekt 200 W.
- Spin pels den anden 1 um tykt fotoresist lag ved 2.000 rpm og udføre en tilpasning til de tidligere mønstrede nanotraps. Mønster mikrokanalerne via kontakt litografi og ved dyb reaktiv ion ætsning (DRIE) af silicium. Brug DRIE parametre 26 i tabel 2.
- Fremstille silicium master for PDMS støbning hjælp microfabrication teknikker som følger.
- Fremstilling af PDMS skimmel
- Silanize silicium master med trichlorsilan (50 pl) i et vakuum krukke O / N.
ADVARSEL: Tricholorosilane er et giftigt og ætsende materiale. bruger det altid i en kemisk hætte med korrekt personlige værnemidler. - Bland basen til hærderen ved 10: 1 ratio og støbte PDMS på silaniserede silicium master og helbrede den ved 70 ° C i 2 timer i en konvektionsovn.
- Fjern PDMS plade fra silicium master med en kniv og plasma obligation det på en tom wafer ved hjælp af et plasma renere efter en plasma behandling i et plasma renere for 1 min. Vedhæft bånd langs kanten for at markere en partition linje for følgende PDMS støbning trin.
- Silanize PDMS skimmel i et vakuum krukke med trichlorsilan (50 pi) O / N.
- Cast PDMS (base: hærder ved 10: 1-forhold) på silaniserede PDMS mug og helbrede den ved 70 ° C i 2 timer i en konvektionsovn.
- Silanize silicium master med trichlorsilan (50 pl) i et vakuum krukke O / N.
- Fremstilling af PDMS-enhed
- Træk den hærdede PDMS plade fra PDMS støbeformen langs skillevæggen linie mærket med tapen.
- Punch reservoir huller med 1,5 mm biopsitang, ren med et bånd, skylles med isopropylalkohol (IPA) og tør med nitrogen.
- Plasma binding PDMS enhed på en 25 mm x 75 mm mikroskop objektglas efter en plasmabehandling i et plasma renere for 1 min.
- Ultralydsbehandles perlesuspensionen i 60 min. i et ultralydsbad før påfyldning. Afpipetteres en 10 pi bead suspension (300 nm ikke-funktionaliseret silica væreannoncer eller 500 nm silica carboxylgrupper perler med PAH-PSS lag eller 500 nm silica amin perler med en PSS lag) i indløbene 4 og 6 hver (se figur 1 A, B) umiddelbart efter plasma binding af PDMS chip til en glassubstratet. Tap forsigtigt på PDMS chip med en pipettespids for at forbedre perlen pakning.
- Efter påfyldning af perle leveringskanaler, dække alle indgange undtagen 1 og 9 med tape. Lufttørres enheden i 3 timer og opbevares ved 4 ° C før brug. Figur 2 giver en trin-for-trin skematiske af det kolloide selvsamlende proces.
3. Eksperiment for elektrokinetisk Koncentration af DNA
- Fyld reservoirerne 3, 7 med en bufferopløsning (10 pi 1 mM PB) og reservoir 5 med en DNA-prøve (10 pi 10 nM i 1 mM PB) og anvende en blid undertryk med en omvendt pipettespids på reservoirer 2 , 8 og 10 for at fylde kanalerne med løsningerne uden bobler (se
- Tilsæt 10 pi 1 mM PB til reservoirer 2 og 8 og 10 pi 10 nM DNA til reservoir 10 til at afbalancere tryk og vente i 5 min. at nå ligevægt.
- Sæt Pt ledninger i reservoirer 3, 5, 7, 10.
- Påfør spænding over nanofluidic junction ved anvendelse af en spændingsdeler forbundet med en kilde meter og Pt ledninger. Først gælder 30 V på reservoirer 5, 10 og GND på reservoirer 3, 7.
- Reducer spændingen til 25 V på reservoiret 10 efter ~ 30 sek.
