Top Banner
Hybrid three-dimensional nano¯uidic/micro¯uidic devices using molecular gates Tzu-Chi Kuo a,b , Donald M. Cannon Jr b , Mark A. Shannon b,c , Paul W. Bohn a,b,* , Jonathan V. Sweedler a,b,1 a Department of Chemistry, University of Illinois at Urbana-Champaign, 600 South Mathews Ave., Urbana, IL 61801, USA b Beckman Institute for Advanced Science and Technology, University of Illinois at Urbana-Champaign, 600 South Mathews Ave., Urbana, IL 61801, USA c Department of Mechanical Engineering, University of Illinois at Urbana-Champaign, 600 South Mathews Ave., Urbana, IL 61801, USA Received 15 February 2002; received in revised form 1 October 2002; accepted 3 October 2002 Abstract Crossed micro¯uidic channels are fabricated in poly(dimethylsiloxane) (PDMS) monoliths in planes above and below a 6±10 mm thick nanoporous polycarbonate nuclear track-etched (PCTE) membrane to form a three-dimensional hybrid micro¯uidic and nano¯uidic system. The use of commercially available nanoporous membranes allows quick and economical fabrication of nanochannel architectures to provide ¯uidic communication between micro¯uidic layers. More importantly, these nanoporous membranes add functionality to the system as gateable interconnects. These nano¯uidic interconnects enable control of net ¯uid ¯ow based on a number of different physical characteristics of the sample stream, the micro¯uidic channels and the nanochannels, leading to hybrid ¯uidic architectures of considerable versatility. Because the nano¯uidic membrane can have surfaces with excess charge of either polarity, the net ¯ow direction inside the microdevices is principally controlled by two factors: the magnitude of the electrical and physical ¯ow impedance of the nanoporous membrane relative to that of the microchannels and the surface chemical functionalities which determine the polarity of the excess charge in the nanochannels. The nanochannel impedance may be manipulated by varying membrane pore size. Flow control is investigated by monitoring electrokinetic transport of both neutral and negatively charged ¯uorescent probes, by means of laser-induced ¯uorescence and ¯uorescence microscopy, while varying solution and nanochannel properties. When the pore size of the PCTE membrane is small, the impedance is large and the polarity of the nanochannel surface charge determines the overall direction of the net electroosmotic ¯ow. When the combined impedance of the upper and lower microchannels exceeds 30 times the impedance of the nanochannel membrane, the direction of the ¯ow is based on the negative surface charge of the PDMS microchannels. # 2003 Elsevier Science B.V. All rights reserved. Keywords: Micro¯uidic; Nano¯uidic; Membrane; Electroosmosis; Three-dimensional 1. Introduction Almost a decade after the ®rst miniaturized gas chroma- tography system was successfully fabricated on a silicon wafer, [1] the ®rst liquid-phase separation was demon- strated, thereby catalyzing the development of micro total analysis systems (mTAS) [2]. Since that time there has been an enormous amount of research devoted to develop- ing miniaturized systems for separations, chemical and biological sensing, and other applications [3±12]. In fact, the success of these efforts has driven miniaturization into some unexpected ®elds. One advantage of miniaturization is the small amount of sample needed, speeding up analysis and reducing processing time. Miniaturization also makes it possible to assay multiple samples simultaneously, aiding high throughput analysis. New ways to control the move- ment of ¯uids at the micrometer length scale have enabled these advances [3±5,13±17], as has the ability to construct rapidly new architectures for testing and evaluation [18±24]. Conventional microfabrication technologies have been the foundation of manufacturing structures to be used in mTAS, and the development of soft lithography with rapid proto- typing has provided the much needed capability for fast Sensors and Actuators A 102 (2003) 223±233 * Corresponding author. Tel.: 1-217-333-0676; fax: 1-217-244-8068. E-mail addresses: [email protected] (P.W. Bohn), [email protected] (J.V. Sweedler). 1 Co-Corresponding author. 0924-4247/03/$ ± see front matter # 2003 Elsevier Science B.V. All rights reserved. PII:S0924-4247(02)00394-1
11

Hybrid three-dimensional nanofluidic/microfluidic devices using molecular gates

May 13, 2023

Download

Documents

Welcome message from author
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
Page 1: Hybrid three-dimensional nanofluidic/microfluidic devices using molecular gates

������ ������� ����� �������������������������� � ��� �������� ���

������ ������� ������ �� ������ ���� ��� !� "����������#��� $� %�������&� �������� '� "(�������)

����������� ���� ����� �� ���� �� ��� � � �� ������������� ��� ��� ���� ������� ����� ������� � �!"�!� ����#�$%��� ���� ���� � �&���$�& �$ ��$� ��& '�$������ �� ���� �� ��� � � �� ������������� ���

��� ���� ������� ����� ������� � �!"�!� �������������� ��$��� $�� (�� ���� ��� �� ���� �� ��� � � �� ������������� ���

��� ���� ������� ����� ������� � �!"�!� ���

*���� )+ ,������ -..-/ ����� �� ��� � 0��� ) 1����� -..-/ ���2�� 3 1����� -..-

��������

��� � ����������� ������ �� 0�������� �� 2���4������� ���5��6 4#��"6 �������� �� 2��� ���� ��� ���( � 78). �� ����

����2���� 2����������� ������ ���� ���� 4#��96 ������ �� 0��� � ������� ����� ������ ����������� ��� ���������� � ���

�� � �0 ����������� �������� ����2���� ������ ����( :��� ��� ��������� 0���������� �0 ���������� ���������� �� 2�����

������ ������������� ��(� ����������� ���� � ��� ��2��������� �� ����2���� ������ ��� 0������������ �� �� � �� �

������ ���������� � �� ���������� ���������� ���� ������� �0 �� ���� ��( �� � �� � ����� �0 ��00��� 2�� ���� ��������� ���

�0 �� ��2� ����� �� ����������� ������ ��� �� ���������� � ������ �� ������ ������ ���������� �0 ��� ������ �� ��������

%��� �� ���������� ������ ��� ��� ��0�� (��� 5� ����� �0 ���� 2�������� �� �� ��( �������� �� �� �� ��������� �

2�����2���� ��������� �� �(� 0����� ; �� �������� �0 �� �������� ��� 2�� ���� ��( ��2���� �0 �� ����2���� ������ ������ �� ����

�0 �� ����������� ��� �� ��0�� ������� 0������������ (���� ������ �� 2������� �0 �� 5� ����� �� �� ���������� � ��

