Abstract
Polydimethylsiloxaan (PDMS) is het heersende bouwmateriaal microfluïdische inrichtingen maken vanwege het eenvoudige vormen en lijmen en transparantie. Door de zachtheid van het PDMS materiaal, is het echter moeilijk te gebruiken voor het bouwen PDMS nanokanalen. De kanalen hebben de neiging om gemakkelijk instorten tijdens plasma binding. In dit artikel geven we een verdamping gedreven zelfassemblage methode silica colloïdale nanodeeltjes nanofluidic kruispunten maken met sub-50 nm poriën tussen twee microkanalen. De poriegrootte en de oppervlaktelading van de nanofluidic junctie instelbaar door eenvoudig de colloïdale silica korrelgrootte en oppervlak functionalisering buiten het samengestelde microfluïdische apparaat in een flesje voor de zelf-assemblageproces. Met de zelfassemblage van nanodeeltjes met een korrelgrootte van 300 nm, 500 nm en 900 nm, was het mogelijk om een poreus membraan te vervaardigen met een poriegrootte van 45 nm ~, ~ 75 nm tot ~ 135 nm. onder elektrischal potentieel, deze nanoporeuze membraan geïnitieerd ion concentratie polarisatie (ICP) fungeren als een kation-selectief membraan DNA door ~ 1700 keer concentreren binnen 15 min. Deze niet-lithografische proces nanofabricage opent een nieuwe kans om een afstembare nanofluidic knooppunt voor de studie van nanoschaal transportprocessen van ionen en moleculen in een PDMS microfluïdische chip bouwen.
Introduction
Nanofluidics is een opkomende onderzoeksgebied van μ TAS (Micro Totaal Analyse Systems) om biologische processen of transport verschijnselen van ionen en moleculen in de lengte schaal van 10 1 te bestuderen - 10 2 nm. Met de komst van de nanofluidic hulpmiddelen zoals nanokanalen kan transportprocessen van moleculen en ionen worden bewaakt met uiterste nauwkeurigheid en gemanipuleerd, indien nodig, door gebruik functies die alleen in deze lengteschaal voor scheiding en detectie beschikbaar zijn. Een van 1,2 deze karakteristieke nanoschaal kenmerken is een hoge verhouding van oppervlak bulk lading (of Dukhin nummer) in nanokanalen dat een lading onbalans kan veroorzaken en initiëren ion concentratie polarisatie (ICP) tussen de nanokanaal en microkanaal. 3
Een gemeenschappelijke inrichting platform voor het bestuderen van fenomenen nanofluidic bestaat uit twee microkanaal systeem verbonden door een reeks nanokanalen als knooppunt. 4-6 7 echter silicium inrichting fabricage vereist dure maskers en aanzienlijke hoeveelheid verwerking in de cleanroom. 8- 10 Vanwege het gemak van fabricage inrichting met vormen en plasma binden, polydimethylsiloxaan (PDMS) is algemeen geaccepteerd als bouwmateriaal voor microfluïdische en zou een ideaal materiaal voor nanofluidics ook. Echter, de lage Young's modulus rond 360-870 kPa, maakt het PDMS kanaal gemakkelijk opvouwbaar tijdens plasma binding. De minimale verhouding van de nanokanaal (breedte diepte) minder dan 10 te zijn: 1, wat betekent dat de vervaardiging van PDMS apparaten via standaard fotolithografie extreem moeilijk wordt indien de nanokanaal diepte moet zijn dan 100 nm, waarbij een kanaalbreedte minder dan de huidige limiet van photolithOGRAFIE ongeveer 1 micrometer. Om deze beperking te overwinnen, zijn er pogingen gedaan om nanokanalen in PDMS met behulp van niet-lithografische methoden zoals die zich uitstrekt tot scheuren te starten met een gemiddelde diepte van 78 nm 11 of te vormen rimpels na plasmabehandeling te creëren. 12 instortende een PDMS kanaal met mechanische druk toegestaan een nanokanaal hoogte zo laag als 60 nm. 13
