Kammer Trennt sich Nanoparticles Wie ein „Münzsortierer“

Published on March 31, 2009 at 6:27 PM

Forscher am National Institute of Standards and Technology des Handelsministeriums (NIST) und an der Universität von Cornell haben einen Prozess für die Herstellung von integrierten Schaltungen auf dem Niveau des nm (Billionste eines Meters) ausgenützt und ihm, um eine Methode für die Technik der erstes nanoscale flüssigen (nanofluidic) Einheit mit komplexen dreidimensionalen Oberflächen zu entwickeln verwendet.

(a) Diagramm der nanofluidic Einheit NIST-Cornells mit komplexen 3-D Oberflächen. Jeder „Schritt“ des „Treppenhauses“, das auf der Seite gesehen wird, markiert eine andere Tiefe innerhalb der Kammer. Das Schreiben „E“ zeigt die Richtung des elektrischen Bereichs, der verwendet wird, um die nanoparticles durch die Einheit zu verschieben. Die grünen Kugeln sind Kugeln mit Durchmessern von 100 nm, deren Größe sie vom Bewegen in die flacheren Regionen der Kammer einschränkt. Der Ring im tiefen Ende der Kammer (obere rechte Ecke) ist ein einzelner DNA-Strang, der (obere linke Ecke) im flachen Ende verlängert. (b) Das Fotomikrobild, das Leuchtstoff mit Warnschild versehene kugelförmige nanoparticles zeigt, stoppte auf dem 100-nm-Niveau der Kammer, die Tiefe, die ihrem Durchmesser entspricht. (c) Fotomikrobild eines einzelnen DNA-Strangs, der in das tiefe Ende der Kammer (Kasten am Rechtsextremismus) umwickelt wird und im flachen Ende (Kasten an den Linksextremen) verlängert. Größere Kästen sind die Nahaufnahmen, welche die Leuchtstoff mit Warnschild versehenen Stränge zeigen. Kredit: NIST

Wie in einem Papier erschienenen Onlineheutigen tag in der Zapfen Nanotechnologie beschrieben, * die Liliputanische Kammer ist ein Prototyp für zukünftige Hilfsmittel mit den kundenspezifischen Oberflächen, zum von verschiedenen Baumustern von nanoparticles in gelöster Form zu manipulieren und zu messen.

Unter den möglichen Anwendungen für diese Technologie: das Aufbereiten von Nanomaterials für die Herstellung; die Trennung und das Messen von komplexen Nanoparticlemischungen für Medikamentenverabreichung, Gentherapie und Nanoparticletoxikologie; und die Isolierung und die Beschränkung von einzelnen DNA-Strängen für wissenschaftliche Studie, während sie erzwungen werden, um (DNS gewöhnlich, in eine Kugel ähnliche Form in gelöster Form umwickelt), innerhalb der flachsten Durchführungen der Einheit sich abzuwickeln und zu verlängern.

Nanofluidic-Einheiten werden normalerweise fabriziert, indem man kleine Kanäle in ein Glas oder in eine Siliziumscheibe mit den gleichen lithographischen Prozeduren ätzt, die verwendet werden, um Schaltungsmuster auf Computerchips herzustellen. Diese flachen rechteckigen Kanäle werden dann mit einem Glasdeckel überstiegen, der an Ort und Stelle geklebt wird. Wegen der Beschränkungen, die zu den herkömmlichen Nanofabrikationsprozessen inhärent sind, haben fast alle nanofluidic Einheiten bis jetzt einfache Geometrie mit nur einigen Tiefen gehabt. Dieses begrenzt ihre Fähigkeit, sich Mischungen von nanoparticles mit verschiedenen Größen zu trennen oder das nanoscale Verhalten von Biomolekülen ausführlich zu studieren (wie DNS).

Um das Problem zu lösen, teamed Samuel Stavis NIST und Michael Gaitan mit Cornells Elizabeth Strychalski um einen lithographischen Prozess zu entwickeln um nanofluidic Einheiten mit komplexen 3-D Oberflächen zu fabrizieren. Als Vorführung ihrer Methode, konstruierten die Forscher eine nanofluidic Kammer mit einer „Treppenhaus“ Geometrie, die in den Boden geätzt wurde. „Tritt“ in diese Treppenhaus-jede Stufe, welche die Einheit gibt, die eine nach und nach zunehmende Tiefe von 10 nm (ungefähr 6.000mal kleiner als die Breite eines Menschenhaars) an der Oberseite zu 620 nm (etwas kleiner als eine durchschnittliche Bakterie) an Unterseite-sind, was der Einheit seine Fähigkeit geben, nanoparticles durch Größe sich ebenso ein Münzsortierer Nickel, trennt Groschen und Viertel zu manipulieren.