���������� ��2���� ��� � ����2����� �� ������� ������ 2�� ��� ,��( ������� � ��� ������ �� ���������� ����� �����

���� 2��� �0 ���� ������ ��� �������� ������ ���� ��� 2��� � �� ��� �0 �� ������� ���� ��� ��� ���� ��� ����� ��2��

(��� ������� ������� ��� ���������� 2��2��� � $�� �� 2�� �� �0 �� #��9 ������ � ����� �� ��2���� � ���� ��� ��

2������� �0 �� ���������� ��0�� ����� ������ �� ������ �������� �0 �� �� ������ ����� ��(� $�� �� ������� ��2���� �0

�� �22� ��� ��(� ����������� 5�� 3. ��� �� ��2���� �0 �� ���������� ������� �� �������� �0 �� ��( � �� � �� ��

������ ��0�� ����� �0 �� #��" ����������� �

� -..3 9� ��� "���� %�'� !�� ����� � ����

)����&�* �����������/ <���������/ ������/ 9������ �� � / ������� �����

� ���� ������

!��� � � ���� �0�� �� =� � ����������� �� ������

�����2�� � �� (� ��� 0���� 0�������� �� � ������

(�0�� >)? �� =� � ��:���2�� 2������� (� ����

������ ����� ���������� �� ����2��� �0 ����� �����

����� � � �� 4��!"6 >-?� "��� ���� ��� ��� ��

�� �� ������ ������ �0 � ���� ����� �� ����2

��� ����������� � �� 0�� 2������� � ������� ���

���������� � ���� ��� ���� �22�������� >38)-?� @� 0����

�� ��� �0 �� 00��� �� ����� ��������������� ����

�� ��52��� =�� � 1� �������� �0 ��������������� �

�� ���� ������ �0 ��2� ���� 2���� �2 ����� �

��� ������� 2��� ��� ���� ��������������� �� � �� ��

2� ��� �� � �� �����2� ��2� ��������� ��� ������

���� �������2�� ����� � � <( (�� �� ������� �� ���

��� �0 ���� �� �� �������� ����� ��� ��� �����

�� ������ >38+�)38)A?� � �� �� ������� �� ��� �����

��2���� �( ���������� 0�� � ���� ��� ��������� >)B8-C?�

����������� �����0���������� ��������� ��� �� ��

0��������� �0 ����0�������� ������� �� � � � �� ��!"���� �� ����2��� �0 �0� ��������2�� (��� ��2�� 2����

��2��� �� 2������ �� ���� ��� ��2������� 0�� 0� �

"� �� ��� !������� ! ).- 4-..36 --38-33

& ���� 2������ ������� ���; �)-)A333.7A7/ 0�5; �)-)A-CCB.7B�

(��� � �&&������* ����D � �������� 4#�$� %���6�

(���D � �������� 4��'� "(���6�) ������ 2������ �������

.E-CC-CA�.3�F 8 0���� ����� � -..3 9� ��� "���� %�'� !�� ����� � ����

#@@; " . E - C C - C A 4 . - 6 . . 3 E C )

Page 2: Hybrid three-dimensional nanofluidic/microfluidic devices using molecular gates

