Учёные создали первый в мире нанофлюидный прибор со сложными трёхмерными поверхностями
Исследователи из Национального института стандартов и технологий (NIST) Министерства торговли США и Корнеллского университета разработали метод создания первого в мире нанофлюидного устройства со сложными трёхмерными поверхностями на наномасштабе.
Как описано в статье, опубликованной в журнале Nanotechnology, это миниатюрное устройство является прототипом для будущих инструментов с поверхностями специальной конструкции для манипулирования и измерения различных типов наночастиц в растворе.
Среди потенциальных применений технологии:
- Обработка наноматериалов для производства.
- Разделение и измерение сложных смесей наночастиц для доставки лекарств, генной терапии и нанотоксикологии.
- Изоляция и удержание отдельных цепочек ДНК для научных исследований, когда они вынуждены раскручиваться и удлиняться в самых мелких каналах устройства.
Почти все существующие нанофлюидные устройства имеют простую геометрию с одним или несколькими уровнями глубины из-за ограничений стандартных процессов нанолитографии.
Чтобы решить эту проблему, команда разработала литографический процесс для создания нанофлюидных устройств со сложными 3D-поверхностями. В качестве демонстрации они построили нанофлюидную камеру с «лестничной» геометрией, вытравленной на дне. «Ступени» этой лестницы придают устройству прогрессивно увеличивающуюся глубину — от 10 нанометров (примерно в 6000 раз меньше ширины человеческого волоса) наверху до 620 нанометров (чуть меньше средней бактерии) внизу. Это позволяет манипулировать наночастицами по размеру.
Процесс нанопроизводства NIST-Cornell использует полутоновую (grayscale) фотолитографию. В отличие от обычной фотолитографии, где фотошаблон работает как «чёрно-белый трафарет», полутоновая использует «оттенки серого» для активации и формирования фоторезиста в трёх измерениях. Количество пропускаемого света определяет степень экспонирования фоторезиста и, как следствие, количество химического вещества, удаляемого после проявления. Это позволяет перенести 3D-шаблон для наноканалов различной глубины в стеклянную подложку с нанометровой точностью за одно травление.
Разделение наночастиц по размеру и удержание отдельных цепочек ДНК в 3D-нанофлюидном устройстве осуществляется с помощью электрофореза — метода перемещения заряженных частиц в растворе с помощью приложенного электрического поля.
Исследователи протестировали устройство с двумя растворами:
- Содержащим полистироловые сферы диаметром 100 нанометров.
- Содержащим 20-микрометровые молекулы ДНК из вируса, поражающего бактерию Escherichia coli.
Раствор вводили в глубокий конец камеры, а затем с помощью электрофореза перемещали через устройство от более глубоких к более мелким уровням. Частицы и ДНК помечали флуоресцентным красителем для отслеживания под микроскопом.
Результаты:
- В испытаниях с жёсткими наночастицами область, где каналы были мельче 100 нанометров, оставалась свободной от частиц.
- В испытаниях с вирусной ДНК генетический материал выглядел свёрнутым в более глубоких каналах и удлинённым в более мелких.
Это показывает, что 3D-нанофлюидное устройство успешно исключало жёсткие наночастицы на основе размера и деформировало (раскручивало) гибкие цепочки ДНК в различные формы на разных «ступенях» лестницы.
В настоящее время исследователи работают над разделением и измерением смесей наночастиц разного размера и изучением поведения ДНК, захваченной в 3D-нанофлюидной среде.