Diese Arbeit wurde von NIH R21 EB008177-01A2 und der New York University Abu Dhabi (NYUAD) Forschungs Enhancement Fonds unterstützt 2013 Wir danken dem technischen Personal des MIT MTL für ihre Unterstützung während der Mikrofabrikations und James Weston und Nikolas Giakoumidis von NYUAD für ihre REM-Aufnahmen Unterstützung bei der Aufnahme und einen Spannungsteiler bauen sind. Die Herstellung der Vorrichtung in PDMS wurde in der Mikrokern Einrichtung von NYUAD durchgeführt. Schließlich möchten wir für Digital-Stipendium für Videoaufnahmen und Bearbeitung von Rebecca Pittam vom NYUAD-Center zu danken.

1. Herstellung der Silica Kolloidales Bead Suspensions <ol><li> Herstellung von 300 nm und 500 nm Siliciumoxid bead Suspensionen <ol><li> Vortex die Kieselsäure Perle Stoffsuspension (10% w / v in Wasser) für 30 Sekunden. um eine homogene Suspension zu erhalten. Pipette insgesamt 600 ul Stoffsuspension in ein 1,5-ml-Röhrchen und Zentrifuge es bei 2.600 × g für 1 min. </li><li> Ersetzen den Überstand mit 400 ul 1 mM Natriumphosphatpuffer (PB, pH 7,0). </li><li> Suspendieren die Silicakügelchen in einer Endkonzentration von 15% in 1 mM Natriumphosphatlösung bei pH 7,0 durch Vortexen. </li></ol></li><li> Oberflächen funktionalisieren 500 nm Kieselsäure Carboxy Perlen mit Poly (allylaminhydrochlorid, PAH), und mit Poly (Natriumstyrolsulfonat, PSS) Polyelektrolyte <ol><li> Suspend 0,1 g von 500 nm Siliciumdioxidperlen mit Carboxylgruppe mit 10 ml 1 M NaCl (pH 7,0) für 1% (w / v) Beadsuspension. </li><li> Bereiten Sie 0,4% PAH (MW 65K) in 1 M NaCll von 300 &amp; mgr; l der Stammlösung aufgelöst (20% w / v in Wasser) in 15 ml 1 M NaCl. Bereiten 0,9% PSS (MW 70K) in 1 M NaCl-Lösung durch Auflösen von 0,18 g PSS in 20 ml 1 M NaCl-Lösung. Vortex beide Lösungen für 1 min. den Polyelektrolyten vollständig aufzulösen. </li><li> Mit 200 &amp; mgr; l von PAH-Lösung auf 9,8 ml 1% Kieselsäure Carboxyl Kügelchen in einem 15-ml-Röhrchen mit einer positiv geladenen Polyelektrolytschicht auf Silicakügelchen mit carboxylfunktionellen Gruppe abzuscheiden. Vortex die Beadsuspension für 1 min. und brüten sie auf einem Rohr Rotator für 60 min. bei RT. </li><li> Zentrifugieren Sie die Beadsuspension bei 1801 × g für 1 min. und waschen Sie die ungebundenen PAH fünfmal mit 10 ml DI Wasser. Nach jeder Zentrifuge und Entfernung des Überstands wurden die Perlen an der Unterseite des Rohres dicht gepackt. Stören die bead clump durch heftiges Pipettieren mit 2 ml DI-Wasser vor der Zugabe von 8 ml VE-Wasser, so dass die Kügelchen resuspendiert und gewaschen werden können vor dem nächsten Schritt Zentrifuge ab. </li><li> Folgendie Schritte in 1.2.3 und 1.2.4 für PSS-Beschichtung eine negativ geladene Schicht auf den Kügelchen zu deponieren. Resuspendieren der Kügelchen in 9,8 ml 1 M NaCl vor der PSS Abscheidung nach dem DI - Wasser - Überstand aus dem 5. Waschschritt 1.2.4 entfernen. <ol><li> Verwenden Sie die gleiche heftiges Pipettieren Schritt unter Verwendung von 2 ml 1 M NaCl den Wulst Klumpen am Boden des 15-ml-Röhrchen zu brechen und fügen Sie dann 8 ml 1 M NaCl. In 200 ul PSS-Lösung auf 9,8 ml der Siliciumdioxid-Kügelchen mit einer einzigen PAH-Schicht abgeschieden. Nach 1 min verwirbelt. und Inkubation für 60 min. auf dem Rohr Rotator, wiederholen Sie 5 Waschschritte mit DI-Wasser. </li><li> Messung des Zeta-Potentials der Kügelchen vor und nach jeder Beschichtung Polyelektrolyt ein dynamisches Lichtstreuungssystem nach Herstellerprotokoll das Polyelektrolyt Ablagerungsverfahren zur Überprüfung korrekt ausgeführt wurde (siehe Tabelle 1). </li></ol></li><li> Wiederholen Sie fünf Waschschritte mit DI-Wasser im Anschluss an die einzelnen PSS-SchichtAblagerung und resuspendieren die Kügelchen in 650 &amp; mgr; l von 1 mM Natriumphosphatpuffer mit 0,05% Tween 20 (15% w / v) vor in der mikrofluidischen Vorrichtung zu verwenden, seine Fließfähigkeit zu verbessern. </li></ol></li><li> Folgen Sie dem oben beschriebenen Verfahren von 1.2.5 bis 1.2.6 für 500 nm Silicabeads mit Aminfunktion eine einzelne Schicht aus PSS zu deponieren. </li></ol> 2. Die Herstellung des PDMS mikrofluidischen Chip <ol><li> Mikrofertigung des Silizium - Master <ol><li> Fabrizieren des Silizium-Master für PDMS Form mit Mikrofabrikationstechniken wie folgt. <ol><li> Schleuderbeschichtung ein 1 &amp; mgr; m dünnen Photoresist bei 4.000 Umdrehungen