Creazione di Sub-50 Nm nanofluidic giunzioni in PDMS Microfluidic Chip tramite processo di auto-assemblaggio di particelle colloidale

We propose a simple self-assembly technique of silica colloidal nanoparticles to create a nanofluidic junction between two microchannels in polydimethylsiloxane (PDMS). Using this technique, a nanoporous bead membrane with a pore size down to ~45 nm was built inside a microchannel and applied to electrokinetic preconcentration of DNA samples.

Polidimetilsilossano (PDMS) è il materiale da costruzione prevalente di rendere i dispositivi microfluidici per la sua facilità di stampaggio e di incollaggio e la sua trasparenza. A causa della morbidezza del materiale PDMS, tuttavia, è difficile da utilizzare per la costruzione di PDMS nanocanali. I canali tendono a collassare facilmente durante l'incollaggio plasma. In questo articolo, presentiamo un metodo di auto-assemblaggio di evaporazione-driven di nanoparticelle silice colloidale per creare giunzioni nanofluidic con sub-50 nm pori tra due microcanali. La dimensione dei pori e la carica superficiale della giunzione nanofluidic è sintonizzabile semplicemente cambiando il colloidale di silice tallone dimensioni e la superficie funzionalizzazione esterno del dispositivo microfluidico assemblato in una fiala prima che il processo di auto-assemblaggio. Utilizzando l'auto-assemblaggio di nanoparticelle con un formato del branello di 300 nm, 500 nm e 900 nm, è stato possibile realizzare una membrana porosa con dimensione dei pori di ~ 45 nm, ~ 75 nm e ~ 135 nm, rispettivamente. sotto elettricoal potenziale, questo nanoporous membrana avviato concentrazione di ioni di polarizzazione (ICP) agisce come membrana cationi selettiva concentrarsi DNA da ~ 1.700 volte entro 15 min. Questo processo nanofabbricazione non litografica apre una nuova possibilità di costruire una giunzione nanofluidic sintonizzabile per lo studio dei processi di trasporto nanoscala di ioni e molecole all'interno un chip microfluidico PDMS.

Nanofluidics è un settore emergente della ricerca di μ TAS (Micro Total Analysis Systems) per studiare i processi biologici o fenomeni di trasporto di ioni e molecole alla scala di lunghezza di ¹⁰ GENNAIO - 10 FEBBRAIO nm. Con l'avvento degli strumenti nanofluidic quali nanocanali, processi di trasporto di molecole e ioni possono essere monitorati con una precisione senza precedenti e manipolati, se necessario, sfruttando le caratteristiche che sono disponibili solo in questa scala di lunghezza per la separazione e la rilevazione. ^1,2 Uno dei queste caratteristiche nanoscala è un elevato rapporto tra superficie e massa di carica (o numero Dukhin) in nanocanali che può causare uno squilibrio di carica e avviare la polarizzazione concentrazione di ioni (ICP) tra il nanochannel e microcanali. ³

Una piattaforma dispositivo comune per lo studio dei fenomeni nanofluidic consiste in un sistema a due microcanali collegati da una serie di nanocanali come una giunzione. ^4-6 Il materiale di scelta per la costruzione di un dispositivo quale nanofluidic è il silicio causa della sua elevata rigidità che impedisce il canale di collassare durante i processi di incollaggio. ⁷ Tuttavia, dispositivo di silicio fabbricazione richiede maschere costose e notevoli quantità di elaborazione nella struttura camera sterile. ^{8- 10} Data la particolarità di fabbricazione di dispositivi per stampaggio e di legame al plasma, polidimetilsilossano (PDMS) è stata ampiamente accettata come materiale da costruzione per la microfluidica e sarebbe un materiale ideale per nanofluidica pure. Tuttavia, il modulo suo basso di Young intorno 360-870 KPa, rende il canale PDMS facilmente comprimibile durante l'incollaggio al plasma. Il rapporto minimo aspetto del nanochannel (larghezza profondità) deve essere inferiore a 10: 1 che significa che la fabbricazione di dispositivi PDMS tramite fotolitografia principio diventerà estremamente difficile se la profondità nanochannel deve essere inferiore a 100 nm, che richiedono una larghezza di canale inferiore al limite di corrente di fotolitoografia a circa 1 micron. Per superare questo limite, ci sono stati tentativi di creare nanocanali in PDMS utilizzando metodi non litografiche come lo stretching di avviare le crepe con profondità media di 78 nm ¹¹ o per formare le rughe dopo il trattamento al plasma. ¹² Crollare un canale PDMS con pressione meccanica permesso un altezza nanochannel partire da 60 nm. ¹³