��� �������� ��� ��2� ����0������ "��������� �� � ���

�� �0 ������������ 0����� ��� ����� �� ����2��� �0

������ ���������� ��(��� �� ������� ����� ����

��(��� ���� ������� 2��2� � �� ��� 0�� �������

��� ���������� �22�������� >-+�-7? ��� �� �0� ������

��� �0�������������� 2��� >-A?� ! �������� ����

��� � �� ��� ����� ��� ���� ���� �������� �������

����� � �� �

�� � ������ ����������� � �� �� 2�������� �(�

���� ������ 95�� ��� �0 �� ���� �� ��� ���� ���

(���� ���� ���� �( �22�������� � �� ��� ���������

�� ��������� ���2���� ����� � ����� ����( ���

���� ����� ����������� � �� �� ���� ���������� ���

�� � � �� >E�-B�-E?� �0�� ���������� 2�� ��� ������

>).�3.83-?� ! ������ �0 ���2���� � ��� � ��������� �

�������5� � ��� >)7�)A�33? ��� �� ����� � ��� ���

3� ������ ��(�� � ��(��� �� 0����� ����2��� �0

����������� � �� (���� ��=� ������ 0��� � ��2�

����� �� ������� �� ����� �(����� ����� ������ ����

���� � 0���������� ������� ����� ��(�� � *�����

���� ����2 ��� ������� ������ ���������� ����

�� 2� �� ��������� �0 ������� ������ ������ 0��

��������� �������� ���� 2��� >3C8C3?� �� 0������� (���

(���� �������� ����2������� ��� � �����2�� �� �� ��

������� ��� ��� � ���� � 0�� ���������� ��������

����������� � �� �

%� �����2������� �� ����2���� ������ ����

����������� � �� � � ������ �0 ���� ��( ������� ���

�2� ��� � ��2������ �� ����������� ����������

4). �� � & � -.. ��6 �0 �� ������ ��� � � � �

���������� ���������� �� ����� � ����������� ������

������������� ��(� �������� ��� ������ �2���

��� �� ��00��� 2��� � $ ��������� ��� ������ �� ������� ��

����2���� ����� ��2�� ���� 2��� � ��� �� ����������

>C3?� ��� ������ �2���� �� ����0����� �� ����2����

������ (��� ����������� ������ >CC8CA?� @� ���

������� (�� � 0( 52������� ��� 0���������� ����� (�

2������� �� ( ���� ���� � ����� �0 ����������

0���� �0 ��� ����������� ��������� �� ������� �� ���� 2���

� ���� ������� ��������� �� ������ �� �� �� �0 ��

����2�� ������� ��� ���������� �� ���� 0� 0=�����

0�� � 2��� ������ � � 0������� �0 �2������ ��������

� ��� �

�� � ��������� ��� 0���� �0 ���������� ������ �

���� ���� ��( ����� �� ������� �0 �� �� �� � ��

2�� ���� 2������ ���� ����� �� ��( >CB8+-?� ,��

5��2�� �� ��� ������ ��)� (���� ���������� ��

����� ��� �0 ����� ���������� �� �������� ������� �

2�� �� ���� ) �� � ��) � +. �� (�� �� �����

������� �� �0 �� ��00� ������� �� �� �� ��������(

���������� ���� >CB?� ������ ���� ��2�� �� ��G� ����

����� ������ �� � 2� ��� �� ������ ��(� �� �����

(�� ����� ����� ��( � ��������� �� ������ �� �

4 ���� �6 �� �����2��� � 4���� �6� !����� 0����� ����

0���� �� ����2��� �0 ���� ��� ���������� � ��

������ ��0�� ���������� ����� ��������� ��� �0 ��

���������� �� �� ������ � %��� �� ���� 2���

� ��2������ �� ��������� �� ��� �0 2��� ��������� ��

�� (��� �0 � ������� ��( ������� �� ��0���������

����� � � �������� =��� �0 ���� �� �22�������� (��

���2���� �0 �� ���� ���� �� ����(� �� �������

��00�������� (��� ������� ����� ���������� �� ��

���������� (��� � ��� ��� �������� ������2�� �� ���

������� �0 �������� ���������� ���� ������� �� ��

���������� �� ����� ����� ���� 0� �0 ������ ���

2���� � %��� �� ����2���� ������ ������ ���

���� 2������� 0�� 5������ �� ������ 2�(�0�� �22����

���� �0 ����������� ��������� �� ��!"� �� � ��2������ ��

52��� ��( �� ������� �0 �������� ���� 2���� ��� 2�

��� �� ���������� ������ � ��� � � � (��� �����

������ ������ �� ����� ����� �������� ���

���� ����� ������ ���������� �

� ������������

+�!� ����� ���

<���2���� 2����������� ���� ���� ������

4#��9� (��� 2��������2��������� �������6 (� 2����� �

0��� 1 ����� ��� ���� ���� ��� <- 2���� �� � � ��

������ (� 78). �� ���� ��2������� �� ������

��� ������ ������ 2� �� ��������� �0 2�� ������

(��� 2�� �� ��� 3� ).B ���-� ,2 � 7� ).B ���-�

�2����� �� 2�� ������� ,���� ��� �� ����� ���

4,�-�6 ��� ���� ��� � ���������������� �5����

4,@���5����� C...� ).�... ��� -�...�... �� ��������

(����6 (� � � � ����� 0��� "����� �� C�C

�������+�A�������C����3��C�������������3 ����

�������2��2����� 4����2�� %1�@#H� ,I� "9� ��������

#��� 6 (� � � � ������ #�� 2��� ��00� �������

4#%6 (� 2�2��� 0��� ����� �� ��� ����� �� 2��� ���

2�� 2��� ��� 4!������6 ��� (� ��G� �� �� 2��2� 2�

���� (��� .�) � <�1� �� ���� ������� �-1

4)B�- �� ��6 0��� � ����J K'#�� � �� 4�����2��6

(� � � �� 2�2�� ��� ������� �

+�+� -��� $�� � �������� &�� $��

"������� ��2�� 2������2��� ��� �0� ��������2�� 2���

(� � � �� 0������� #��" ���� (��� ����� ����

�� ��� � ����� >)B?� ! ).;) ��5��� �0 2���4�������

���5��6 2�2����� ��� ������ ���� 4"������ )BC� ��(

�������6 (� � � ��� ���� �� A+ �� 0�� �� �� � 3 � ��

0��� #��" ���� � �� ����� ��(� ���� (�

������ �� �5��� 2�� �� ������� �0 �� ��0�� 0��

-. �� ++ $ (��� 1- 2� �� �0 ��� +.. ������ ! ���

���� ����� 43�6 ���� 2��� ���� � �2���� �����������

�� ,��� )�� �� ������ �� ).. �� (��� 7. �� �2� ���

)C �� ���� ��� ����(� ����� @� �� ��� �������

� ���� �(� #��" ���� (��� � ���� ������ ����� ��

��� �0 ��� (� ��� ������ (��� � �)��� ). ��

--C '���� )� �� ��� . ������ ��& �$������ � !�+ /+��01 ++02+00

Page 3: Hybrid three-dimensional nanofluidic/microfluidic devices using molecular gates

#��9 ������ ��(� ���� �� ������ (�

� ���� �� E.� ������ ����������� �� #��9 ������

��� � ����� (��� �5��� 2�� �� 2���� �� � ����� ��� �� �

��� �:���� �� ����� � ���� �� �� �� ���� � �� ��

��(� #��" ��� ������� #��9 ������ (�

������ ������� ����� �������� ��� ���0���� �� ��

#��"8#��" ����� ������ �� ������� ! #��"