pro Minute auf einem Siliziumwafer. Muster der Schicht unter Verwendung von Projektionslithographie (Belichtungszeit 170 ms.) Und ätzen 700 nm tief und 2 &amp; mgr; m breiten planaren Nanokanäle (die als nanotraps für die Silica-Kügelchen) mit Reactive Ion Etching. </li><li> Verwenden Sie die folgenden Ätzparametern eine Ätzrate von 3,5 nm / s zu erreichen: CHF 3 (45 sccm), CF 4 (15 sccm), Ar (100 sccm), Druck 100 mTorr, HF - Leistung 200 W. </li></ol></li><li> Spin Mantel der zweite 1 um dicke Photoresist-Schicht bei 2000 Umdrehungen pro Minute und eine Ausrichtung auf die zuvor strukturierten nanotraps auszuführen. Muster die Mikrokanäle über Kontaktlithographie und durch tiefes reaktives Ionenätzen (DRIE) von Silizium. Verwenden Sie die DRIE - Parameter 26 in Tabelle 2. </li></ol></li><li> Die Herstellung von PDMS - Form <ol><li> Silanisieren die Silizium-Master mit Trichlorsilan (50 ul) in einer O / N Vakuumgefäß. ACHTUNG: Tricholorosilane ist ein giftiges und ätzendes Material. Verwenden Sie immer es in einer chemischen Haube mit der richtigen persönlichen Schutzausrüstung. </li><li> Mischen Sie die Basis mit dem Härter bei 10: 1-Verhältnis und Guss PDMS auf der silanisierten Silizium-Master und härten bei 70 ° C für 2 Stunden in einem Umluftofen. </li><li> Entfernen Sie die PDMS-Platte aus dem Silizium-Master mit einem Messer und Plasma-Bindung auf einem leeren Wafer mit einem Plasma-Reiniger nach einem pl mitAsma Behandlung in einem Plasma-Reiniger für 1 min. Bringen Sie Bänder entlang der Kante eine Trennlinie für die folgenden PDMS zu markieren Gießschritt. </li><li> Silanisieren die PDMS-Form in einem Vakuumgefäß mit Trichlorsilan (50 ul) O / N. </li><li> Cast PDMS (Basis: 1-Verhältnis: Mittel bei 10 Härtung) auf der silanisierten PDMS-Form und Heilung bei 70 ° C für 2 Stunden in einem Umluftofen. </li></ol></li><li> Die Herstellung der PDMS - Gerät <ol><li> Ziehen Sie die gehärtete PDMS Platte aus der PDMS-Form entlang der Trennlinie mit dem Band markiert. </li><li> Durchschlags-Reservoir Löcher mit 1,5 mm Biopsie Punsch, sauber und mit einem Band, Spülen mit Isopropylalkohol (IPA) und mit Stickstoff trocken. </li><li> Plasma-Bindung der PDMS-Gerät auf einem 25 mm x 75 mm Mikroskopobjektträger aus Glas nach einer Plasmabehandlung in einem Plasma-Reiniger für 1 min. </li></ol></li><li> Ultrasonicate der Perlensuspension für 60 min. in einem Ultraschallbad vor dem Füllen. Pipettieren Sie 10 ul Beadsuspension (300 nm nicht funktionalisierte Kieselsäure seinAnzeigen oder 500 nm Kieselsäure Carboxy Perlen mit PAH-PSS Schichten oder 500 nm Siliziumdioxid Amin Perlen mit einer PSS - Schicht) in die Einlässe 4 und 6 jeweils (Abbildung 1 A, B) unmittelbar nach der Plasma Bindung des PDMS - Chip ein absolutes Glassubstrat. Durch leichtes Klopfen auf der PDMS-Chip mit einer Pipettenspitze, um den Wulst Verpackung zu verbessern. <ol><li> die Perle Lieferkanäle Nach dem Befüllen decken alle Eingänge mit Ausnahme von 1 und 9 mit Klebeband. Air-Trocknen Sie das Gerät für 3 Stunden und lagern bei 4 ° C vor der Verwendung. Abbildung 2 einen Schritt- für -Schritt gibt Schema der kolloidalen Selbstorganisation. </li></ol></li></ol> 3. Experiment für Elektrokinetische Konzentration der DNA <ol><li> Füllen der Reservoire 3, 7 mit einer Pufferlösung (10 ul 1 mM PB) und dem Vorratsbehälter 5 mit einer DNA-Probe (10 ul von 10 nM in 1 mM PB) und eine sanfte Unterdruck mit einem invertierten Pipettenspitze anwenden auf Reservoire 2 , 8 und 10, die Kanäle mit den Lösungen ohne Blasen zu füllen (siehe <strong&gt; 1B). </li><li> Zugabe von 10 ul 1 mM PB zu Reservoire 2 und 8 und 10 ul 10 nM DNA 10 zum Reservoir den Druck auszugleichen und für 5 min warten. zu erreichen Gleichgewicht. </li><li> Legen Sie die Pt-Drähte in Reservoirs 3, 5, 7, 10. </li><li> Gelten Spannung über dem nanofluidic Übergang einen Spannungsteiler mit einer Quelle Messer und Pt-Drähte verbunden werden. Die ersten 30 gelten V auf Reservoirs 5, 10 und GND auf Reservoire 3, 7. </li><li> Verringern Sie die Spannung bis 25 V auf Reservoir 10 nach ~ 30 sec. </li><li> Verwenden, um einen mechanischen Verschluß mit einer periodischen Öffnung in alle 5 s Bleichen der Probe zu minimieren, wenn die Fluoreszenzsignale von der DNA-Aufnahme. </li></ol>

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The authors have nothing to disclose.