Hoewel deze zeer inventieve niet-lithografische methoden toegestaan gebouw nanokanalen onder 100 nm in de diepte, de dimensionele beheersbaarheid van het nanokanaal fabricage vormt nog steeds een obstakel voor een brede acceptatie van PDMS als bouwmateriaal voor nanofluidic apparaten. Een ander kritiek probleem van de nanokanaaltjes, hetzij in silicium of PDMS, is het oppervlak functionalisering in het geval er behoefte is om de oppervlaktelading op de kanaalwand voor het manipuleren van ionen of moleculen veranderen. Nadat het apparaat de montage door middel van binding, de nanokanalen zijn uiterst moeilijk tebereiken voor oppervlakte functionalisatie als gevolg van de diffusie beperkt transport. Om een nanoschaal kanaal met een hoge dimensionele trouw en facile oppervlak functionalisering te creëren, kan de zelf-assemblage methode om colloïdale deeltjes veroorzaakt door verdamping 14-16 in microfluïdische apparaten een van de veelbelovende benaderingen. Naast de beheersbaarheid van poriegrootte en oppervlak bezit, is er ook de mogelijkheid om af te stemmen de grootte van de poriën in-situ bij het gebruik van colloïdale deeltjes bekleed met polyelektrolyten door het regelen van temperatuur, 17 pH, 18,19 en ionensterkte. 18 Door deze voordelen, heeft de zelfassemblage werkwijze colloïdale deeltjes reeds toepassing gevonden voor electrochromatografie, 20 biosensoren, 21 eiwitconcentratie 22 en scheiding van eiwitten en DNA in microfluïdische. 14,23 in deze studie, opgesteld we dit zelfassemblage methode om een te bouwen elektrokinetische voorconcentrering apparaat inPDMS een nanofluidic overgang tussen twee microkanalen vereist. 24 De fundamentele mechanisme achter de elektrokinetische concentratie is gebaseerd op ionenconcentratie polarisatie (ICP). 25 Gedetailleerde beschrijving van fabricage en assemblage stappen is bij het volgende protocol.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Voorbereiding van de silica Colloïdaal Bead Schorsingen
- Voorbereiding van de 300 nm en 500 nm silica kraal suspensies
- Vortex de silica kraal voorraadsuspensie (10% w / v in water) gedurende 30 sec. om een homogene suspensie te verkrijgen. Pipetteer een totaal van 600 ui voorraad suspensie in een 1,5 ml buis en centrifugeer het op 2600 g gedurende 1 min.
- Vervanging van de supernatant met 400 ui 1 mM natriumfosfaatbuffer (PB, pH 7,0).
- Schorsen de silica korrels in een eindconcentratie van 15% in 1 mM natriumfosfaat bij pH 7,0 met vortexen.
- Oppervlak te functionaliseren 500 nm silica carboxyl kralen met poly (allylamine hydrochloride, PAH), en poly (natrium styreensulfonaat, PSS) polyelektrolyten
- Suspendeer 0,1 g 500 nm silicapareltjes met carboxylgroep met 10 ml 1 M NaCl (pH 7,0) gedurende 1% (w / v) kralensuspensie.
- Bereid 0,4% PAH (MW 65K) in 1 M NaCll door het oplossen van 300 pl van de stock oplossing (20% w / v in water) in 15 ml 1 M NaCl. Bereid 0,9% PSS (MW 70K) in 1 M NaCl-oplossing door het oplossen van 0,18 g PSS in 20 ml 1 M NaCl oplossing. Vortex beide oplossingen gedurende 1 min. de polyelektrolyten volledig op te lossen.
- Voeg 200 gl PAH oplossing van 9,8 ml 1% carboxyl silica korrels in een 15 ml buisje met een positief geladen polyelektrolyt laag op siliciumoxideparels met carboxyl functionele groep deponeren. Vortex de parelsuspensie gedurende 1 min. en incubeer het op een buis rotator gedurende 60 minuten. bij kamertemperatuur.