���� ���������� ������ � ����� (� ��� �� �� ��2

�0 �� ��� ������� ����� ,��� )� ��( � ��� �

������ ��( �0 �� ��� ������� � �� �� �������

������ ����� ��2�� ! ��2 ��2������ 0��� �� �� �� �0

�� ������ ��(� �(� #��" ���� � ������ �� ��

������� �� �� ������ � ��(��� �� ����������� �0 ���

�� �� ��2 ��� �� �)��� ). �� ������ �� (�

�0=���� �� 2���� �� ��� ,��� )� � � ��2��( 2����

���2� �0 � ��2���� ���� � � �� ��� �����

+�0� '������� $���� ��& �����������

���� 2��� (� �������� (��� ���� 2�� �� �������

���� ��� 4I@,6 ��� ���� ��� ����� ��2�� ������� �0

���� ���� ���������� �����2��� � �� �� �����

(� ������ ��� �� �� 2������������� ������ �� ����

����� �� ���� ��� ����� �� ���� �� ����������� �� ��

������� ������ �� �0 �� ���������� ������� ��

CBB �� ��� �0 �� !�� �� � (� ����� 0��� � ��������

������� ��� ��� 0��� � �� � ).� ��G���� ���� � +. �� 2�� �� �� ���������� ������ �� 2�0��� ���� 2��

�� ����� � �� ���� ��� (� ������� �� �� ��

��G����� ��� ��� 2� � �� �������� ������� � 2������ ���

� ���� 2� =��� 4+-+ ���+. �� (��6� �0�� ������� �

2����� �������� #�� 4��)-C� ������� � K"!6� !�

������ ���� ��� ����� ��2 4!5����� )..� L� 6

(� � � 0�� ������� (��� � ����� ��� ����� 4#����

����� ����"<!# 05� *�2� "�����=�6 ��������� ��

��@� �0�(�� 4@������ * ����6�

#� ������ (� �� ��� ���� �� � ����� �� 2�����

�������� ������� 0�� ��� �22�������� ���� ������ ���

�� #��9 ������� !� B���� � �� (� � � �� (����

�������� ������� ��(� ������ ��� ������ ���� ��

��00��� ���=�������� 0�� ����������� ����2�������� ���

���� �0 �� ���� � �� ��� #�� ���� ��������� (�

������ ������� � ���2��� (��� I��'@9$ 2������

��� ���� ��:�� ����� ���� 4<������� @� ������ 6�

@� ��� ���� �� ������ (� =��� (��� ��00�� ��� ��

������ ��� (� �22��� �� ��������� �� ���� 0���+ ����

(��� �� ������ ���� ��00��� � ����� (� ��������

� �� ���������� �0 =����� ���� � ��� �� ��00� ������� ��

�� ������ (� �2���� (��� ������ �������� ��� � ���

(� �22��� ���� ��� ������ �� ������ �� =�����

���� 2���� �� � ���� 2��� 52������ ,�� ��� � �����

��� ��� (���� ��� �� ����� �0 ����� ���� ��� ��

,��� )� 4�6 "������� ������� �0 ��� � �����0������ ������ 2����� �� � �������������������� ������� 4�6 ! ��� ������� ��( �������

������ ��������2� �0 � ��� ������� ���� ����� ��� �� �������� (�� �� �(� ����������� ��� � �� ���� ��(� �� �22� ��� ��(�

������ � � -.. �� 2�� ������ #��9 ������� 4�6 ��2 ��( 2�������2� �0 � ��2���� 3� �����0������ ���� (��� � -.. �� 2�� ������ #��9

�������

'���� )� �� ��� . ������ ��& �$������ � !�+ /+��01 ++02+00 --+

Page 4: Hybrid three-dimensional nanofluidic/microfluidic devices using molecular gates