Anche se questi metodi non-litografici altamente inventive ammessi nanocanali costruzione di sotto di 100 nm in profondità, la controllabilità dimensionale della fabbricazione nanochannel pone ancora un ostacolo per una vasta accettazione di PDMS come materiale da costruzione per i dispositivi nanofluidic. Un altro problema critico delle nanocanali, sia in silicio o PDMS, è la funzionalizzazione superficiale nel caso vi è la necessità di modificare la carica superficiale sulla parete del canale per la manipolazione di ioni o molecole. Dopo il montaggio dispositivo tramite incollaggio, i nanocanali sono estremamente difficili daraggiungere per funzionalizzazione superficiale dovuto al trasporto a diffusione limitata. Per creare un canale nanoscala con alta fedeltà dimensionale e facile funzionalizzazione superficiale, il metodo di auto-assemblaggio di particelle colloidali indotte mediante evaporazione ^14-16 in dispositivi microfluidici può essere uno degli approcci promettenti. Oltre la controllabilità della dimensione dei pori e proprietà di superficie, c'è anche la possibilità di regolare la dimensione dei pori quando si utilizzano in-situ particelle colloidali rivestite polielettroliti controllando la temperatura, pH ^{17, 18,19} e forza ionica. ¹⁸ A causa di queste vantaggi, il metodo di auto-assemblaggio di particelle colloidali ha già trovato applicazioni per electrochromatography, ²⁰ biosensori, concentrazione ²¹ proteine ^​​22 e la separazione delle proteine ​​e DNA in microfluidica. ^14,23 in questo studio abbiamo dispiegati questo metodo autoassemblaggio per costruire un dispositivo preconcentrazione electrokinetic inPDMS che richiede una giunzione tra due nanofluidic microcanali. ²⁴ Il meccanismo fondamentale dietro la concentrazione electrokinetic si basa sulla polarizzazione concentrazione di ioni (ICP). ²⁵ Una descrizione dettagliata di produzione e di assemblaggio passi è inclusa nella seguente protocollo.