- Centrifugeer de suspensie bij bead 1801 xg gedurende 1 min. en afwassen de ongebonden PAH vijfmaal met 10 ml DI water. Na elke centrifuge en verwijdering van het supernatant werden de korrels dichtgepakte op de bodem van de buis. Breek de kraal massa door krachtig pipetteren met 2 ml gedeïoniseerd water voor het toevoegen van 8 ml DI water zodat de korrels kunnen worden geresuspendeerd en gewassen voorafgaand buiten naar de volgende stap centrifuge.
- Volgende stappen in 1.2.3 en 1.2.4 PSS bekleding op een negatief geladen laag afzetten op de korrels. Resuspendeer de kralen in 9,8 ml 1 M NaCl voor de PSS afzetting na het verwijderen DI water supernatant van de 5 e wasstap van 1.2.4.
- Gebruik dezelfde krachtige pipetteren stap middels 2 ml van 1 M NaCl te doorbreken de kraal massa onderin de 15 ml buis en voeg 8 ml van 1 M NaCl. Voeg 200 ul PSS oplossing 9,8 ml van de silica korrels afgezet met een enkele laag PAH. Na vortexen gedurende 1 min. en incubatie gedurende 60 min. op de buis rotator, herhaal 5 wasstappen met DI-water.
- Meet de zeta potentiaal van de korrels voor en na elke polyelektrolyt bekleden met een dynamische lichtverstrooiing volgens het protocol van de fabrikant aan de polyelektrolyt opbrengprocedure correct is uitgevoerd verifiëren (zie tabel 1).
- Herhaal vijf wasstappen met DI-water na de enkelvoudige PSS laagdepositie en resuspendeer de kralen in 650 ui 1 mM natriumfosfaatbuffer met 0,05% Tween 20 (15% w / v) vóór gebruik in de microfluïdische apparaat om de vloeibaarheid te verbeteren.
- Volg de hierboven beschreven procedure van 1.2.5 tot 1.2.6 van 500 nm siliciumoxideparels met aminefunctionele groep een enkele laag van PSS deponeren.
2. Fabricage van de PDMS microfluïdische chip
- Microfabricage van het silicium meester
- Fabriceren het silicium meester voor PDMS molding met behulp van microfabrication technieken als volgt.
- Spin coat een 1 micrometer dunne fotoresist bij 4.000 toeren per minuut op een silicium wafer. Patroon van de laag met behulp van projectie lithografie (belichtingstijd 170 msec.) En etsen 700 nm diep en 2 micrometer breed vlak nanokanalen (optredend als nanotraps voor de silica korrels) met reactieve ionen etsen.
- Gebruik de volgende ets parameters om een etssnelheid van 3,5 nm / s te bereiken: CHF 3 (45 sccm), CF 4 (15 sccm), Ar (100 sccm), druk 100 mTorr, RF-vermogen 200 W.
- Spin de vacht van de tweede 1 micrometer dikke fotoresistlaag bij 2.000 tpm en het uitvoeren van een aanpassing aan de eerder gevormde nanotraps. Patroon de microkanalen via contact lithografie en door diepe reactief ionen etsen (DRIE) van silicium. Gebruik de DRIE parameters 26 in tabel 2.
- Fabriceren het silicium meester voor PDMS molding met behulp van microfabrication technieken als volgt.
- Fabricage van PDMS schimmel
- Silaniseren het silicium master met trichloorsilaan (50 ui) in een vacuüm pot O / N.
LET OP: Tricholorosilane is een giftige en bijtende materiaal. gebruik het altijd in een chemische kap met de juiste persoonlijke beschermingsmiddelen. - Meng de basis verharder in 10: 1 verhouding en gegoten PDMS op de gesilaniseerde silicium meester en genezen bij 70 ° C gedurende 2 uur in een convectieoven.
- Verwijder de PDMS plaat van het silicium master met een mes en plasma bond het op een lege wafer met een plasma cleaner na plasma behandeling in een plasma reiniger voor 1 min. Bevestig tapes langs de rand om een partitie lijn voor de volgende PDMS casting stap te markeren.