Der NIST-Cornell-Nanofabrikationsprozeß verwendet Grayscalephotolithographie, um 3-D nanofluidic Einheiten aufzubauen. Photolithographie ist für Jahrzehnte durch die Halbleiterindustrie verwendet worden, um die Leistung der Leuchte vorzuspannen, Mikrokreislaufmuster auf ein Chip zu gravieren. Schaltungsmuster werden durch Schablonen oder Fotomasken, die verschiedene Mengen Leuchte ermöglichen, eine lichtempfindliche Chemikalie zu aktivieren, oder Fotoresist definiert und sitzen auf dem Chip-Material oder Substratfläche.

Herkömmliche photolithographie verwendet Fotomasken als „schwarz-oder-weiße Schablonen“, um entweder alle oder keine vom Fotoresist entsprechend einem Setmuster zu löschen. Die „weißen“ Teile von Muster-jenen, die Leuchte lassen, durch-werden dann zu einer einzelnen Tiefe in die Substratfläche geätzt. Grayscalephotolithographie verwendet andererseits „Schatten des Graus“, um das Fotoresist in drei Abmessungen zu aktivieren und sculpt. Das heißt, wird Leuchte durch die Fotomaske in den verschiedenen Graden entsprechend den „Schatten übertragen“, die im Muster definiert werden. Die Menge der Leuchte die Erlaubnis gehabt bestimmt durch die Menge der Berührung des Photoresists und der Reihe nach die Menge der lichtempfindlichen Chemikalie gelöscht nach Entwicklung.

Der NIST-Cornell-Nanofabrikationsprozeß nutzt dieses charakteristische und erlaubt den Forschern, ein 3-D Muster für nanochannels von zahlreichen Tiefen in eine Glassubstratfläche mit nmpräzision unter Verwendung einer einzelnen Ätzung zu übertragen.

Das Ergebnis ist das „Treppenhaus“ das der 3-D nanofluidic Einheit seine Vielseitigkeit gibt.

Größenausschluß von nanoparticles und von Beschränkung von einzelnen DNA-Strängen in der 3-D nanofluidic Einheit ist unter Verwendung der Elektrophorese, die Methode des Verschiebens von geladenen Teilchen durch eine Lösung erreicht, indem er vorwärts sie mit einem angewandten elektrischen Bereich erzwingt. In diesen neuen Experimenten prüften die NIST-Cornell-Forscher ihre Einheit mit zwei verschiedenen Lösungen: ein, das 100 Nmdurchmesser Polystyrenkugeln enthalten und das andere, welches die en-lang DNS enthält Moleküle 20 Mikrometers (millionstel eines Meters) von einem Virus, das die geläufige Bakterie Escherichia Coli infiziert. In jedem Experiment wurde die Lösung in das tiefe Ende der Kammer eingespritzt und dann getrieben elektrophoretisch über die Einheit von tieferem zu den flacheren Stufen. Wurden die Kugeln und die DNA-Stränge mit Leuchtstofffarbe mit Warnschild versehen, damit ihre Bewegungen mit einem Mikroskop aufgespürt werden konnten.

In den Versuchen unter Verwendung der steifen nanoparticles, die Region der 3-D nanofluidic Einheit, in der die Kanäle kleiner als 100 nmausführlich frei geblieben von den Partikeln waren. In den Viren-DNS-Versuchen erschien das Genmaterial, wie in die tieferen Kanäle umwickelt und in den flacheren verlängert. Diese Ergebnisse zeigen, dass die 3-D nanofluidic Einheit erfolgreich die steifen nanoparticles ausschloss, die auf Größe basierten und (abgespult) verformte die flexiblen DNA-Stränge in eindeutige Formen an den verschiedenen Schritten des Treppenhauses.

Aktuell arbeiten die Forscher, um sich zu trennen und Maßnahmemischungen von unterschiedlich-groß nanoparticles und das Verhalten von DNS nachzuforschen erfasst in einer 3-D nanofluidic Umgebung.

In einem vorhergehenden Projekt verwendeten die NIST-Cornell-Forscher erhitzte Luft, um nanochannels mit dem Kurven von Trichter-förmigen Eingängen zu erstellen in einem Prozess, den sie zurichteten „das Nanoglassblowing.“ Wie sein neuer 3-D Vetter ermöglicht die nanoglassblown nanofluidic Einheit die Studie von einzelnen DNA-Strängen. Mehr Informationen über das Nanoglassblowing werden im Punkt Am 10. Juni 2008 des NIST-Technologie-Schlages bei http://www.nist.gov/public_affairs/techbeat/tb2008_0610.htm#glass gefunden möglicherweise.

Die Arbeit, die im Nanotechnologiepapier beschrieben wurde, wurde in Teil durch das Nationale Forschungsrat-Forschung Associateship-Programm und Cornells der Nanobiotechnologie-Mitte, Teil des das Wissenschaft Und Technik-Mitte-Programms der National Science Foundation unterstützt. Die 3-D nanofluidic Einheiten wurden in dem Wissenschaft Und Technik-Teildienst Cornells Nanoscale und der Cornell-Mitte für Material-Forschung fabriziert und gekennzeichnet in der NIST-Mitte für Nanoscale-Wissenschaft Und Technik. Alle Experimente wurden an den NIST-Labors in Maryland durchgeführt.

Last Update: 14. January 2012 09:06

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