- Brug en mekanisk lukker med en periodisk åbning i hver 5 s for at minimere fotoblegning af prøven ved optagelse fluorescens signaler fra DNA.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
En elektrokinetiske koncentrator chip i PDMS, som indeholder en selv-samlet nanofluidic forbindelse mellem to mikrokanaler er vist i figur 1A). Kanalen i midten af indretningen er fyldt med en DNA-prøve-opløsning og flankeret af to pufferopløsning kanaler på hver side via en 50 um bred vulst levering kanal (figur 1B). Den silica kolloid suspension flyves i perlen levering kanal umiddelbart efter plasma limning for at skabe en nanofluidic junction mellem prøven og bufferopløsningen kanal. Den nanotrap matrix bestående af 700 nm dybe og 2 um brede nanochannels bruges til at fange de kolloide partikler. Dens scannede billede opnået med en ikke-kontaktflade profiler er vist i figur 1C). De kolloide perle membraner efter inddampning er vist i figur 1D). SEM i figur 1E) viser silicaperler fældenped på det plane nanotrap arrayet separere prøven kanal fra perlen levering kanal. Den 300 nm silica perle pakning viser stærkt bestilt sekskantede pakning med nogle mindre fejl, der kan forårsage en variation i koncentrationen adfærd (figur 1F). Udformningen af PDMS koncentrator chip med dens dimensioner kan findes her og i Supplemental Files.
Figur 1. Mikrofluid koncentrator i PDMS med integreret sub-50 nm nanoporøse junction. (A) Foto af PDMS koncentrator enheden. (B) Skematisk af mikro-nanofluidic enhed med en vulst levering kanal mellem prøven og pufferopløsning kanal. Den spænding over perle membranerne mellem prøven kanal og bufferopløsningen lmannels. (C) Overflade profil af nanotrap array i PDMS med en bredde på 2 um og en dybde på 700 nm. (D) mikrograf af indretningen med en kolloid partikel samling inde i perlen levering kanal efter inddampning. (E) Scanning elektronmikrografi af selv-samlet 300 nm silica kolloide partikler med nanotrap arrays mellem prøven og buffer kanal. De 300 nm perler er fanget ved indgangen af nanotraps grund af overfladespænding. (F) hexagonalt pakket 300 nm siliciumoxidperler inde perlen levering mikrokanalplade efter inddampning. (Tilpasset fra ref. 25 med tilladelse fra The Royal Society of Chemistry) Klik her for at se en større version af dette tal.
En skematisk af microfabrication skridt til PDMS concentrator enheden er vist i figur 2. For at gøre en PDMS-enhed, er en dobbelt PDMS støbning påkrævet. Perlen fyldningsprocessen i PDMS koncentratoren er vist i figur 3. Detaljerne for mikrofabrikation og påfyldningsprocessen kan findes i protokollen. Zetapotentialet af silicaperlerne uden og med polyelektrolyt overtræk er vist i tabel 1.
Figur 2. Skematisk af fremstillingsprocessen for silicium skibsføreren, PDMS master og PDMS koncentrator enheden. Efter to fotolitografiske og ætsning trin, er silicium mester støbt med PDMS. Efter en dobbelt-støbning, er PDMS enhed samles via plasma limning og fyldt med en perle suspension. Klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 3. Trin-for-trin skematiske for selvsamling af kolloide silicaperler. 10 pi af perlen suspension blev pipetteret i de bead leveringskanaler umiddelbart efter plasmabehandling. Når perlen levering kanal var fyldt, blev alle undtagen to indløb 1 og 9 dækket med tape og anordninger lufttørret i 3 timer inden anvendelse. (Gengivet fra ref. 25 med tilladelse fra The Royal Society of Chemistry) Klik her for at se en større version af dette tal.
| Kolloide partikler (500 nm) | Zeta potentiale (mV) |
| Silica | -2,04 |
| Silica amin | 19.6 |
| Silica carboxyl | -19,73 |
| Silica carboxyl, PAH overtrukket | 31,8 |
| Silica carboxyl, PAH, PSS overtrukket | -28,5 |
| Silica amin, PSS overtrukket | -31,2 |
Tabel 1. Zeta potentiale silicaperler ved 25 ° C. 0,1% (vægt / volumen) kolloide opløsninger blev anvendt til målingerne (n = 3).