- Silaniseren het PDMS schimmel in een vacuüm pot met trichloorsilaan (50 pl) O / N.
- Zet PDMS (basis: verharder bij 10: 1 verhouding) op de gesilaniseerde PDMS mal en genezen bij 70 ° C gedurende 2 uur in een convectieoven.
- Silaniseren het silicium master met trichloorsilaan (50 ui) in een vacuüm pot O / N.
- Fabricage van de PDMS apparaat
- Verwijder de uitgeharde PDMS plaat uit de PDMS mal langs de scheidingslijn gemarkeerd met de tape.
- Punch reservoir gaten met 1.5 mm biopsie punch, schoon met een tape, spoelen met isopropylalcohol (IPA) en droog met stikstof.
- Plasma bond de PDMS apparaat op een 25 mm x 75 mm microscoop glaasje na plasmabehandeling in een plasma reiniger voor 1 min.
- Ultrasonicate de kraal suspensie 60 min. in een ultrasoonbad voor het vullen. Pipetteer 10 ul kralensuspensie (300 nm niet-gefunctionaliseerde silicaadvertenties of 500 nm siliciumoxide carboxyl kralen met PAH-PSS lagen of 500 nm siliciumoxide amine kralen met een PSS-laag) in de inlaten 4 en 6 elkaar (zie figuur 1 A, B) onmiddellijk na plasma hechting van de PDMS chip een glazen substraat. Tik zachtjes op de PDMS chip met een pipet tip om de kraal verpakking te verbeteren.
- Na het vullen van de kraal levering kanalen, hebben betrekking op alle inlaten met uitzondering van 1 en 9 met tape. Lucht-drogen gedurende 3 uur en bewaar bij 4 ° C vóór gebruik. Figuur 2 geeft een stap-voor-stap schema van de colloïdale zelfassemblage proces.
3. Experiment voor Elektrokinetisch Concentratie van DNA
- Vul de reservoirs 3, 7 met een bufferoplossing (10 ui 1 mM PB) en reservoir 5 met een DNA-monster (10 pl 10 nM in 1 mM PB) en moet een lichte onderdruk met een omgekeerde pipetpunt op reservoirs 2 , 8 en 10 aan de kanalen met de oplossing gevuld zonder luchtbellen (zie
- Voeg 10 ul van 1 mM PB reservoirs 2 en 8 en 10 pl 10 nM DNA naar reservoir 10 om de druk te herstellen en wacht 5 minuten. om evenwicht te bereiken.
- Plaats de Pt draden in reservoirs 3, 5, 7, 10.
- Toepassen spanning over de junctie nanofluidic via een spanningsdeler verbonden met een meter en Pt draden. Eerste toepassing 30 V op reservoirs 5, 10 en GND op reservoirs 3, 7.
- Verlaag de spanning tot 25 V op reservoir 10 ~ na 30 sec.
- Gebruik een mechanische sluiter met een periodieke opening in elke 5 s tot fotobleken van het monster te minimaliseren bij het opnemen van de fluorescentiesignalen van het DNA.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Een elektrokinetische concentrator chip PDMS dat een zelf-geassembleerde nanofluidic overgang tussen twee microkanalen bevat is getoond in Figuur 1A). Het kanaal in het midden van de inrichting wordt gevuld met een DNA monsteroplossing en geflankeerd door twee bufferoplossing kanalen aan weerszijden via een 50 urn breed bead afgiftekanaal (Figuur 1B). De silica colloïdale suspensie wordt gevlogen in de kraal levering kanaal onmiddellijk na plasma binding aan een nanofluidic kruising tussen het monster en de buffer oplossing kanaal te maken. De nanotrap reeks bestaat uit 700 nm diep en 2 micrometer breed nanokanalen wordt gebruikt om de vangst van de colloïdale deeltjes. De gescande beeld verkregen met een niet-contactoppervlak profiler is getoond in figuur 1C). De colloïdale kraal membranen na verdamping wordt getoond in figuur 1D). De SEM in figuur 1E) toont de silicapareltjes valped op de vlakke nanotrap matrix scheiden van het monster kanaal uit de kraal levering kanaal. De 300 nm silica kralen verpakking toont sterk geordende hexagonale pakking met enkele kleine gebreken die een variatie in de concentratie gedrag (Figuur 1F) kunnen veroorzaken. Het ontwerp van de PDMS concentrator chip met zijn afmetingen is te vinden hier en in de Aanvullende Files.