Im Anschluss an die gemeinsame Einrichtung Design-Schema zu Nanofluidik studieren, hergestellt wir eine nanofluidic Verbindung zwischen zwei mikrofluidische Kanäle unter Verwendung des Verdampfungsgesteuerten Selbstorganisation von kolloidalen Nanopartikeln statt lithographisch einer Anordnung von Nanokanälen Mustern. Wenn die kolloidalen Partikel in dem Wulst Abgabekanal fließt, einer Reihe von nanotraps mit einer Tiefe von 700 nm und einer Breite von 2 &amp; mgr; m auf beiden Seiten des Wulstes Lieferkanal mit eine...

Nanofluidik ist ein aufstrebendes Forschungsgebiet der μ TAS (Micro Gesamtanalysesysteme) biologische Prozesse oder Transportphänomene von Ionen und Molekülen auf der Längenskala von 10 1 zu studieren - 10 2 nm. Mit dem Aufkommen der nanofluidic Werkzeuge wie Nanokanälen, Transportprozesse von Molekülen und Ionen können mit bisher unerreichter Genauigkeit und manipuliert überwacht werden, falls erforderlich, durch Merkmale auszunutzen , die nur in diesem Längenskala für die Trennung und den Nachweis verfügbar sind. Eine 1,2 Diese charakteristischen Merkmale nanoskaligen ist ein hohes Verhältnis von Oberfläche zu Masse Ladung (oder Dukhin Nummer) in Nanokanälen , die ein Ladungsungleichgewicht und initiieren Ionenkonzentrationspolarisation (ICP) zwischen dem Nanokanal und Mikrokanal verursachen. 3 Eine gemeinsame Geräteplattform für die Untersuchung von Phänomenen nanofluidic besteht aus einem Zwei-Mikrokanalsystem durch ein Array von Nanokanälen als Kreuzung verbunden ist . 4-6 </sup&gt; Das Material der Wahl eines solchen nanofluidic Vorrichtung zum Gebäude ist das Silizium aufgrund seiner hohen Steifigkeit , die ein Kollabieren während des Bondprozesse den Kanal verhindert. 7 jedoch Siliziumvorrichtungsherstellung teuer Masken und erhebliche Menge an Verarbeitung in der Reinraumanlage erfordert. 8- 10 Wegen der Bequemlichkeit der Herstellung der Vorrichtung durch Formen und Plasma - Bindung, Polydimethylsiloxan (PDMS) hat für die Mikrofluidik als Baumaterial akzeptiert , und es wäre ein ideales Material für Nanofluidik ebenso weit ist. Doch seine niedrigen Elastizitätsmodul um 360-870 KPa, macht der PDMS-Kanal leicht zusammenklappbar während der Plasma-Bindung. Die minimale Seitenverhältnis der Nanokanal (Breite zu Tiefe) muss weniger als 10: 1, was bedeutet, dass die Herstellung von PDMS-Geräte über Standard-Photolithographie äußerst herausfordernd sein wird, wenn die Nanokanaltiefe unter 100 nm sein muss, erfordert eine Kanalbreite kleiner als der aktuelle Grenzwert von photolithgraphie bei etwa 1 um. Um diese Einschränkung zu überwinden, wurden Versuche unternommen, Nanokanäle in PDMS zu schaffen unter Verwendung von nicht-lithographische Verfahren wie Verstrecken Risse mit einer mittleren Tiefe von 78 nm 11 zu initiieren oder zu Falten nach der Plasmabehandlung bilden. 12 Einstürzen ein PDMS - Kanal mit mechanischem Druck erlaubt eine Nanokanalhöhe nur 60 nm. 13 Obwohl diese hoch erfindungsgemäßen nicht-lithographische Verfahren Gebäude Nanokanäle unterhalb 100 nm in der Tiefe erlaubt, die Abmessungs Steuerbarkeit der Nanokanalherstellungs stellt weiterhin ein Hindernis für eine breite Akzeptanz von PDMS als Baumaterial für Nanofluidikbauteilen. Ein weiteres kritisches Problem der Nanokanälen, ob in Silizium oder PDMS, ist die Oberflächenfunktionalisierung falls es notwendig ist, die Oberflächenladung auf der Kanalwand für die Manipulation von Ionen oder Molekülen zu verändern. Nach dem Gerätemontage durch Kleben, sind die Nanokanäle äußerst schwierig,für die Oberflächenfunktionalisierung erreichen aufgrund der diffusionsbegrenzten Transport. Durch Verdampfen 14-16 in mikrofluidischen Systemen induziert , um einen nanoskopische Kanal mit hoher Dimensionstreue und leichten Oberflächenfunktionalisierung, die Selbstorganisation Methode von kolloidalen Teilchen erzeugen kann eine der vielversprechenden Ansätze sein. Neben der Kontrollierbarkeit der Porengröße und Oberflächeneigenschaft, gibt es sogar eine Möglichkeit zum Abstimmen der Größe der Pore in-situ als kolloidalen Teilchen unter Verwendung von mit Polyelektrolyten beschichtet durch Steuern von Temperatur, pH 17, 18,19 und Ionenstärke. 18 Aufgrund dieser Vorteile hat die Selbstzusammenbauverfahren von kolloidalen Partikeln bereits gefunden Anwendungen für Elektrochromatographie, 20 Biosensoren, 21 Proteinkonzentration 22 und Trennung von Proteinen und DNA in der Mikrofluidik. 14,23 in dieser Studie eingesetzt wir diese Selbstzusammenbauverfahren ein zu bauen elektro preconcentration Gerät inPDMS , die eine nanofluidic Verbindung zwischen zwei Mikrokanäle erfordert. 24 Der grundlegende Mechanismus , der hinter der elektro Konzentration wird basierend auf Ionenkonzentrationspolarisation (ICP). 25. Eine detaillierte Beschreibung der Herstellung und der Montageschritte ist in dem folgenden Protokoll enthalten.