SEM-billeder taget fra perlen pakning kanalen, efter udtørring viser en porestørrelse i området mellem 60 nm, 91 nm og 170 nm, som vist i figur 4. Porestørrelsen svarer til ca. 20% af perlen størrelse, 300 nm, 500 nm og 900 nm (15% af perlen diameter er den teoretiske porestørrelse).
Figur 4. SEM billeder af selv-samlet 300 nm (A), 500 nm (B) og 900 nm (C) silica kolloid bead pakning. PDMS indretninger blev reversibelt bundet til objektglas og perler fløjet ind i kanalen ved hjælp af undertryk. Efter lufttørring indretningerne O / N blev PDMS anordninger skrællet af glasset omhyggeligt og afbildes. This porestørrelser blev estimeret til at være 60 ± 2, 91 ± 5 og 170 ± 7 nm til 300 nm, 500 nm og 900 nm perler henholdsvis (n = 9). Disse porestørrelser var tæt på den teoretiske størrelse, ~ 15% af perlen diameter. (Tilpasset fra ref. 25 med tilladelse fra The Royal Society of Chemistry) Klik her for at se en større version af dette tal.
Ved anvendelsen spænding på 30 V på tværs af 300 nm bead membran, blev en ion depleteringslag observeret nær det kolloide membran inde i en mikrokanal fyldt med enfluorescerende mærkede DNA (figur 5 A, B). Ved sænkning af spændingen til 25 V på venstre side, fik DNA-molekylerne akkumuleret i form af en prop og dets koncentration steg som følge af elektroosmotisk strømning drives af en spændingsforskel på 30 V- 25 V over prøven kanal (fig 5 C , D).
Figur 5. Tid-lapse mikrofotografier viser dannelsen af en ion depletionsområdet nær de nanofluidic kolloide knudepunkter i kanalen fyldt med DNA (initial koncentration på 10 nM). The ion udtømning region blev initieret ved t = 10 s og en koncentreret DNA plug blev genereret ved V2 = 30 V og V1 = 25 V over prøven kanal, mens de heri kanaler blev jordet. De stiplede linier er blevet brugt til at fremhæve de kanaler vægge. En koncentration faktor på ~ 1.700 folder blev opnået inden for 15 min. usynge en 300 nm kolloid membran. (Gengivet fra ref. 25 med tilladelse fra The Royal Society of Chemistry) Klik her for at se en større version af dette tal.
De silica membraner med en perle størrelse på 300 nm og 500 nm viste den højeste koncentration faktor på ~ 1.700 gange for Cy 5 mærkede DNA (CAA CCG ATG CCA CAT CAT TAG CTA C) inden for 15 min. (Figur 6 A, B). Polyelektrolytten-belagt silica perle membraner førte til en 200- til 1000-gange stigning i DNA-koncentrationen efter 15 min. (Figur 6 C, D).
Figur 6. Fluorescensintensitet af DNA som en funktion af tiden for (A) 300 nm silicaperler (B) 500 nm silicaperler end (C) 500 nm PSS-overtrukne silica amin perler og (D) 500 nm PAH / PSS overtrukket silica carboxylgrupper perler. De stiplede linier repræsenterer fluorescenssignalet intensitetsniveau til 10 Nm (A, B, C, D), 17 uM (A, B), 2 uM (C) og 10 uM (D) DNA. Resultaterne er blevet normaliseret mod baggrundsfluorescens. (Gengivet fra ref. 25 med tilladelse fra The Royal Society of Chemistry) Klik her for at se en større version af dette tal.