1. Preparazione del cordone Sospensioni silice colloidale

1. Preparazione di 300 nm e 500 nm silice sospensioni tallone
   1. Vortex la sospensione di silice tallone stock (10% w / v in acqua) per 30 sec. per ottenere una sospensione omogenea. Pipettare un totale di 600 microlitri sospensione madre in una provetta da 1,5 ml e centrifugare a 2.600 xg per 1 min.
   2. Sostituire il surnatante con 400 microlitri di tampone 1 mM sodio fosfato (PB, pH 7,0).
   3. Sospendere le perline di silice in una concentrazione finale del 15% in 1 mM soluzione di fosfato di sodio a pH 7,0 mediante vortex.
2. Superficie funzionalizzare perline carbossilici silice 500 nm con poli (allilamina cloridrato, PAH), e con poli polielettroliti (sodio stirene solfonato, PSS)
   1. Sospendere 0,1 g di 500 perline di silice nm con gruppo carbossilico con 10 ml 1 M NaCl (pH 7,0) per 1% (w / v) sferette.
   2. Preparare 0,4% PAH (MW 65K) in 1 M NaCl sciogliendo 300 ml di soluzione madre (20% w / v in acqua) in 15 ml di 1 M NaCl. Preparare 0,9% PSS (MW 70K) in soluzione 1 M NaCl sciogliendo 0,18 g PSS in 20 ml di soluzione 1 M NaCl. Vortex sia soluzioni per 1 min. per sciogliere completamente i polielettroliti.
   3. Aggiungere 200 ml di soluzione di IPA a 9,8 ml di 1% sfere carbossilici silice in una provetta da 15 ml per depositare uno strato di polielettrolita carica positiva su perline di silice con carbossile gruppo funzionale. Agitare la sospensione di sferette per 1 min. e incubare su un rotatore tubo per 60 min. a RT.
   4. Centrifugare la sospensione di sferette a 1801 xg per 1 min. e lavare i non legate PAH cinque volte con acqua deionizzata 10 ml. Dopo ogni centrifuga e la rimozione del supernatante, le perle sono state densamente sul fondo della provetta. Interrompere il ciuffo tallone pipettando vigorosa con 2 ml di acqua deionizzata prima di aggiungere 8 ml di acqua deionizzata in modo che le perle possono essere ri-sospesi e lavato via prima della fase successiva centrifugazione.
   5. Seguirela procedura descritta in 1.2.3 e 1.2.4 per la verniciatura PSS di depositare uno strato di carica negativa sulle perle. Risospendere le sfere in 9,8 ml di 1 M NaCl prima della deposizione di PSS dopo aver rimosso il surnatante acqua deionizzata dalla fase di lavaggio 5 ^° di 1.2.4.
      1. Utilizzare la stessa fase di pipettaggio vigoroso con 2 ml di 1 M NaCl per rompere il ciuffo tallone sul fondo della provetta 15 ml e aggiungere 8 ml di 1 M NaCl. Aggiungere 200 ml di soluzione PSS a 9,8 ml delle perline di silice depositati con un singolo strato di IPA. Dopo vortex per 1 min. e incubazione per 60 min. sul rotatore tubo, ripetere 5 fasi di lavaggio con acqua deionizzata.
      2. Misurare il potenziale zeta delle perline prima e dopo ogni rivestimento polielettrolita utilizzando un sistema di dispersione della luce dinamica secondo il protocollo del produttore per verificare la procedura di deposizione polielettrolita è stata eseguita correttamente (vedi Tabella 1).
   6. Ripetere cinque fasi di lavaggio con acqua deionizzata seguenti strato singolo PSSdeposizione e risospendere le sfere in 650 ml di 1 mM tampone fosfato di sodio con 0,05% Tween 20 (15% w / v) prima dell'uso nel dispositivo microfluidico per migliorare la sua scorrevolezza.
3. Seguire la procedura sopra descritta da 1.2.5 a 1.2.6 per 500 perle nm silice con ammina gruppo funzionale per depositare un singolo strato di PSS.