Figuur 1. microfluïdische concentrator PDMS met een geïntegreerde sub-50 nm nanoporeuze knooppunt. (A) Foto van het PDMS concentrator apparaat. (B) Schematische voorstelling van de micro-nanofluidic apparaat met een kraal afgiftekanaal tussen het monster en bufferoplossing kanaal. De spanning wordt aangelegd over de kraal membranen tussen de monsterkanaal en de bufferoplossing channels. (C) Het oppervlakteprofiel van de nanotrap array in PDMS met een breedte van 2 pm en een diepte van 700 nm. (D) Coupe van het apparaat met een colloïdale deeltjes aan de binnenzijde van kraal afgiftekanaal na verdamping. (E) Aftastelektronmicrofoto van de zelf-geassembleerde 300 nm colloïdaal deeltjes met het nanotrap arrays tussen het monster en buffer kanaal. De 300 nm korrels worden gevangen aan de ingang van de nanotraps door oppervlaktespanning. (F) hexagonaal gepakt 300 nm silica kralen in de kraal levering microkanaal na verdamping. (Aangepast van Ref. 25 met toestemming van de Royal Society of Chemistry) Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Een schema van de microfabrication stappen voor de PDMS Concentrator inrichting is getoond in figuur 2. Een PDMS apparaat, wordt een dubbele PDMS casting vereist. De kraal vulproces in het PDMS concentrator wordt getoond in figuur 3. De informatie voor de microfabricage en het vulproces te vinden in het protocol. De zeta potentiaal van de silicapareltjes en zonder polyelektrolyt bekleding is getoond in tabel 1.
Figuur 2. Schematische voorstelling van het fabricageproces voor het silicium meester, de PDMS meester en PDMS concentrator apparaat. Na twee fotolithografische en etsen stappen, het silicium meester wordt gegoten met PDMS. Na een dubbel-vormen, is het PDMS apparaat gemonteerd via plasma bonding en gevuld met een kraal schorsing. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 3. Stap-voor-stap schema voor zelfassemblage van colloïdaal silica korrels. 10 pl van de kraal suspensie gepipetteerd in de hiel afleverkanalen onmiddellijk na plasmabehandeling. Zodra de kraal afgiftekanaal was gevuld, maar alle twee ingangen 1 en 9 werden afgeplakt en inrichtingen lucht gedroogd gedurende 3 uur vóór gebruik. (Overgenomen van Ref. 25 met toestemming van de Royal Society of Chemistry) Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
| Colloïdale deeltjes (500 nm) | Zeta potentiaal (mV) |
| silica | -2,04 |
| silica amine | 19.6 |
| silica carboxyl | -19,73 |
| silica carboxyl, PAH gecoat | 31.8 |
| Silica carboxyl, PAK's, PSS gecoat | -28,5 |
| Silica amine, PSS beklede | -31,2 |
Tabel 1. zeta potentiaal silicapareltjes bij 25 ° C. 0,1% (w / v) colloïdale oplossingen werden gebruikt voor de metingen (n = 3).
SEM beelden uit de kraal verpakking kanaal nadat uitdrogen tonen een poriegrootte tussen 60 nm, 91 nm en 170 nm, zie figuur 4. De poriëngrootte komt overeen met ongeveer 20% van de parelgrootte, 300 nm, 500 nm en 900 nm, respectievelijk (15% van de pareldiameter de theoretische poriëngrootte).