| behandlingstiden | Etch tilstand | passivering tilstand |
| behandlingstiden | 6 s | 4,5 s |
| overskridelse | 0,5 s | 0 s |
| Platen generator Power | 80 W | 60 W |
| Coil generator Power | 600 W | 600 W |
| Gas | SF 6 70 SCCM | C 4 F 8 35 sccm |
| ætsehastighed | 1,47 um / min | |
Tabel 2. drie parametre.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Efter den fælles enhed designskema at studere nanofluidics, vi fabrikeret en nanofluidic forbindelse mellem to mikrofluidkanaler ved hjælp af inddampning-drevne selvsamling af kolloide nanopartikler i stedet for litografisk mønstring et array af nanochannels. Når strømmer de kolloide partikler til perlen levering kanal, et array af nanotraps med en dybde på 700 nm og en bredde på 2 um på begge sider af perlen levering kanal til en samlet bredde på 100 um forhindrede perlesuspensionen i at strømme ind i puffer og prøve kanal på grund af overfladespændingen på nanotraps. Når fanget, de kolloide partikler pakket i perlen levering kanal hurtigt og dannede en nanoporøst junction mellem prøven og buffer kanal.
Det er vigtigt at indlæse perlesuspensionen umiddelbart efter plasma bonding, så den kapillære kraft driver silica bead suspension op til indgangen af udløbet reservoirs i midlertidigt hydrofile bead levering kanal. For at forhindre en luftboble blokerer strømningen i indløbet reservoir, er det stærkt anbefales at nå bunden af reservoiret med en pipettespids og derefter slippe vulsten suspension ind i reservoiret. I tilfælde af overflade-funktionaliserede perler med polyelektrolytter, blev deres strømningsevne mindsket betydeligt sammenlignet med silicaperlerne uden overfladefunktionalisering og tendens til at aggregere lettere og overholde kanaloverfladen under fyldeprocessen. For at forhindre en tilstopning af kanalen med polyelektrolytten-perler, vi tilføjet et overfladeaktivt middel, 0,05% Tween 20, til perlen suspension. I tilfælde var der stadig en tilstopning problem under fyldning, en blid aflytning på PDMS chip med en pipettespids generelt bidraget til at løse det.
Det er også vigtigt, at vulsten suspensionen ikke blev fuldstændig tørret ud efter inddampning, da det ville være vanskeligt at infiltrate perlen membran med natriumphosphatpufferopløsning igen. Derfor, efter 3 timer af delvis fordampning, alle ind- og udløb af PDMS-enheden blev tapede og holdt ved 4 ° C til opbevaring før anvendelse, så perlen pakning forbliver fugtigt. Under preconcentration eksperimenter, den selv-samlet perle fastholdt sin strukturelle stabilitet for det meste. Men i enkelte tilfælde, observerede vi en forskydning af perlerne, der er angivet en defekt pakning af perlerne i mikrokanaler. De selv-samlet silicaperler spænder fra en diameter på 900 nm ned til 300 nm efter selv-samling kan ses i figur 4. Den teoretiske porestørrelse af perlen pakning var ~ 45 nm, ca. ~ 15% af den kolloide partikel diameter. Vi kunne bekræfte porestørrelsen ved anvendelse af en SEM-analyse og målt en porestørrelse ca. 20% af perlen diameter efter pakningen.