<table><tbody><tr><td>Poly(Styrenesulfonic Acid) Sodium Salt</td><td>Polysciences&amp;nbsp;</td><td>08772</td><td></td></tr><tr><td>Poly(allylamine) Solution</td><td>Sigma Aldrich</td><td>479144-5G</td><td></td></tr><tr><td>Silica Microsphere - 300 nm</td><td>Polysciences&amp;nbsp;</td><td>24321</td><td></td></tr><tr><td>Silica Microsphere - 500 nm</td><td>Polysciences&amp;nbsp;</td><td>24323</td><td></td></tr><tr><td>Silica Microsphere Carboxyl Functional - 500 nm</td><td>Polysciences&amp;nbsp;</td><td>24753</td><td></td></tr><tr><td>Silica Microsphere Amine Functional - 500 nm</td><td>Polysciences&amp;nbsp;</td><td>24756</td><td></td></tr><tr><td>Sylgard 184 Silicone Elastomer kit</td><td>Dow Corning</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Trichlorosilane</td><td>Sigma Aldrich</td><td>175552</td><td></td></tr><tr><td>Ultrasonic Cleaner</td><td>Branson</td><td>3510</td><td></td></tr><tr><td>Tube Rotator&amp;nbsp;</td><td>VWR</td><td>10136-084</td><td></td></tr><tr><td>Vortex Mixer</td><td>WiseMix</td><td>VM-10</td><td></td></tr><tr><td>Microcentrifuge</td><td>VWR</td><td>Micro 1207</td><td></td></tr><tr><td>Plasma Cleaner</td><td>Harrick Plasma</td><td>PDC-001-HP</td><td></td></tr><tr><td>PDMS Mixer</td><td>Thinky</td><td>ARE-250</td><td></td></tr><tr><td>Oven</td><td>Thermo Scientific</td><td>PR305220M</td><td></td></tr><tr><td>Epi-fluorescence Microscope</td><td>Nikon</td><td>Eclipse Ti</td><td></td></tr><tr><td>CCD Camera</td><td>Andor</td><td>Clara</td><td></td></tr><tr><td>Platinum Electrodes</td><td>Alfa Aesar</td><td>43014</td><td></td></tr><tr><td>Source Meter</td><td>Keithley</td><td>2400</td><td></td></tr><tr><td>Digital Multimeter&amp;nbsp;</td><td>Extech</td><td>410</td><td></td></tr><tr><td>Microscopy Glass Slides</td><td>Thermo Scientific</td><td>2951-001</td><td></td></tr><tr><td>Tween 20</td><td>Merck Millipore</td><td>822184</td><td></td></tr><tr><td>Sodium chloride</td><td>Fisher Scientific</td><td>7646-14-5</td><td></td></tr><tr><td>Sodium phosphate monobasic</td><td>Sigma Aldrich</td><td>71505</td><td></td></tr><tr><td>Sodium phosphate dibasic</td><td>Sigma Aldrich</td><td>S3264</td><td></td></tr><tr><td>DNA</td><td>IDT</td><td></td><td>CAA CCG ATG CCA CAT CAT TAG CTA C</td></tr><tr><td>B-Phycoerythrin</td><td>Life Technologies</td><td>P-800</td><td></td></tr><tr><td>Dynamic light scattering system for Zeta Potential Measurement</td><td>Malvern</td><td>Zetasizer Nano S</td><td></td></tr><tr><td>Photoresist&amp;nbsp;</td><td>Shipley</td><td>SPR700-1.0</td><td></td></tr><tr><td>Projection lithography</td><td>Nikon</td><td>NSR2005i9</td><td></td></tr><tr><td>Reactive Ion Etcher</td><td>Applied Materials</td><td>AME P5000</td><td></td></tr><tr><td>ICP deep reactive ion etcher</td><td>STS</td><td>STS-6&quot;</td><td></td></tr><tr><td>Contact lithography</td><td>Electronic Visions</td><td>EV620</td><td></td></tr><tr><td>Photoresist Coater Developer</td><td>SSI</td><td>SSI 150</td><td></td></tr><tr><td>Non-contact surface profiler</td><td>Wyko</td><td>NT 9800</td><td></td></tr></tbody></table>

creating sub-50 nm nanofluidic junctions in pdms microfluidic chip via self-assembly process of colloidal particles