2. Realizzazione della PDMS Microfluidic Chip

1. Microfabbricazione del maestro di silicio
   1. Realizzare il maestro di silicio per lo stampaggio PDMS utilizzando tecniche di microfabbricazione come segue.
      1. cappotto Spin un sottile fotosensibile 1 micron a 4.000 giri su un wafer di silicio. Modello il livello utilizzando la litografia di proiezione (tempo di esposizione 170 msec.) E 700 Nm incidere nanocanali planari profonde e 2 micron di larghezza (in qualità di nanotraps per le perline di silice) con ioni reattivi.
      2. Utilizzare i seguenti parametri di incisione per ottenere una velocità di attacco di 3,5 nm / s: CHF ₃ (45 sccm), CF ₄ (15 SCCM), Ar (100 SCCM), pressione 100 mTorr, potenza RF 200 W.
   2. cappotto Spin il secondo spesso strato di resina fotosensibile 1 micron a 2.000 giri ed eseguire un allineamento alle nanotraps precedenza fantasia. Motivo microcanali tramite contatto litografia e da una profonda incisione ioni reattivi (DRIE) di silicio. Utilizzare la DRIE parametri ²⁶ nella tabella 2.
2. Fabbricazione di stampo PDMS
   1. Silanizzare il maestro silicio con triclorosilano (50 ml) in un vaso vuoto O / N.
      ATTENZIONE: Tricholorosilane è un materiale tossico e corrosivo. Usare sempre in una cappa chimica con un equipaggiamento di protezione personale.
   2. Miscelare la base per il catalizzatore nel rapporto 10: 1 e fuso PDMS sul master silicio silanizzato e curare a 70 ° C per 2 ore in un forno a convezione.
   3. Rimuovere la lastra PDMS dal master silicio con un coltello e plasma legame su un wafer vuoto utilizzando un detergente plasmatica dopo una pltrattamento asma in un pulitore plasma per 1 min. Attaccare i nastri lungo il bordo per segnare una linea di partizione per i seguenti PDMS colata passo.
   4. Silanizzare lo stampo PDMS in un barattolo vuoto con triclorosilano (50 ml) O / N.
   5. PDMS Cast (base: catalizzatore in rapporto 10: 1) sullo stampo PDMS silanizzata e curare a 70 ° C per 2 ore in un forno a convezione.
3. Fabbricazione del dispositivo PDMS
   1. Rimuovere la lastra PDMS curato dallo stampo PDMS lungo la linea divisoria contrassegnato con il nastro.
   2. fori serbatoio punzone con 1,5 millimetri biopsia, pulito, con un nastro, lavare con alcool isopropilico (IPA) e asciugare con azoto.
   3. legame Plasma il dispositivo PDMS su un x 75 mm vetrino da microscopio a 25 mm dopo un trattamento al plasma e un detersivo plasma per 1 min.
4. Ultrasonicate la sospensione di sferette per 60 min. in un bagno ad ultrasuoni prima del riempimento. Pipetta una sospensione tallone 10 ml (300 nm di silice non-funzionalizzato essereannunci o 500 perline carbossilici nm silice con strati PAH-PSS, o 500 nm silice perline amminici con uno strato PSS) nelle insenature 4 e 6 ciascuno (vedi Figura 1 A, B) immediatamente dopo l'incollaggio plasma della piastrina PDMS a un substrato di vetro. Toccare delicatamente sul chip PDMS con un puntale per migliorare l'imballaggio tallone.
   1. Dopo aver riempito i canali di distribuzione di perline, coprire tutte le prese ad eccezione di 1 e 9 con del nastro adesivo. Far asciugare il dispositivo per 3 ore e conservare a + 4 ° C prima dell'uso. Figura 2 fornisce uno schema passo-passo del processo di auto-assemblaggio colloidale.

3. Esperimento per electrokinetic Concentrazione di DNA

1. Riempire i serbatoi 3, 7 con una soluzione tampone (10 microlitri di 1 mM PB) e serbatoio 5 con un campione di DNA (10 ml di 10 nM in 1 mM PB) e applicare una leggera pressione negativa con un puntale capovolta su serbatoi 2 , 8 e 10 per riempire i canali con le soluzioni senza bolle (vedi Figura 1B).
2. Aggiungere 10 ml di 1 mM PB di serbatoi 2 e 8 e 10 ml di 10 nM DNA al serbatoio 10 per equilibrare la pressione ed attendere 5 min. per raggiungere l'equilibrio.
3. Inserire i fili Pt in serbatoi 3, 5, 7, 10.
4. Applicare tensione attraverso la giunzione nanofluidic utilizzando un partitore di tensione collegato ad un misuratore di sorgente e fili Pt. applicare First 30 V su serbatoi 5, 10 e GND serbatoi 3, 7.
5. Diminuire la tensione di 25 V sul serbatoio 10 dopo ~ 30 sec.
6. Utilizzare un otturatore meccanico con apertura periodica ogni 5 s per minimizzare photobleaching del campione durante la registrazione dei segnali di fluorescenza del DNA.