Brug af selv-samlet 300 nm og 500 nm kolloide partikel membraner som en ion-selektiv nanoporous junction, kunne vi indlede ion depletionsområdet ved 30 V og koncentrere 10 nM Cy5-mærkede DNA (CAA CCG ATG CCA CAT CAT TAG CTA C) i 1 mM natriumphosphatpuffer (figur 5). Ved kontinuerligt strømmer DNA-prøven mod ion depleteringszone med en elektroosmotisk strømning ved en spændingsforskel V 2 -V 1 = 5 V, kunne vi øge den initiale DNA-koncentration ved ~ 1.700 folder inden for 15 min. (Figur 6a, b). 500 nm perler tilladt mere robust DNA-koncentration end 300 nm perler, som vist i figur 6b). Eftersom elektrokinetiske koncentration er baseret på en kraft balance mellem elektroosmotiske kraft, og de stærkt ulineære elektroforetiske kræfter, er den resulterende koncentration faktor bestemt af den grad, i hvilken denne kraft balance kan opretholdes under elektrokinetisk koncentration. 27
En anden væsentlig fordel ved at indsætte de kolloide partikler til at bygge en nanofluidic vejkryds er den lethed, hvormed dens overflade funktionalisering kan udføres. Stedet for at skabe en nanochannel gennem binding først og derefter udføre en overflade funktionalisering på den, kan vi simpelthen overfladen funktionalisere de kolloide partikler i et hætteglas uden for indretningen først og derefter strømme dem ind i kanalen for selv-samling. Baseret på denne metode, kunne vi indlede ICP hjælp af 500 nm silica amin partikler overtrukket med et enkelt lag af PSS og 500 nm silicapartikler carboxylgrupper partikler belagt med et lag af PAH og PSS (Figur 6 c og d), ved lavere spændinger (8 V og 10 V,) end de kolloide partikler uden overfladefunktionalisering (30 V). Dette resultat viser, at overfladen funktionalisering af de kolloide partikler forud for selv-samling var effektiv til at forøge overfladeladning af kolloide partikler og resulterede i højere ICP. Men med hensyn til koncentratoren faktor udvundet, nanofluidic krydset af overfladen funktionaliserede perler var mindre effektiv end den ikke-funktionaliserede siLică perler. Amin / PSS-belagte kugler aktiveret en faktor ~ 200, mens carboxyl / PAH / PSS bead membran viste en 1000-fold stigning efter 15 min. (Figur 6d). Dette resultat kan forklares ved en højere overfladeladning af overfladen funktionaliserede nanoporerne der førte til en forøget længde af ionen depletionsområdet skubbe koncentrationen prøvestik længere væk fra perlen membranen og derfor mindre stabil koncentration. Vi mener, at afkorte den samlede bredde af nanoporøse bead membran fra aktuelt 1 mm (den del af perlen membran parallelt med prøven kanal) kunne afhjælpe denne ustabilitet problem. Ifølge vores tidligere undersøgelse, bredden af nanoporøse junction bestemmer mængden af ionisk strøm, som passerer gennem den. 28 som bredden øges, de ioniske strømmen øges, og eftersom flere kationer kan migrere gennem membranen, opfiskning længde øges og koncentrationen stik yderligere skubbet væk fra nanoporøse krydset. Tderfor undersøgte forekommer akkumulering i en mindre begrænset måde og prøven stikket bliver mindre stabil. Empirisk bør nanoporøse junction være ~ 100-400 um i bredden. En anden funktion til forbedring var en utilstrækkelig tykkelse af PDMS væg på 15 pm mellem prøven kanal og vulsten levering. Denne tynde PDMS sektion førte til en utilstrækkelig binding, der aktiveret en ionisk strøm mellem buffer og prøven kanal. Derfor hele bead membran sektion parallelt med prøven kanal (1 mm i bredden) optrådte som et nanoporøst junction, selv om kun 100 um af vulsten var tænkt som en nanoporøst junction membran ifølge totale bredde af nanotrap array. PDMS vægtykkelse bør være mindst 25 um eller højere.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Acknowledgments
Dette arbejde blev støttet af NIH R21 EB008177-01A2 og New York University Abu Dhabi (NYUAD) Forskning Enhancement Fund 2013. Vi udtrykker vores tak til det tekniske personale på MIT MTL for deres støtte under mikrofabrikation og James Weston og Nikolas Giakoumidis af NYUAD for deres støtte i at tage SEM billeder og opbygge en spændingsdeler, hhv. Indretningen fabrikation i PDMS blev gennemført i mikrofabrikation kerne facilitet i NYUAD. Endelig vil vi gerne takke Rebecca Pittam fra NYUAD Center for Digital Scholarship til video optagelse og 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. Microfluidic-assisted growth of colloidal crystals. Soft Matter. 8, 3526-3537 (2012).
- 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. Electropreconcentration with Charge-Selective Nanochannels. Anal Chem. 80, 9542-9550 (2008).
- Ko, S. H., et al. Nanofluidic preconcentration device in a straight microchannel using ion concentration polarization. Lab Chip. 12, 4472-4482 (2012).