Polydimethylsiloxan (PDMS) ist die vorherrschende Baustoff mikrofluidische Vorrichtungen herzustellen aufgrund seiner einfachen Formgebung und Verklebung sowie ihre Transparenz. Aufgrund der Weichheit des PDMS-Material, jedoch ist es schwierig PDMS Nanokanäle für den Aufbau zu verwenden. Die Kanäle sind in der Regel leicht während der Plasma-Bindung zu kollabieren. In diesem Papier präsentieren wir eine Verdampfungsgesteuerte Selbstzusammenbauverfahren von Silika kolloidale Nanopartikel nanofluidic junctions mit Sub-50 nm zwischen zwei Mikroporen zu schaffen. Die Porengröße sowie die Oberflächenladung des nanofluidic Übergang abstimmbar ist, indem einfach die kolloidale Kieselsäure Perlgröße und Oberflächenfunktionalisierung ändernden außerhalb der zusammengebauten mikroströmungstechnische Vorrichtung in einer Phiole vor dem Selbstorganisationsprozess. Verwendung der Selbstorganisation von Nanopartikeln mit einer Perlengröße von 300 nm, 500 nm und 900 nm, war es möglich, eine poröse Membran mit einer Porengröße von 45 nm ~, ~ 75 nm und ~ 135 nm bzw. herzustellen. Unter Elektroal Potential, diese nanoporöse Membran initiiert Ionenkonzentrationspolarisation (ICP), die als eine kationenselektive Membran DNA von ~ 1.700-mal innerhalb von 15 min zu konzentrieren. Diese nicht-lithographischen Nanofabrikationsprozess eröffnet eine neue Chance auf einen abstimmbaren nanofluidic Knotenpunkt für die Untersuchung von nanoskaligen Transportprozesse von Ionen und Molekülen in einem PDMS mikrofluidischen Chips zu bauen.

Ein elektro Konzentrator Chip in PDMS , die eine selbstorganisierende nanofluidic Verbindung zwischen zwei Mikrokanäle enthält , ist in Figur 1A) gezeigt. Der Kanal in der Mitte der Vorrichtung ist mit einer DNA - Probenlösung und flankiert von zwei Pufferlösung Kanäle auf jeder Seite über einen breiten Sicke Abgabekanal (1B) 50 &amp; mgr; m gefüllt. Das Silika kolloidale Suspension wird in den Kanal bead Lieferung geflogen unmittelbar nach der Pl...

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Creating Sub-50 Nm Nanofluidic Junctions in PDMS Microfluidic Chip via Self-Assembly Process of Colloidal Particles

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.

Erstellen von Unter 50 Nm nanofluidische Junctions in PDMS mikrofluidischen Chip über Selbstorganisation von kolloidalen Teilchen

Polydimethylsiloxane (PDMS) is the prevailing building material to make microfluidic devices due to its ease of molding and bonding as well as its ...

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Universidad San Sebastian

Research

JoVE Journal

Engineering

10.6K Aufrufe.  New York University Abu Dhabi (NYUAD). 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.

Serie: Creating Sub-50 Nm Nanofluidic Junctions in PDMS Microfluidic Chip via Self-Assembly Process of Colloidal Particles

A Microfluidic-based Hydrodynamic Trap for Single Particles

The ability to confine and manipulate single particles in free solution is a key enabling technology for fundamental and applied science. Methods for particle trapping based on optical, magnetic, electrokinetic, and acoustic techniques have led to major advancements in physics and biology ranging from the molecular to cellular level. In this article, we introduce a new microfluidic-based technique for particle trapping and manipulation based solely on hydrodynamic fluid flow. Using this method, we demonstrate trapping of micro- and nano-scale particles in aqueous solutions for long time scales. The hydrodynamic trap consists of an integrated microfluidic device with a cross-slot channel geometry where two opposing laminar streams converge, thereby generating a planar extensional flow with a fluid stagnation point (zero-velocity point). In this device, particles are confined at the trap center by active control of the flow field to maintain particle position at the fluid stagnation point. In this manner, particles are effectively trapped in free solution using a feedback control algorithm implemented with a custom-built LabVIEW code. The control algorithm consists of image acquisition for a particle in the microfluidic device, followed by particle tracking, determination of particle centroid position, and active adjustment of fluid flow by regulating the pressure applied to an on-chip pneumatic valve using a pressure regulator. In this way, the on-chip dynamic metering valve functions to regulate the relative flow rates in the outlet channels, thereby enabling fine-scale control of stagnation point position and particle trapping. The microfluidic-based hydrodynamic trap exhibits several advantages as a method for particle trapping. Hydrodynamic trapping is possible for any arbitrary particle without specific requirements on the physical or chemical properties of the trapped object. In addition, hydrodynamic trapping enables confinement of a "single" target object in concentrated or crowded particle suspensions, which is difficult using alternative force field-based trapping methods. The hydrodynamic trap is user-friendly, straightforward to implement and may be added to existing microfluidic devices to facilitate trapping and long-time analysis of particles. Overall, the hydrodynamic trap is a new platform for confinement, micromanipulation, and observation of particles without surface immobilization and eliminates the need for potentially perturbative optical, magnetic, and electric fields in the free-solution trapping of small particles.

In this article, we present a microfluidic-based method for particle confinement based on hydrodynamic flow. We demonstrate stable particle trapping at a fluid stagnation point using a feedback control mechanism, thereby enabling confinement and micromanipulation of arbitrary particles in an integrated microdevice.

Einem mikrofluidischen-basierte Hydrodynamische Trap für einzelne Teilchen

The ability to confine and manipulate single particles in free solution is a key enabling technology for fundamental and applied science.  Methods for ...