�� ���������� ���� � �=�� � 0��(��� ��� � (��� ��

�22� �� � �=�� �� � ��� ��� � 3�� � �� ������

�22��� �� �� ������� � ����� ��� 3 ���� �� �� ����

� ������ �3 � �� �22��� ��� � (���� � ��(�� :����

� 3�� � 3 ����� ����� ����� 2� �� 00�� ��� ��� 0���

�� ����� ��00��� ����� � ����� ����� � ��� 2�����

�� �� ����� � � 2� ������� ��( (� ��������

�� ����������� �� � ����� ����� ���0���� ��� � ���

�������� ���������� � ����� 4+ �� ���2��� ��

�� ).. �� (��� 7. �� ���� ������ 6�

� ������� �� ���������

0�!� -�� & $ ��� ����� �

�� ���� ��2 �0 ���� ���� �� �� ��� ������ � �

���������� ������ ���(���� ��(� �(� ��� �

����������� ������ � ���� ,��� )� �� ��� � �����������

������ 2������� �=� �� ���� 2��� ����� ��� �������

�� �� 0�� 2��� �������� �0 �� ���������� ������

�� �0 ����������� ������ �� ��00��� 2��� � �� ��2� �

��2��������� �0 �� #��9 ������ � �� ��� � ��

5������� ������ ���� ��(� �� ������ � $������ �

������� ������� ��5��� �0 ������� �� �� ���� �����

����� ����� ��������� �� (�� �� ������ �� =��� ��

������� ���� ,��� -�� $��� � ������ ���(���� ��(�

������ � ������ �� � ��00� ������� �� -.. �� ���

��� 7 �� ���� 2�� �� ��� ��(� �22� ��� ��(�

����������� ������ �� �� �� �� �0 �� 5����� 2����

������� ��00� ��� ��������� ��������� �� ���� 2��� ����

�� ��������� �� ��� ����� ��� ��� (� �� �� �����

����� �� ���� ��� ���� ��� ������ � ��2���� 52�����

�������� 4�). ���6 (������ �22��� ��� � ���� ,��� -��

%� ����2������� �� ������ ��� ��(� � ����� � ��

�������� �0 ��( ��(� �� ��� ������� ��� �

��������� 5�������� ,��� 3� ��� � ��( �� ���� 0� �0

,@���5���� ������� ���� � -.. �� 2�� ������ #��9

������ �� �� ������� ������ ���� 0��(��� ��� � ��

������� ����� 0�� ,��� 3� � �� �� �� ������� �������

(���� (� ��������� =��� (��� ��00�� � �� ����� ��

���� ��� ���� ��� �� ,��� 3� ������� �� ����������

���� 2��� �0 ,@���5���� ������� 0��� �� ���� ������

���� �� ��00�=��� ������� ������� ,��� 3� ��( �

��2���� :��� 4) ������� 6 �0 ���� ��� ����

������� G� � �0�� �� ������ �� �0 �� 0��(��� ��� ����

�� �� ��� ��������� � � �� ,��� 3�� ,�� ���� �� ��

��������� �� 2������� �22��� �� �� ����� � ����� � ����(�

�� ����� (���� ��� ��( 0��� �� ���� ������ �����

������� �� ������ ��� ������ ��(��� �� �0� �����

� ����� 4�������6� @�������� ��� �0 �� ���� ��� �

���=�� �� �� ���� 4������� �� ,��� 3�6 ������� ��(���

G� � �0�� ��� �22�������� ���� ��� 2��� � ���� 2����

���� �� ������� ������ � �������� �� �� ����� ��

���� ��� �� �� ��� ����� 4���� 2���� ,��� 3�6 ��� ��

�������� �0 �� ��( �� �� ������� ������� �� ����

��� ���� ��� � ����� �0�� ���� 2��� �0 �� �� ��

������� ������� ���� �� ��G���� ��������� �� �

0��� � �� �� ������� ������� ��� ���� �� ������

�� �0 ������ � �� ���� ��� �0 ���� ��� ����������� ��

�� ���� ������� ,������ �� - �0�� ��� �22�������� 4�����

2��� ,��� 3�6 � �� ������� :������� �0 ���� ��� 2��� �

���� 0��� ���� �� ������ ���� �� ������� ������

��� � (2� �(�� 0��� �� ��� ����� �� �� ��� ��( ��

�� ������� �������

,��� 3� ��� � ��( �� ����� 52����� �� (���� ��

������� ������ � ��������� =��� (��� ���� ��� 2���

������� ��� �� ���� ������ (��� ��00� ����� ��

������� ����� � ����� �� �� �� ������� �������

�� �� ��� �22�������� � � �� ,��� 3� ��� � ����� ���

������ ���� 0� 0��� �� ���� �� ������� ������ � <�(�

��(��� ��00� ������� ��� ���� �� ,@���5���� ����

�� ��� ��� � ���� �� ���� ��� ���� ���� ��� ��2 �0

������ ������ � �� � 0����� ���������� � ��� ����

��� ����� ��2�� ,��� 3� ��( �� ���� 2������ ��

2���� :��� 4� ������� 6 �0 ���� ��� ����

������� G� � �0�� �� ������ �� �0 �� 0��(��� ���

���� �� �� ��� ��������� � � �� ,��� 3�� ����� (���

��������0� ��( �� �� ������� ������� @�������� ��

������� ������ 4���������� �� ,��� 3�6 � ���0����� ����

���� ��(�� G� � �0�� ��� �22�������� ��00� � ����

2���� ���� �� ������� ������� � �������� �� ��

���� �� ���� ��� �� �� ��� ����� 4���� 2����

,��� 3�6 ������� � ��� � ����� �� �� ������� �������

,������ �� - �0�� ��� �22�������� 4����� 2��� ,��� 3�6 �

�� ������� :������� �0 ��00� � ���� ���� 0��� ���� ��

,��� -� ��2��( 2�������2� �0 �(� ��� � �����0������ ������ 4�6 (������ ������� 4�6 (��� � -.. �� 2�� ������ #��9 ������� �� �������

������ (� 0�� � 0���� (��� ������� �-1� ��� �� ���������� ������ (� 0���� (��� � �� ������� �0 � �� ���� �� <� �� ����� � ����� �� ��

������� ������ �� 4�6 0�� �2 �� ) ��

--7 '���� )� �� ��� . ������ ��& �$������ � !�+ /+��01 ++02+00

Page 5: Hybrid three-dimensional nanofluidic/microfluidic devices using molecular gates

������ ���� �� ������� ������ �������� �� ���� ���

2��� �� 2����� � ��� ����� (���� � (2� 0����� �� ��

�0� �� �� ��� ��( �� �� ������� �������

0�+� 4�� � 5� ��$��

%��� �� 3� ��������� �� ��� �� ����������

���������� ��� ����������� ���2���� � �� ������

��������� ��� � ��� � 2�� �� ��� ��0�� �������

0������������ � ��� � ����2����� �� ������� �� ��������

�0 ��(� �� ����������� ������ � ��� �0 #��"� 5����� �

������ ��0�� ����� �� 2� � B >+3�+C? ������� ��

2� ���� ��������� � � 0��(��� ��� � 52��� (��

�3 � .� �� #��9 ����2���� ������ � � �� ��

���� �� ����� (��� 2��������2��������� 4#'#6 �� ��

�� ��� �����2������ �� ������� ���� �0 #'# (���� �

42��������6 2�������� �� 2� B� �� ��� �� 2�� ��0��

2� ������ ������� ��� ���������� ����� ������ ������

��� � ��� � �� #��9 ������ ���������� ��� ��

#��" ����������� ��� ��0�� ����� ��������� ���

(���� ��� �� �22��� ������ ����� ��( �� �22� ��

�������� � ,�� 5��2�� �0 �� #��9 ������ ������

,��� 3� 4�6 ,���� ��� ���� ��� 4�0� �������� ���� ���6 ��� �22��� ��� �3 � 3�� � 3 ���� 4����� �������� �� �� ���6 � � 0������� �0 ��� ��(���

���� 2��� �0 - ��� ,@������� �5���� �� + �� 2� B #% ���� � -.. �� 2�� ������ #��9 ������ ���� �� ������� ������ ���������� ��00�

����� 4�6 ,���� ��� ���� ��� ��� �22��� ��� � � 0������� �0 ��� �� ������� �� ���� 2��� �0 #% ��00� ������� ���� � -.. �� 2�� ������ #��9 ����

� ������� ������ 0���� (��� - ��� ,@������� �5���� �� + �� 2� B #%� 4�6 ��2���� :��� 4) ������� 6 �0 0���� ��� ���� ���� 2������ ��

�� ���� 0� �2���� �� 4�6� ! ��� �� �� ������� ������ � ��� �� 0��( 0��� ����� �� �0� �� �� ������� ������ �� ���� 4�6 ��� 4�6� 4�6 ��2���� :���

4) ������� 6 �0 0���� ��� ���� ���� 2������ �� �� ���� 0� �2���� �� 4�6� �� 2��� �0 0��� (� �� �� ���������� ������ �� ���� 4�6 ��� 4�6� 46

�� ���0��������� �0 �� �22��� ��� 0�� 4�6 ��� 4�6 �� �� �00 4�0�6 ��� �� 4�����6 ��� � ������� ) ��� - �� �� �� 4����������6 � ����� / ������� 3 ��� C

�� �� �� ���� 4�������6 � ����� �

'���� )� �� ��� . ������ ��& �$������ � !�+ /+��01 ++02+00 --A

Page 6: Hybrid three-dimensional nanofluidic/microfluidic devices using molecular gates

�� ��� ��������� � 0��(��� ��� (���� � ������� (���

�3 � . >C3?�

��(��� �� �� 52����� ��(� � 0�� � ��� ��

-.. �� ������ 2�� � �� �������� �0 ������� ���� 0�

���� �� ������ � ��������� �� �� � ������ �����

� ����� ��( ������� ����� ������ �� �� �����������

��(�� � ,��� C ��( � �� �0 ���� 2��� 52����� ��

(���� ,�-� ������� �� ���� 0��� 0��� � ���� #��"