Un chip concentratore electrokinetic in PDMS che contiene una giunzione nanofluidic auto-assemblato tra due microcanali è mostrato nella Figura 1A). Il canale al centro del dispositivo viene riempito con una soluzione campione di DNA e fiancheggiata da due canali di soluzione tampone per lato con 50 micron di larghezza canale di recapito tallone (Figura 1B). La sospensione colloidale di silice è volato nel canale di mandata tallone subito dopo l'incollaggio plasma per creare una giunzione nanofluidic tra il campione e il canale soluzione tampone. La matrice nanotrap composto da 700 nm di profondità e 2 micron di larghezza nanocanali viene utilizzato per intrappolare le particelle colloidali. L'immagine digitalizzata ottenuto con una superficie profiler senza contatto è mostrato nella Figura 1C). Le membrane di perline colloidali dopo evaporazione sono illustrati nella Figura 1D). Il SEM di Figura 1E) mostra la trappola perle di siliceped presso l'array nanotrap planare che separa il canale del campione dal canale di consegna tallone. L'imballaggio branello di silice 300 nm mostra altamente ordinato imballaggio esagonale con alcuni difetti che potrebbero causare una variazione nel comportamento concentrazione (Figura 1F). Il design del chip concentratore PDMS con le sue dimensioni può essere trovato qui e nel file supplementari.

Figura 1. concentratore Microfluidic in PDMS con un sub-50 nm giunzione nanoporoso integrato. (A) Foto del dispositivo PDMS concentratore. (B) Schema del dispositivo micro-nanofluidic con un canale di erogazione perlina tra il canale soluzione campione e tampone. La tensione è applicata attraverso le membrane tallone tra il canale campione e la soluzione tampone channels. (C) Il profilo della superficie della matrice nanotrap in PDMS con una larghezza di 2 um e una profondità di 700 nm. (D) Micrografia del dispositivo con un gruppo di particelle colloidali all'interno del canale di mandata tallone dopo evaporazione. (E) scanning electron dei 300 nm particelle colloidali di silice auto-assemblati con gli array nanotrap tra il campione e tampone canale. I 300 nm perline sono intrappolati all'ingresso dei nanotraps dovuti alla tensione superficiale. (F) esagonale imballato 300 perle di silice nm all'interno della microcanali consegna tallone dopo l'evaporazione. (Adattato da Rif. ^​​25 con il permesso della Royal Society of Chemistry) Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.

Uno schema delle fasi di microfabbricazione per il concentrato PDMSdispositivo r è mostrato nella Figura 2. Per fare un dispositivo PDMS, è necessaria una doppia colata PDMS. Il processo di riempimento tallone nel concentratore PDMS è mostrato in figura 3. I dettagli per la microfabbricazione e il processo di riempimento possono essere trovati nel protocollo. Il potenziale zeta delle perline di silice con e senza rivestimento polielettrolita è mostrato nella Tabella 1.

Figura 2. Schema del processo di fabbricazione per il master di silicio, il master PDMS e il dispositivo PDMS concentratore. Dopo due fasi fotolitografiche e di attacco, il master di silicio è lanciata con PDMS. Dopo un doppio stampaggio, il dispositivo PDMS è assemblato tramite incollaggio plasma e riempito con una sospensione di sferette. Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.

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Figura 3. Step-by-step schematico per l'auto-assemblaggio di perline di silice colloidale. 10 ml di sospensione di sferette è stato pipettati per i canali di distribuzione tallone immediatamente dopo il trattamento al plasma. Una volta che il canale di recapito tallone stato riempito, tutti tranne due ingressi 1 e 9 sono stati coperti con nastro e dispositivi essiccato per 3 ore prima dell'uso. (Tratto da Rif. ^​​25 con il permesso della Royal Society of Chemistry) Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.

Tabella 1. Potenziale Zeta di perline di silice a 25 ° C. 0,1% (w / v) soluzioni colloidali sono stati utilizzati per le misurazioni (n = 3).