Forschung

Biotechnik

Fluorescence detection methods for microfluidic droplet platforms

The development of microfluidic platforms for performing chemistry and biology has in large part been driven by a range of potential benefits that accompany system miniaturisation. Advantages include the ability to efficiently process nano- to femoto- liter volumes of sample, facile integration of functional components, an intrinsic predisposition towards large-scale multiplexing, enhanced analytical throughput, improved control and reduced instrumental footprints.1
In recent years much interest has focussed on the development of droplet-based (or segmented flow) microfluidic systems and their potential as platforms in high-throughput experimentation.2-4 Here water-in-oil emulsions are made to spontaneously form in microfluidic channels as a result of capillary instabilities between the two immiscible phases. Importantly, microdroplets of precisely defined volumes and compositions can be generated at frequencies of several kHz. Furthermore, by encapsulating reagents of interest within isolated compartments separated by a continuous immiscible phase, both sample cross-talk and dispersion (diffusion- and Taylor-based) can be eliminated, which leads to minimal cross-contamination and the ability to time analytical processes with great accuracy. Additionally, since there is no contact between the contents of the droplets and the channel walls (which are wetted by the continuous phase) absorption and loss of reagents on the channel walls is prevented.
Once droplets of this kind have been generated and processed, it is necessary to extract the required analytical information. In this respect the detection method of choice should be rapid, provide high-sensitivity and low limits of detection, be applicable to a range of molecular species, be non-destructive and be able to be integrated with microfluidic devices in a facile manner. To address this need we have developed a suite of experimental tools and protocols that enable the extraction of large amounts of photophysical information from small-volume environments, and are applicable to the analysis of a wide range of physical, chemical and biological parameters. Herein two examples of these methods are presented and applied to the detection of single cells and the mapping of mixing processes inside picoliter-volume droplets. We report the entire experimental process including microfluidic chip fabrication, the optical setup and the process of droplet generation and detection.

Droplet-based microfluidic platforms are promising candidates for high throughput experimentation since they are able to generate picoliter, self-compartmentalized vessels inexpensively at kHz rates. Through integration with fast, sensitive and high resolution fluorescence spectroscopic methods, the large amounts of information generated within these systems can be efficiently extracted, harnessed and utilized.

Fluoreszenz-Nachweisverfahren für Mikrofluidik-Tropfen-Plattformen

The development of microfluidic platforms for performing chemistry and biology has in large part been driven by a range of potential benefits that ...

Microfluidic Chips Controlled with Elastomeric Microvalve Arrays

Miniaturized microfluidic systems provide simple and effective solutions for low-cost point-of-care diagnostics and high-throughput biomedical assays. Robust flow control and precise fluidic volumes are two critical requirements for these applications. We have developed microfluidic chips featuring elastomeric polydimethylsiloxane (PDMS) microvalve arrays that: 1) need no extra energy source to close the fluidic path, hence the loaded device is highly portable; and 2) allow for microfabricating deep (up to 1 mm) channels with vertical sidewalls and resulting in very precise features.

The PDMS microvalves-based devices consist of three layers: a fluidic layer containing fluidic paths and microchambers of various sizes, a control layer containing the microchannels necessary to actuate the fluidic path with microvalves, and a middle thin PDMS membrane that is bound to the control layer. Fluidic layer and control layers are made by replica molding of PDMS from SU-8 photoresist masters, and the thin PDMS membrane is made by spinning PDMS at specified heights. The control layer is bonded to the thin PDMS membrane after oxygen activation of both, and then assembled with the fluidic layer. The microvalves are closed at rest and can be opened by applying negative pressure (e.g., house vacuum). Microvalve closure and opening are automated via solenoid valves controlled by computer software.

Here, we demonstrate two microvalve-based microfluidic chips for two different applications. The first chip allows for storing and mixing precise sub-nanoliter volumes of aqueous solutions at various mixing ratios. The second chip allows for computer-controlled perfusion of microfluidic cell cultures.

The devices are easy to fabricate and simple to control. Due to the biocompatibility of PDMS, these microchips could have broad applications in miniaturized diagnostic assays as well as basic cell biology studies.

We demonstrate protocols for manufacturing and automating elastomeric polydimethylsiloxane (PDMS)-based microvalve arrays that need no extra energy to close and feature photolithographically defined precise volumes. A parallel subnanoliter-volume mixer and an integrated microfluidic perfusion system are presented.

Mikrofluidik-Chips mit Elastomer-Mikroventil Arrays Controlled

Miniaturized microfluidic systems provide simple and effective solutions for low-cost point-of-care diagnostics and high-throughput biomedical assays.  ...

Biologie

Endothelialized Microfluidics for Studying Microvascular Interactions in Hematologic Diseases

Advances in microfabrication techniques have enabled the production of inexpensive and reproducible microfluidic systems for conducting biological and biochemical experiments at the micro- and nanoscales 1,2. In addition, microfluidics have also been specifically used to quantitatively analyze hematologic and microvascular processes, because of their ability to easily control the dynamic fluidic environment and biological conditions3-6. As such, researchers have more recently used microfluidic systems to study blood cell deformability, blood cell aggregation, microvascular blood flow, and blood cell-endothelial cell interactions6-13.However, these microfluidic systems either did not include cultured endothelial cells or were larger than the sizescale relevant to microvascular pathologic processes. A microfluidic platform with cultured endothelial cells that accurately recapitulates the cellular, physical, and hemodynamic environment of the microcirculation is needed to further our understanding of the underlying biophysical pathophysiology of hematologic diseases that involve the microvasculature.
Here, we report a method to create an "endothelialized" in vitro model of the microvasculature, using a simple, single mask microfabrication process in conjunction with standard endothelial cell culture techniques, to study pathologic biophysical microvascular interactions that occur in hematologic disease. This "microvasculature-on-a-chip" provides the researcher with a robust assay that tightly controls biological as well as biophysical conditions and is operated using a standard syringe pump and brightfield/fluorescence microscopy. Parameters such as microcirculatory hemodynamic conditions, endothelial cell type, blood cell type(s) and concentration(s), drug/inhibitory concentration etc., can all be easily controlled. As such, our microsystem provides a method to quantitatively investigate disease processes in which microvascular flow is impaired due to alterations in cell adhesion, aggregation, and deformability, a capability unavailable with existing assays.