������ �� � ������� #��" ������ ���� #��9 ��

���� �0 ������� 2�� ������ � ,��(��� ��� � (����

��� �� ,�-� ���������� ������� �� � ���� 0��� 0���

�� ���� ������ �� �� ������� ������� � 2� ���� 0��

�� )+ ��� 3. �� 2�� ������ #��9 ������ 4,��� C�

��� �6� ��� ������ 0�� �� ).. ��� -.. �� ������

4,��� C� ��� �6� 9������� �� #��" ����������� ���

��� �� �� ���� �������� �0 ������ ����� ��( �� ��

����� 2�� ������ ������� � (��� �� #��9 ��������

�� �� ����������� �� ����� 2�� ������ � �� ���=�� ��

���� �0 ������ ��( �� �� ���� ��� ������� ��

���2�������� ��� ��� 0��� ����� �����2������ ���� 2���

�0 ,�-�� � ������ ��� %1�@#H� ,I "9 4����2�6 � �� �

� � 4,��� +6� �� �������� �0 ���� 2��� �0 ����2��������

��� ������� � �������� �� ���� �� ��� (�� ,�-� � � ��

���=����� ���� ������ �� � � �� �������� ������� 0���

0�� �������� ���� 2��� �� �� ������ ����������������

������ ���������� �

�� � ��� ������ ��( ���� �� �������� �0 ��( 0��

0��(��� ��� ��� ��� �� ��� � ��(� ���� ���

���� 2�� ������ � ��� ������� ��� � ���� ���� �� �

�� �(� 00�� M�� ������ ����� � � � ���� �� 2� ��

����� ��( ������� �� ����� 2�� ��� �� �����

�������� ��2���� �0 �� ���� 2�� ������ ������ �

! ��2� :������� ��2���� ��(�� �0 �� ��� �

������ � �� � ��(� �� ,��� 7� �� ������ �� � � ����

�0 ��� ���2���� �� �� ��(�� � ������ (� �� ���

(��� ��� ������ 4C.� B. ��� )-. '6 (� �22��� ����

,��� C� ,���� ��� ���� ��� 4�0� �������� ���� ���6 ��� �22��� ��� �'� 43�� � 3 ����6� ����� �������� �� �� ���6� � � 0������� �0 ��� �� �� �������

������ ��(��� ���� 2��� �0 .�)A �� 0���� ��� �� + �� 2� B #% ���� #��9 ������ (��� ������ 2�� ������ ; 4�6 )+ ��� 4�6 3. ��� 4�6 ).. ���

4�6 -.. ��� 46 �� ���0��������� �0 �� �22��� ��� � ������� ) ��� - �� �� �� ������� 4����������6 � ����� / ������� 3 ��� C �� �� �� ���� 4�������6

� ����� � !�� � ����� 4������� 6 �� ������� �� �� �00 ����

--B '���� )� �� ��� . ������ ��& �$������ � !�+ /+��01 ++02+00

Page 7: Hybrid three-dimensional nanofluidic/microfluidic devices using molecular gates

��� ����������� �0 �� � � ���� ��(�� 2������� (���

+ �� #% =����� ��� ������ ��� � ����� � �� � ������

� � ���� ����� � �� ����� ������� 0��� �� ���

������ � �� ��2���� ������������ �0 �� �����������

46776 ����� �� �� �� ��� ���� ����� ��/ ���� ��

��2���� �0 �� ���������� ������� 6� ����� � 9��

������ �� ����� �� ��(�� ���������� -.. �� 2��

������ ������ ��( ���� � ���� -N �0 �� �22���

2������� � ���22� ���� �� ���������� ������� 1�

�� ���� ����� 6��6����� � �-+N (��� � )+ �� 2��

������ ������� $�� �� ����������� ����� ���

������ ���� � �� �� � ���� �������� �� ��������

��������� ��� �0 ��� ���2���� �� �� ��(�� ��� �

� ������� ��� 2���� �� �� ����5� �0 �� ���� �� ,��� 7�

�� ���� �� ���� ���� �� ��� �� �0 ��( �������� ��(�

���� ��� ���� 2�� ������ � �� 0�� ������ ��0�� �

9������ ����� ��( ��� � 2��2�������� �� �� ������ =��

������� ( � �3��5� (���� �� ���� � 2��2�������� �� 6��

6����� �� �� ���������� ������ � ��� � �� ����� �0

������ =�� ������ �� �� ���������� �� ���� �� ��

����������� � (��(#��"� � -. 0�� � � �� ����������

-.. �� 2�� ������ ������� (��� �� � 7A. 0�� � )+ ��

2�� ������ � �� ������ ����� ����� ������� �����

���� ���� �0 ���� ������� �� ������ 2��2��� �

� ����� ��� ���� ) ������� �� �������� 2��2���

�0 �� ���� � #����� (�� �� ��� ���������� ��(�

���� �� �������� �0 ������ ��( ��� � ��������� �� ��0��

���� ���� ������� ���2� ������ ��� ����� ������ >C-�C3?�

�� 2� �� � ��� 5��� �� ���� �0 2������ (����

��� � � � �� ������� ������ ��(� ��� �� 2������� �0

0��(��� ��� ��� ��� ��������� �� �� ��������

���������������������� ������� � ������ �������

�� 2�� ������� 10 ���� 0�� ��� �������� �� (����

(��(#��" � ���� �� ��� ���� ��� ���� �������� �0 ��(

0�� � 2��������� ��� ��������� �� �������� �� 2������� �0 ��

���������� ��0�� ����� 4�� �������� ������ ��0��

������� 0������������ 6� �� 2� �� ����� ������ �0 ��

��00� ��������

,��� +� ,���� ��� ���� ��� 4�0� �������/ ���� ���6 ��� �22��� ���

�3� 3�� � 3 ����� 4����� �������/ �� �� ���6 � � 0������� �0 ���

��(��� ���� 2��� �0 %1�@#H� ,I� "9 ���� -.. �� 4��26 ��� )+ ��

4������6 2�� ������ #��9 ������ � �� ���� ������ (� 0����

(��� .�E ��� 3�7 �� ����2� �� + �� 2� B #% 0�� �� -.. ��� )+ ��

� �� � � 2������� �� 0���� ��� � 2�� ���� �� ���������

�00 � 0�� ��������

,��� 7� @�2���� ��(�� ���� 0�� �� ������� �����0������ ���

����0������ ������ � 4�6 *) ��� *- �2� �� �� �(� ���� �0 ��

������� ������ ��� ") ��� "- ���2����� ���� �� �� ����

������� 4�6 9:������� ������� �2� ����� �� ������� ����0������ ���

�����0������ ��2���� ������������ � 677� �2� �� �� ��2���� �0 ��

#��" �����0������ ���2���� 77 4*�� *-� "�� "-6� ��� 6� �2� �� ��

������ ��2�����

���� )

@�2���� ��� ������ 0��� ������ �� 3� �����0������ � ��

#�� �� �� ��� � � ����

������ 6��6����� 4N6

9������ 0��� ������

������ (��(#��"

,��(���

��� �952��� � � ����

������ 6��6����� 4N6

)+ -+ 7A. #� ���� 37

3. -3 7.. #� ���� )-

+. )- -A. #� ���� C�E

).. 3 7B <����� )�E

-.. )�A 3. <����� )�.