Le immagini SEM prese dal canale imballaggio tallone dopo essiccazione mostrano una dimensione dei pori compresa tra 60 nm, 91 nm e 170 nm, come mostrato nella figura 4. La dimensione dei pori corrisponde a circa il 20% della dimensione tallone, 300 nm, 500 nm e 900 nm, rispettivamente (15% del diametro perla è la dimensione dei pori teorico).

Figura 4. immagini SEM di auto-assemblato 300 nm (A), 500 nm (B) e 900 nm (C) silice colloidale imballaggio tallone. dispositivi PDMS stati reversibilmente legati ad vetrini e perline volato nel canale mediante pressione negativa. Dopo l'aria asciugare i dispositivi di O / N, i dispositivi di PDMS sono stati pelati del vetro con attenzione e ripreso. Questo dimensioni dei pori sono stati stimati a 60 ± 2, 91 ± 5 e 170 ± 7 nm rispettivamente per 300 nm, 500 nm e 900 nm perline (n = 9). Queste dimensioni dei pori sono stati vicino alla dimensione teorica, ~ 15% del diametro tallone. (Adattato da Rif. ^​​25 con il permesso della Royal Society of Chemistry) Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.

Quando si applica tensione di 30 V attraverso la membrana tallone 300 nm, una zona mancanza di ioni è stata osservata in prossimità della membrana colloidale in un microcanale riempito con unfluorescente marcato DNA (Figura 5 A, B). Quando si abbassa la tensione di 25 V sul lato sinistro, le molecole di DNA ricevuti accumulati in forma di una spina e la sua concentrazione aumentata a causa del flusso elettroosmotico guidato da una differenza di tensione di 30 V 25 V attraverso il canale del campione (Figura 5 C , D).

Figura 5. micrografie Time-lapse mostrano la formazione di una regione di svuotamento ionico in prossimità delle giunzioni colloidali nanofluidic nel canale riempito di DNA (concentrazione iniziale di 10 nM). La regione di svuotamento ione stato avviato at = 10 s e una spina DNA concentrato è stato generato al V2 = 30 V e V1 = 25 V attraverso il canale del campione, mentre i canali di buffer sono stati messi a terra. Le linee tratteggiate sono stati utilizzati per evidenziare le pareti canali. Un fattore di concentrazione di ~ 1.700 pieghe è stata raggiunta entro 15 min. ucantare una membrana colloidale nm 300. (Tratto da Rif. ^​​25 con il permesso della Royal Society of Chemistry) Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.

Le membrane di silice con una dimensione goccia di 300 nm e 500 nm ha mostrato il più alto fattore di concentramento di ~ 1.700 volte per il Cy 5 contrassegnati DNA (CAA CCG ATG CCA CAT CAT TAG CTA C) entro 15 min. (Figura 6 A, B). La silice membrane branello polielettroliti rivestite portato ad una 200- a 1.000 volte aumento della concentrazione di DNA dopo 15 min. (Figura 6 C, D).

Figura 6. intensità di fluorescenza del DNA come funzione del tempo per 300 perline (A) nm silice (B) di collana silice 500 nm und (C) 500 nm PSS rivestite perline ammina silice e (D) 500 nm PAH / PSS carbossilici silice rivestite con perline. Le linee tratteggiate rappresentano il livello di intensità del segnale di fluorescenza per 10 nM (A, B, C, D), 17 pM (A, B), 2 mM (C) e 10 micron (D) del DNA. I risultati sono stati normalizzati contro fluorescenza di fondo. (Tratto da Rif. ^​​25 con il permesso della Royal Society of Chemistry) Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.

Tabella 2. Parametri DRIE.