A method to culture an endothelial cell monolayer throughout the entire inner 3D surface of a microfluidic device with microvascular-sized channels (&lt;30 &mu;m) is described. This in vitro microvasculature model enables the study of biophysical interactions between blood cells, endothelial cells, and soluble factors in hematologic diseases.

Endothelialisierten Mikrofluidik für ein Studium Mikrovaskuläre Wechselwirkungen in Hämatologische Krankheiten

Advances in  microfabrication techniques have enabled the production of inexpensive and  reproducible microfluidic systems for conducting biological and ...

Non-plasma Bonding of PDMS for Inexpensive Fabrication of Microfluidic Devices

In this video, we demonstrate how to use the neuron microfluidic device without plasma bonding.  In some cases it may be desirable to reversibly bond devices to the Corning No. 1 cover glass.  This could be due, perhaps, to a plasma cleaner not being available.  In other instances, it may be desirable to remove the device from the glass after the culturing of neurons for certain types of microscopy or for immunostaining, though it is not necessary to remove the device for immunostaining since the neurons can be stained in the device.  Some researchers, however, still prefer to remove the device.  In this case, reversible bonding of the device to the cover glass makes that possible.  There are some disadvantages to non-plasma bonding of the devices in that not as tight of a seal is formed.  In some cases axons may grow under the grooves rather than through them.  Also, because the glass and PDMS are hydrophobic, liquids do not readily enter the device making it necessary at times to force media and other reagents into the device.  Liquids will enter the device via capillary action, but it takes significantly longer as compared to devices that have been plasma bonded.  The plasma cleaner creates temporary hydrophilic charges on the glass and device that facilitate the flow of liquids through the device after bonding within seconds.  For non-plasma bound devices, liquid flow through the devices takes several minutes.  It is also important to note that the devices to be used with non-plasma bonding need to be sterilized first, whereas plasma treated devices do not need to be sterilized prior to use because the plasma cleaner will sterilize them.

In this video we demonstrate how to use the neuron microfluidic device without plasma bonding.

Non-Plasma-Bonding von PDMS für preiswerte Herstellung von Mikrofluidik-Geräte

In this video, we demonstrate how to use the neuron microfluidic device without plasma bonding.  In some cases it may be desirable to reversibly bond ...

Microfluidic Pneumatic Cages: A Novel Approach for In-chip Crystal Trapping, Manipulation and Controlled Chemical Treatment

The precise localization and controlled chemical treatment of structures on a surface are significant challenges for common laboratory technologies. Herein, we introduce a microfluidic-based technology, employing a double-layer microfluidic device, which can trap and localize in situ and ex situ synthesized structures on microfluidic channel surfaces. Crucially, we show how such a device can be used to conduct controlled chemical reactions onto on-chip trapped structures and we demonstrate how the synthetic pathway of a crystalline molecular material and its positioning inside a microfluidic channel can be precisely modified with this technology. This approach provides new opportunities for the controlled assembly of structures on surface and for their subsequent treatment.

Herein, we describe the fabrication and operation of a double-layer microfluidic system made of polydimethylsiloxane (PDMS). We demonstrate the potential of this device for trapping, directing the coordination pathway of a crystalline molecular material and controlling chemical reactions onto on-chip trapped structures.

Mikrofluidik Pneumatische Käfige: Ein neuer Ansatz für In-Chip-Kristall-Trapping, Manipulation und Steuerung chemischer Behandlung

The precise localization and controlled chemical treatment of structures on a surface are significant challenges for common laboratory technologies. ...

Chemie

High Throughput Microfluidic Rapid and Low Cost Prototyping Packaging Methods

In this work, 3 different packaging and assembly techniques are presented. They can be classified into two categories: one-time use and reusable packaging techniques.
The one-time use packaging technique employs UV-based and temperature curing epoxies to connect microtubes to access holes, wire-bonding for integrated circuit connections, and silver epoxy for electrical connections. This method is based on a robust assembly technique that can support relatively high pressure close to 1 psi and does not need any support to strengthen the microfluidic architecture.
Reusable packaging techniques consist of PDMS-based microtube interconnectors and anisotropic adhesive films for electrical connections. These devices are more sensitive and fragile. Consequently, Plexiglas support is added to the microfluidic structure to improve the electrical contact when anisotropic adhesive films are used, and also to strengthen the microfluidic architecture. In addition, a micromanipulator is needed to maintain tubes while using a thin PDMS layer to connect them to the access holes. Different PDMS layer thicknesses, ranging from 0.45-3 mm, are tested to compare the best adherence versus injection rates. Applied injection rates are varied from 50-300 &#956;l/hr for 0.45-3 mm PDMS layers, respectively. These techniques are mainly applicable for low-pressure applications. However, they can be extended for high-pressure ones through plasma-oxygen process to permanently seal the PDMS to glass substrates. The main advantage of this technique, besides the fact that it is reusable, consists of keeping the device observable when the microchannel length is very short (in the range of 3 mm or lower).