� 6��6����� � �� � � ���� �0 �� #��9 ������ 46�6 ��� �� ����� � � ���� �0 �� ��(�� 46�����6� @� �� �� ������ �� ��00� (� + �� #%�� (��(#��" � �� ����� �0 �� ������ 0��� ������ �� �� #��9 ������ 4(�6 �� ���� �� �� #��" ����������� 4(#��"6� �� 2�� ����� �� 0���

����0������O ������ �� ��� � (���� ��� �� ����� �0 0���� ��� ���� ��� �� �� ������� ������� � �0��� � 0��(��� ��� � ��� �� �22� �� �������� � �0��� �

��� ��� �� ����������� �� �� � �� ����� ��� 2�� �� ��� 2������ �� �� ����0������� ,�� +. �� 2�� ������ #��9 ������ � ���2������ ����� �� 0���� ��� ���� ��� (� �� ���� <����� � �� 2������� �0 0��(��� ��� �

������ 2� �����

'���� )� �� ��� . ������ ��& �$������ � !�+ /+��01 ++02+00 --E

Page 8: Hybrid three-dimensional nanofluidic/microfluidic devices using molecular gates

0�0� ��$������ � ������� � $ ��$�

�� � ��� ��(� ���� ���� ���� �� 0� ������� �0 � ���

�� �������� ���� � ���� � ������� ���� ��(

��(�; 2���� ����������� ���� �� �� �00 (��� ��

5����� ��� � ��(��� ���� �� 2�� ������ ��

���2����� �� ��2������ 2�� ���� ������ ����� � ��� ��

���� ��� ������ ��) �� ���������� ������ �� ���

���� � ��2�� � ����� ��2�� ���� � �� (���� �� �

��������������� ��������� ����������� ������ ��

����� >).�)A�3.?� ,�� 5��2�� �� � �� ����� �� 52��

���� �� 0=����� �0 ���� 2������ ������ ������� ��

���������� ������ (���� � ��00��� 0�� ������ (���

��00��� �� � ����� � �� �� 0������������ � #����������

�� ������ ������������ �0 2��� ������ �� �� ����

��� ��� ���� ������ ����� � �� ��� �� ���� ��� ��

���������� �� 0=����� �0 ���� 0�� ��(��� (�� ��

�����2��� ������� ��� �� ������� ������ �������

�� ���������� � �� ��5 (��� �� ��00� �������� ���

������� �� �����2��� ������������ �� �� �������

����� �� �� ������� ������� �� ���� 2�0�� ���� 0�

��������� � <����� � �� ����� �0 �� ���� ��� ���

��������� �� �� ������� ������ �� �� ���� ��������

���� ��� � � � �� �=� �� ������������ ���� 0�

0=������ >,�-�?��� �>,�-�? ����� ��� ��� � �2���� �

� � 0�� �� �� �0 ������ ���� 0� 0=������ �� �����

���� ��� ����0��� 0��� �� ���� ������� �� 2�

I@, ������� 2�� (� ���� +.. �� �(�� 0��� ��

).. ��� ).. �� ���� ����� �0 �� �(� ��� ������

�� �� ������� ������� ! ������������ (�� ��� ����

(� ��� ������ �� �� ����� �� ���� ��� ���� ��� ��

��00��� ���� ��� ������������ �� �� ���� �� �� ��

2��� �� ���� ��� ���� ��� �� �� �� ��� (� ���

����2����� �� ������ �� ������������ �� �� �������

������� >,�-�?��� � ,��� A ��( �� 00�� �0 ��� 2�������

�� >,�-�?��� �>,�-�? ����� 0�� ���� -.. ��� )+ �� 2��

������ #��9 ������ � �� � %� �������� �� ���

����� �0 �� �22��� ��� � �� ������ ����� ��( ���� ���

���� ������������ ���� 0� 0=������ ��� � �������

�� ������������ ���� 0� 0=����� � ������� 2��2��������

�� �22��� ��� 0�� -.. �� 2�� ������ #��9 ������

��� ������ �� ��� B.N � �� ��� ���� )C. '� ,�� )+ ��

2�� ������ #��9 ������ � �� ������� ��2 ��(�

������������ ���� 0� 0=����� ��� �22��� ��� � �����

��� � ����� ���� ���� ���� 0�� �� -.. �� �� � @� � �� ��

���� �� ���2�5��� ��� 0��� �� ����=������ �����

�������� =�� ������ ��� �� ������ ��2������ �0

��0�� 00�� �� �� �� ����� ���������� � !�������

�� �� ������� ���� 2��� � ��������� �� ��00��� ���2�

��� �0 �� ������ ��(�� � ��� #��" ����������� 0��

�� -.. �� �� ��� #��9 ���������� 0�� �� )+ �� 2��

� ��� �� � � 0�� �� 52��� �� ������� ��2 ��(�

���� 2��� 0=����� ��� 2�� ������ � �� 2���� �� ��

�22���� ��2 �0 �� ����� ����� �0 �� 2��� �� ,��� A� ��

����� �0 -.. �� 4+�7� ).3 '�)6 ��� )+ �� 4)�+� ).3 '�)6

��2 �� ,��� A � 3�A� (���� � � ���� ).N �0 ��

���������� ����� ��������� �� � �� 2�� ��� ������

���� � � ��� 2�� �� ��� >C3?� @� �������� �� ��00��� ��

������ ��2���� ���� �� ��������� � � �� ��

52����� � �� ����� �� ��( (��� � ��00��� �� �� �(�

5��� �0 �� 2�� ������ ����� �� ����� ������

0=����� 4���2��� �� ��������� ����������6 �0 ��

)+ �� 2�� ������ ������ � �� �� ����� �� ��00�

�� �� �� ��( ��������� ��� >++�+7?� ���� 0�� ������

����� ���� ).. ' �� ��� �������� 0�� �� )+ �� 2��

������ #��9 � ��� ���� �� ���� 2��� � 2��

(� ��� �2�������� ���� �� ��������� � @� � 2� ���

���� ���� ������ �� �� �� ����2�� ���� ��� ����

�������� =�� ������ 4( � +.�... ' ���) �� �� ��

����2�� �� )-. ' 4���� )66 � ��� �� ��2�� ����� ��

� � ���� ��� ���� 2��� � 2�� � �� ��� ��(� ������

0�� � -.. �� 2�� ������ #��9 � �� � ���� -... '/

��(��� �� � ������ �� �� ���� ������ �� �� #��"