Seguendo lo schema di progettazione dispositivo comune per studiare nanofluidica, abbiamo inventato un incrocio nanofluidic tra due canali microfluidica utilizzando l'auto-assemblaggio di evaporazione-driven di nanoparticelle colloidali invece di litografia patterning una serie di nanocanali. Quando scorre le particelle colloidali nel canale consegna tallone, una matrice di nanotraps con una profondità di 700 nm e una larghezza di 2 micron su entrambi i lati del canale di recapito tallone con una larghezza totale di 100 micron impedito sferette di fluire nel tampone e campione canale a causa della tensione superficiale ai nanotraps. Una volta intrappolato, le particelle colloidali imballato nel canale di erogazione tallone rapidamente e formata una giunzione nanoporous tra il campione e buffer canale.

È importante caricare sferette subito dopo l'incollaggio plasma modo che la forza capillare spinge sferette di silice fino all'ingresso della presa reservoirs nel canale di consegna tallone temporaneamente idrofilo. Al fine di prevenire una bolla d'aria bloccare il flusso nel serbatoio di aspirazione, si raccomanda di raggiungere il fondo del serbatoio con un puntale e quindi rilasciare la sospensione tallone nel serbatoio. Nel caso delle perline di superficie funzionalizzata con polielettroliti, la loro fluidità è drasticamente ridotto rispetto alle perline di silice senza funzionalizzazione superficiale e tendeva ad aggregare più facilmente e aderire alla superficie canale durante il processo di riempimento. Per evitare un intasamento del canale con le perline rivestite di polielettrolita, abbiamo aggiunto un tensioattivo, 0,05% Tween 20, la sospensione di sferette. Nel caso in cui non vi era ancora un problema di intasamento durante il riempimento, un picchiettando leggermente sul chip PDMS con un puntale in generale ha contribuito a risolverlo.

Inoltre, è importante che la sospensione di sferette non era completamente asciugato dopo evaporazione poiché sarebbe difficile infiltrate la membrana tallone con tampone sodio fosfato nuovo. Pertanto, dopo 3 ore di parziale evaporazione, tutti gli ingressi e uscite del dispositivo PDMS sono state registrate e conservate a 4 ° C per lo stoccaggio prima dell'uso in modo che il tallone di imballaggio rimane umido. Durante gli esperimenti di preconcentrazione, il tallone auto-assemblati mantenuto la sua stabilità strutturale per la maggior parte. Tuttavia, in alcuni casi, abbiamo osservato una dislocazione delle perle che indicavano una guarnizione difettosa delle perline in microcanali. Le perle di silice autoassemblati vanno da un diametro di 900 nm fino a 300 nm dopo l'auto-assemblaggio può essere visto in Figura 4. La dimensione dei pori teorica di imballaggio tallone era ~ 45 nm, circa il ~ 15% della particella colloidale diametro. Potremmo confermare la dimensione dei pori con una analisi SEM e misurato una dimensione dei pori di circa il 20% del diametro tallone dopo l'imballaggio.

Utilizzando le auto-assemblati 300 nm e 500 nm membrane delle particelle colloidali come uno ione-selettivo nagiunzione noporous, si potrebbe avviare regione di svuotamento ione a 30 V e concentrare 10 nM Cy5 etichettato DNA (CAA CCG ATG CCA CAT CAT TAG CTA C) in 1 mM tampone fosfato di sodio (figura 5). Con che scorre continuamente il campione di DNA verso la zona esaurimento ionico con un flusso elettroosmotico ad una differenza di tensione V ₂ -V ₁ = 5 V, potremmo aumentare la concentrazione iniziale di DNA da parte di ~ 1.700 pieghe entro 15 min. (Figura 6a, b). 500 nm perline ammessi concentrazione di DNA più robusto di 300 nm perline, come illustrato nella Figura 6b). Poiché la concentrazione electrokinetic si basa su un equilibrio delle forze tra la forza elettroosmotico e le forze elettroforetiche altamente non lineari, il fattore di concentrazione risultante è determinata dal grado in cui questo equilibrio forza può essere mantenuta durante concentrazione electrokinetic. ²⁷