Figuur 4. SEM beelden van zelf-geassembleerde 300 nm (A), 500 nm (B) en 900 nm (C) colloïdaal silica kralen verpakking. PDMS inrichtingen werden reversibel gebonden aan glasplaatjes en kralen gevlogen in het kanaal met onderdruk. Na droging aan de lucht de inrichtingen O / N, de PDMS inrichtingen werden afgepeld van het glas voorzichtig en afgebeeld. Deze poriegrootten zijn geschat op 60 ± 2, 91 ± 5 tot 170 ± 7 nm tot 300 nm, 500 nm en 900 nm respectievelijk kralen (n = 9). Deze poriegrootten zijn dicht bij de theoretische grootte, ~ 15% van de pareldiameter. (Aangepast van Ref. 25 met toestemming van de Royal Society of Chemistry) Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Bij toepassing spanning van 30 V over de kraal 300 nm membraan, werd een ion uitputtingszone waargenomen bij de colloïdale membraan in een microkanaal gevuld met eenfluorescent gemerkte DNA (Figuur 5 A, B). Bij het verlagen van de spanning tot 25 V aan de linkerkant, werd de DNA-moleculen opgebouwd in de vorm van een plug en de concentratie toe door elektro stroom aangedreven door een spanningsverschil van 30 V 25 V over het monster kanaal (Figuur 5 C , D).
Figuur 5. Time-lapse microfoto's tonen de vorming van een ion uitputting regio nabij de nanofluidic colloïdale knooppunten in het kanaal gevuld met DNA (initiële concentratie van 10 nM). De ion uitputtingsgebied werd gestart op t = 10 s en een geconcentreerde DNA plug werd gegenereerd bij V2 = 30 V en V1 = 25 V over het monster kanaal, terwijl de buffer kanalen werden geaard. De stippellijnen zijn gebruikt om de kanalen wanden markeren. Een concentratie factor van ~ 1700 plooien werd bereikt binnen 15 min. Uzingen een 300 nm colloïdaal membraan. (Overgenomen van Ref. 25 met toestemming van de Royal Society of Chemistry) Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
De silica membranen met een kraal grootte van 300 nm en 500 nm toonde de hoogste concentratie factor bij ~ 1700 tijden voor de Cy 5 gelabeld DNA (CAA CCG ATG CCA CAT CAT TAG CTA C) binnen 15 min. (Figuur 6A, B). De polyelektrolyt-gecoate silica kralen membranen tot een 200 tot 1000-voudige toename van de DNA-concentratie na 15 min. (Figuur 6 C, D).
Figuur 6. Fluorescentie intensiteit van DNA als functie van tijd (A) 300 nm silicapareltjes (B) 500 nm siliciumoxideparels eend (C) 500 nm PSS-gecoate silica amine kralen en (D) 500 nm PAH / PSS bekleed siliciumdioxide carboxyl parels. De stippellijnen geven de fluorescentiesignaal intensiteit van 10 nM (A, B, C, D), 17 uM (A, B), 2 uM (C) en 10 uM (D) DNA. De resultaten werden genormaliseerd tegen achtergrondfluorescentie. (Overgenomen van Ref. 25 met toestemming van de Royal Society of Chemistry) Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
| proces tijd | Etch-modus | passiveren mode |
| proces tijd | 6 s | 4,5 s |
| overschrijding | 0,5 s | 0 s |
| Platen generator Vermogen | 80 w | 60 w |
| Coil generator Vermogen | 600 w | 600 w |
| Gas | SF 6 70 sccm | C 4 F 8 35 sccm |
| etssnelheid | 1,47 um / min | |
Tabel 2. DRIE parameters.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Naar aanleiding van de gemeenschappelijke apparaat ontwerp-regeling te nanofluidics studeren, verzonnen we een nanofluidic kruising tussen twee microfluïdische kanalen met behulp van de verdamping gedreven zelfassemblage van colloïdale nanodeeltjes in plaats van lithografisch patroonvorming een array van nanokanalen. Bij uitstroming de colloïdale deeltjes in de kraal afgiftekanaal een array van nanotraps met een diepte van 700 nm en een breedte van 2 pm op beide zijden van de hiel afgiftekanaal bij een totale breedte van 100 urn voorkomen de kraal suspensie stroomt in de buffer en monsterkanaal vanwege de oppervlaktespanning van de nanotraps. Eenmaal gevangen, de colloïdale deeltjes snel verpakt in de kraal afgiftekanaal en vormde een nanoporeuze overgang tussen het monster en buffer kanaal.