In this article we describe different techniques for microfluidic rapid prototyping platforms. The proposed techniques are based on ultraviolet (UV) sensitive and temperature curing epoxies, polydimethylsiloxane (PDMS) based tubing, wire-bonding, and anisotropic adhesive films. The assembling procedures presented are developed for both one-time use devices as well as reusable microfluidic systems.

In this work, 3 different packaging and assembly techniques are presented. They can be classified into two categories: one-time use and reusable packaging ...

Patterning of Microorganisms and Microparticles through Sequential Capillarity-assisted Assembly

Controlled patterning of microorganisms into defined spatial arrangements offers unique possibilities for a broad range of biological applications, including studies of microbial physiology and interactions. At the simplest level, accurate spatial patterning of microorganisms would enable reliable, long-term imaging of large numbers of individual cells and transform the ability to quantitatively study distance-dependent microbe-microbe interactions. More uniquely, coupling accurate spatial patterning and full control over environmental conditions, as offered by microfluidic technology, would provide a powerful and versatile platform for single-cell studies in microbial ecology. 
This paper presents a microfluidic platform to produce versatile and user-defined patterns of microorganisms within a microfluidic channel, allowing complete optical access for long-term, high-throughput monitoring. This new microfluidic technology is based on capillarity-assisted particle assembly and exploits the capillary forces arising from the controlled motion of an evaporating suspension inside a microfluidic channel to deposit individual microsized objects in an array of traps microfabricated onto a polydimethylsiloxane (PDMS) substrate. Sequential depositions generate the desired spatial layout of single or multiple types of micro-sized objects, dictated solely by the geometry of the traps and the filling sequence. 
The platform has been calibrated using colloidal particles of different dimensions and materials: it has proven to be a powerful tool to generate diverse colloidal patterns and perform surface functionalization of trapped particles. Furthermore, the platform was tested on microbial cells, using Escherichia coli cells as a model bacterium. Thousands of individual cells were patterned on the surface, and their growth was monitored over time. In this platform, the coupling of single-cell deposition and microfluidic technology allows both geometric patterning of microorganisms and precise control of environmental conditions. It thus opens a window into the physiology of single microbes and the ecology of microbe-microbe interactions, as shown by preliminary experiments.

We present a technology that uses capillarity-assisted assembly in a microfluidic platform to pattern micro-sized objects suspended in a liquid, such as bacteria and colloids, into prescribed arrays on a polydimethylsiloxane substrate.

Strukturierung von Mikroorganismen und Mikropartikeln durch sequentielle kapillaritätsunterstützte Montage

Controlled patterning of microorganisms into defined spatial arrangements offers unique possibilities for a broad range of biological applications, ...

Ingenieurwesen

Pneumatically Driven Microfluidic Platform for Micro-Particle Concentration

The present article introduces a method for fabricating and operating a pneumatic valve to control particle concentration using a microfluidic platform. This platform has a three-dimensional (3D) network with curved fluid channels and three pneumatic valves, which create networks, channels, and spaces through duplex replication with polydimethylsiloxane (PDMS). The device operates based on the transient response of a fluid flow rate controlled by a pneumatic valve in the following order: (1) sample loading, (2) sample blocking, (3) sample concentration, and (4) sample release. The particles are blocked by thin diaphragm layer deformation of the sieve valve (Vs) plate and accumulate in the curved microfluidic channel. The working fluid is discharged by the actuation of two on/off valves. As a result of the operation, all particles of various magnifications were successfully intercepted and disengaged. When this technology is applied, the operating pressure, the time required for concentration, and the concentration rate may vary depending on the device dimensions and particle size magnification.

The present protocol describes a pneumatic microfluidic platform that can be used for efficient microparticle concentration.

Pneumatisch angetriebene mikrofluidische Plattform für die Mikropartikelkonzentration

The present article introduces a method for fabricating and operating a pneumatic valve to control particle concentration using a microfluidic platform. ...

Aufbau einer mikrofluidischen Vorrichtung zur kombinatorischen Steckerherstellung

Bilayer Microfluidic Device for Combinatorial Plug Production

Droplet microfluidics is a versatile tool that allows the execution of a large number of reactions in chemically distinct nanoliter compartments. Such systems have been used to encapsulate a variety of biochemical reactions - from incubation of single cells to implementation of PCR reactions, from genomics to chemical synthesis. Coupling the microfluidic channels with regulatory valves allows control over their opening and closing, thereby enabling the rapid production of large-scale combinatorial libraries consisting of a population of droplets with unique compositions. In this paper, protocols for the fabrication and operation of a pressure-driven, PDMS-based bilayer microfluidic device that can be utilized to generate combinatorial libraries of water-in-oil emulsions called plugs are presented. By incorporating software programs and microfluidic hardware, the flow of desired fluids in the device can be controlled and manipulated to generate combinatorial plug libraries and to control the composition and quantity of constituent plug populations. These protocols will expedite the process of generating combinatorial screens, particularly to study drug response in cells from cancer patient biopsies.

Autor im Rampenlicht: Integration von computergestützten und experimentellen Ansätzen in der Präzisionsonkologie

The fabrication of a polydimethylsiloxane (PDMS)-based bilayer device for the production of combinatorial libraries in water-in-oil emulsions (plugs) is presented here. The necessary hardware and software required to automate plug production are detailed in the protocol, and the production of a quantitative library of fluorescent plugs is also demonstrated.

Zweischichtiges mikrofluidisches Gerät für die kombinatorische Steckerproduktion

Droplet microfluidics is a versatile tool that allows the execution of a large number of reactions in chemically distinct nanoliter compartments. Such ...