Un altro vantaggio significativo di distribuzione delle particelle colloidali per costruire una giunzione nanofluidic è la facilità con cui il suo surface funzionalizzazione può essere eseguita. Invece di creare un nanochannel tramite incollaggio e poi eseguendo una funzionalizzazione superficiale su di esso, possiamo semplicemente emergere funzionalizzare le particelle colloidali in una fiala di fuori del primo dispositivo e poi fluire nel canale per l'auto-assemblaggio. Sulla base di questo approccio, potremmo avviare ICP utilizzando le particelle amminici silice 500 nm rivestite con un singolo strato di PSS e 500 particelle carbossilici silice nm rivestito con uno strato di PAH e PSS (Figura 6 ced), a tensioni più basse (8 V e 10 V, rispettivamente) rispetto alle particelle colloidali senza funzionalizzazione superficiale (30 V). Questo risultato dimostra che la funzionalizzazione superficiale delle particelle colloidali precedenti l'autoassemblaggio è efficace per aumentare la carica superficiale delle particelle colloidali e portato in alto ICP. Tuttavia, in termini di fattore concentratore ottenuto, la giunzione nanofluidic delle superfici funzionalizzate perline era meno efficace si non-funzionalizzatoperline Lica. I / perle PSS rivestite ammina hanno consentito un fattore di ~ 200, mentre il carbossilico / PAH / PSS membrana tallone ha mostrato un aumento di 1.000 volte dopo 15 min. (Figura 6d). Questo risultato può essere spiegato da una carica superficiale superiore dei nanopori superficie funzionalizzata che hanno portato ad un aumento della lunghezza della regione di svuotamento ione spinge la spina concentrazione del campione più lontano dalla membrana tallone e quindi, alla concentrazione meno stabile. Crediamo che accorciando la larghezza totale della membrana tallone nanoporosa dal momento di 1 mm (la sezione della membrana tallone parallelo al canale del campione) potrebbe limitare il problema di instabilità. Secondo il nostro studio precedente, la larghezza della giunzione nanoporoso determina quindi la quantità di corrente ionica attraverso di essa. ²⁸ Poiché la larghezza aumenta, i ionici corrente aumenta e dal più cationi possono migrare attraverso la membrana, l'esaurimento aumenta la lunghezza e la spina concentrazione è ulteriormente spinto via dalla giunzione nanoporoso. Therefore, l'accumulo si verifica in modo meno confinato e la spina campione diventa meno stabile. Empiricamente, la giunzione nanoporoso dovrebbe essere ~ 100-400 micron di larghezza. Un'altra caratteristica di migliorare era uno spessore insufficiente del muro PDMS di 15 micron tra il canale del campione e la consegna tallone. Questa sezione sottile PDMS ha portato ad un legame insufficiente che ha permesso una corrente ionica tra il buffer e il canale del campione. Pertanto, tutta la membrana tallone sezione parallela al canale del campione (1 mm di larghezza) agiva come nodo nanoporosa, anche se solo 100 micron del cordone è stato inteso come membrana giunzione nanoporosa secondo la larghezza totale della matrice nanotrap. Lo spessore della parete PDMS dovrebbe essere almeno 25 micron o superiore.

The authors have nothing to disclose.

Questo lavoro è stato sostenuto da NIH R21 EB008177-01A2 e New York University di Abu Dhabi (NYUAD) Fund Research Enhancement 2013. Esprimiamo il nostro ringraziamento al personale tecnico del MIT MTL per il loro supporto durante la microfabbricazione e James Weston e Nikolas Giakoumidis di NYUAD per la loro supporto a scattare foto al SEM e la costruzione di un partitore di tensione, rispettivamente. La fabbricazione di dispositivi di PDMS è stato condotto nella struttura di base microfabbricazione di NYUAD. Infine, vorremmo ringraziare Rebecca Pittam dal NYUAD Centro per la borsa di studio digitale per riprese e montaggio video.