Het is belangrijk om de kraal suspensie direct na binding plasma laden zodat de capillaire kracht de silica parelsuspensie naar de ingang van de uitlaat reservoirs in het tijdelijk hydrofiele kraal levering kanaal. Om een luchtbel blokkeren van de stroming in de inlaat reservoir voorkomen, verdient het aanbeveling om de bodem van het reservoir met een pipet bereiken en vervolgens de parelsuspensie in het reservoir. Bij het oppervlak gefunctionaliseerde kralen met polyelektrolyten werd de stroombaarheid aanzienlijk verminderd in vergelijking met de siliciumoxideparels zonder oppervlak functionalisering en hadden de neiging om gemakkelijker aggregeren en zich aan het kanaaloppervlak tijdens het vulproces. Om verstopping van het kanaal met de polyelektrolyt-beklede parels te voorkomen, hebben we een oppervlakteactieve stof, 0,05% Tween 20, om de parelsuspensie. In het geval was er nog een verstopping probleem tijdens het vullen, een zachte tikken op de PDMS chip met een pipet tip over het algemeen geholpen om het op te lossen.
Tevens is het belangrijk dat de parelsuspensie niet volledig gedroogd na verdamping omdat het moeilijk zou zijn infiltrate de kraal membraan met de natriumfosfaatbufferoplossing weer. Dus na 3 h gedeeltelijke verdamping, alle in- en uitlaten van de PDMS apparaat werden vastgebonden en opslag vóór gebruik dus de hiel verpakking vochtig blijft bewaard bij 4 ° C. Tijdens de voorconcentratie experimenten, de zelf-geassembleerde bead handhaafde zijn structurele stabiliteit grotendeels. Echter, in enkele gevallen, zagen we een dislocatie van de korrels die een gebrekkige verpakking van de kralen in microkanalen aangegeven. De zelf-geassembleerde silicapareltjes variërend van een diameter van 900 nm naar 300 nm na de zelf-assemblage kan worden gezien in figuur 4. De theoretische poriëngrootte van de kraal verpakking was ~ 45 nm, ongeveer ~ 15% van de colloïdale deeltjes diameter. We kunnen de poriegrootte met een SEM-analyse bevestigen en gemeten een poriegrootte ongeveer 20% van de pareldiameter na het verpakken.
Met behulp van de zelf-geassembleerde 300 nm en 500 nm colloïdale deeltjes membranen als een ion-selectieve nanoporous splitsing, konden leiden ion uitputtingsgebied bij 30 V en concentreer 10 nM Cy5 gelabeld DNA (CAA CCG CCA ATG CAT CAT TAG CTA C) in 1 mM natriumfosfaatbuffer (Figuur 5). Door continu stromen van het DNA-monster in de richting van de ion uitputting zone met een elektro-stroom bij een spanningsverschil V 2 -V 1 = 5 V, konden we de oorspronkelijke DNA-concentratie door ~ 1700 plooien te verhogen binnen 15 min. (Figuur 6a, b). 500 nm kralen toegestaan robuuster DNA-concentratie dan 300 nm parels, zie figuur 6b). Aangezien de elektrokinetische concentratie is gebaseerd op een krachtenevenwicht tussen de kracht en de elektro sterk niet-lineaire elektroforetische krachten, is de resulterende concentratiefactor bepaald door de mate waarin deze krachtencompensatie tijdens elektrokinetische concentratie kan worden gehandhaafd. 27
Een ander belangrijk voordeel van de inzet van de colloïdale deeltjes van het bouwen van een nanofluidic knooppunt is het gemak waarmee de oppervlae functionalisering kan worden uitgevoerd. In plaats van het creëren van een nanokanaal door middel van hechting en vervolgens het uitvoeren van een oppervlak functionalisering op, kunnen we gewoon het oppervlak functionaliseren de colloïdale deeltjes in een flacon buitenkant van het apparaat en vervolgens stromen ze in het kanaal voor zelf-assemblage. Op basis van deze aanpak konden we ICP starten met de 500 nm siliciumoxide amine bekleed met een enkele laag van PSS en 500 nm siliciumoxide carboxyl bekleed met een laag van PAH en PSS (figuur 6 c en d) bij lagere voltages (8 V en 10 V, respectievelijk) dan de colloïdale deeltjes zonder oppervlak functionalisering (30 V). Dit resultaat toont aan dat het oppervlak functionalisering van de colloïdale deeltjes vóór de zelf-assemblage is effectief om de oppervlaktelading van colloïdale deeltjes te vergroten en tot hogere ICP. Echter, in termen van de concentrator factor verkregen nanofluidic de kruising van het oppervlak gefunctionaliseerde korrels minder doeltreffend dan de niet-gefunctionaliseerde silica kralen. De amine / PSS beklede korrels maakte een factor ~ 200, terwijl de carboxyl / PAH / PSS bead membraan vertoonde een 1000-voudige toename na 15 min. (Figuur 6d). Dit resultaat kan worden verklaard door een hogere oppervlaktelading van het oppervlak gefunctionaliseerd nanoporiën die tot een toename van de lengte van de ionen depletiegebied duwen de monsterconcentratie plug verder van de kraal membraan en dus minder stabiel concentratie. Wij geloven dat het verkorten van de totale breedte van de nanoporeuze kraal membraan van nog 1 mm (het gedeelte van de kraal membraan evenwijdig aan het monsterkanaal) instabiliteit probleem kan verminderen. Volgens onze eerdere studie, de breedte van de nanoporeuze knooppunt bepaalt de hoeveelheid ionische stroom door het. 28 Aangezien de breedte toeneemt, de ionische stroom toeneemt en aangezien meer kationen kunnen migreren door het membraan, de uitputting lengte toeneemt en de concentratie plug wordt van de nanoporeuze knooppunt verder doorgevoerd. Therefore, de accumulatie optreedt in een minder beperkte wijze en het monster stekker minder stabiel. Empirisch moet de nanoporeuze junction ~ 100-400 um breed zijn. Een ander kenmerk te verbeteren was een onvoldoende dikte van het PDMS wand van 15 micrometer tussen het monster kanaal en de kraal levering. Deze dunne PDMS sectie geleid tot een onvoldoende binding die een ionische stroom tussen de buffer en sample-kanaal ingeschakeld. Daarom is de gehele korrel membraansectie evenwijdig aan het monster kanaal (1 mm breed) werd als een nanoporeuze knooppunt, terwijl slechts 100 urn van de kraal is bedoeld als een nanoporeuze knooppunt membraan volgens de totale breedte van de nanotrap array. De PDMS wanddikte ten minste 25 urn of hoger.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Acknowledgments
Dit werk werd ondersteund door NIH R21 EB008177-01A2 en New York University Abu Dhabi (NYUAD) Research Enhancement Fund 2013. Wij spreken onze dank aan de technische staf van het MIT MTL voor hun steun tijdens microfabrication en James Weston en Nikolas Giakoumidis van NYUAD voor hun ondersteuning bij het nemen van SEM-foto's en het opbouwen van een spanningsdeler, respectievelijk. De inrichting fabricage in PDMS werd op microfabricage kernfaciliteit van NYUAD. Tot slot willen we bedanken Rebecca Pittam uit de NYUAD Center for Digital Scholarship voor video-opnamen en bewerken.
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.
- 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.
- Ko, S. H., et al. Nanofluidic preconcentration device in a straight microchannel using ion concentration polarization. Lab Chip. 12, 4472-4482 (2012).