������ � ����� ���� �� ����2�� �

0�8� ������ ���$% ��

�� � �0 2���� ������� �������� (��� ��������2 ��

0��� ��G����� ���� 0�� ��2� ������������ �� ��

�2���� �� ���� � )..0��� �������� �� ������������ �0

�<! 0������ >+A?� $��� �� ��2� ��� �������

� ��� 2� ��� ��� �� ����� � 2� ��� �� ���������

������ ���� �� �������� ������� ������������ �� ��

���� �� �� ���0���� ���� ��� 2�� ��� ,��� B ��( ��

��2� ��� ��� 00�� �0 ,�-� (��� �� ���� � <�� ����

�� �� ��2� ��� ��� 52����� �� ���� ��� (�

�������� �� �� ���� ������� $��� -.. �� 2�� ������

#��9 ������ �� ����� �0 ,�-� ������������ �� ��

���� ������ � �� ��� �2�� ��� �22��������� ���2�

��� �0 �� �������� �0 �� ��� � ��(��� ����=����

�������2���� ����� �� �� ��� (��� )+ �� 2��

,��� A� ������������ ���� 0� 00������ � � 0������� �0 �� ���� �22���

��� (��� )+ ��� -.. �� 2�� ������ #��9 ������ � ������������

���� 0� 00������ � �0��� � �� ����� �0 �� ������������ �0 0���� ���

�� �� ������� ������ �� �� �������� ������������ �0 0���� ��� �� ��

���� ������� >,�-�?��� �>,�-�? ����� #���� �� ��� �22�������� �� ����

������ (� 0���� (��� .�)A �� 0���� ��� �� + �� 2� B #%� ��� ��

������� ������ (� 0���� (��� + �� 2� B #%�

-3. '���� )� �� ��� . ������ ��& �$������ � !�+ /+��01 ++02+00

Page 9: Hybrid three-dimensional nanofluidic/microfluidic devices using molecular gates

������ #��9 ������ � ��� �� �(� 2� ��� 52��

������ ; ����� ��( ���������� ��� �� 00�� � ��� ��

���� ���� 2�� ����� ��� ������ �� ���� ��

��������� ����� ��2����� �0 �� )+ �� 2�� ������

������ � ��� ).. ��� ����� ���� ���� �0 -.. ��

������ � ��(��� �0 ����� ��( ��2����� ����������

(� � 2�� ��� ��� ��� ������� ���2���� � ���������

�-1 ��� ���� �������� ��� � (�� � �� 2��� 2��

(���� � ��� �2 �� �� ���� ������������ ����

0��� �� ���� 2� ������� � �� ������ �� 00��� @� �

���� ���� �� ��� ��� �� � � ��� 0��� ��00��� ���� 2���

��� 0�� �-1 ��� ,�-� �� �� ������� �� ������ �0 �

,�-� ��� � ����� )- !P � (���� � �BN �0 �� )+ �� 2��

������� Q��� �� ��00��� ��(� �� �� �0 ,�-� ���

�� )+ �� 2�� ������� � ���� ����� ��� ��� 00��� ��

���� 2��� ����������� (���� � 52��� (�� ����� ���

��� �� � �/ �� 00�� �� �������� ���� ��� ����

����� %� ���� ��� �� ����������� �0 ������ ���

������ � �� �������� ��� ��� � � � �� ���������

����� ������ ������� � �� �� ���� ���� ��� ���2����

0��� � ��2�� ����� ���� ������� �� �5������� �00����

�� ��� �����������

� �����������

<���2���� ������ ��� 2����� � 2�(�0�� �(

����� �� ����0�� ��������� 2����� ����������� ����

�� �� ���� � ����� ������� ����� ������ ���������� �

�� ������ �� ����������� ��������� � � �� ���

��� ��� ��� � ����=� �� 2� �� ��00��� �������

0������������ � $ ���� ���� �� 0� ������� �0 ��� ���

������� 0�� ������ ���� 0� �0 ���� ������� ���2����

��(� ��������� 2����� ����������� ������ (�����

�������� ������ ������� � ��� �� ������� �0 ��( ��������

������� 2�� �� ��� �22��� ��� � 9�� (�� �2���� �� �

2� �� ���� (������ 5����� ����2�������� �� ��������

�� ��� 2���� ������� �� ��00��� ���� ��� �������

��5��� (��� �� ������ ����2������� �� 2�0���� ��

��� �0 �� ����������� �

�� ������� �� ����0�� ���������� (��� �����������

����������� ������� �� �� 0�� ����0���������� ���

��:� � ��� �� ���� ����( � ����� �0 ��2������ �22����

���� ���� � �� ���:� ��������� ��� �0 �� ����2�� �

,�� �� ����� �� ���� 2�� �� � �� ��� � � � ��

��������� ����� ������ � �� ���� �2 ������ ������� �

��� ����� 2���� � 2������ ��2������ 0�� ����������

2������� (�� �0�� �� ��G�� ���2���� 4(����

��� �� 2����� 6 �� � ��5��� �� ��� �� ������� �� 2����

��� ������ �� � ��� ���� ��� ���2���� � $��� �

��2� ���� 0� �0 � ���� � ���� ����� �� 0��� ��

����������� ������ �� �� ����� ��� ����2� ��� �

5���� �� ������� ����2������� �� �� ������� ������

(��� ����������� ����� � % �� �� ������� ����2���

���� 2� ��� ��(� � ����� ����������� � �� ����

��0��������� ����� �0 �� ���������� �00� ����

������ �22�������� � ,�� 5��2�� �� ��������� ��������

���������� ���� �� �� ������� �0 �� ����2�� ��

����� � 2� ��� �� 00�� ��������� ������ (������� ��

(���� ������ ���� �0 �� ������ ���� ���� ����

2���� ������� �� ����2�� �� ������� ������ ������

�� ����(� ��������� 2��� � �0�� ���� ��� �

���� �� �5� ����������� �������

�������� �������

��� (�� (� �22���� �� �� �0� !������

* ���� #��G�� !���� ���� ����� ,3.7.-..-.+7A�

�� �� �2������ �0 9���� ���� ����� �9 ,Q.-

BB9*)3ECE ��� �9 ,Q.- EE9*7-AEA� ��� �� �� <�������

����� @� ����� (��� ����� �!B-.B)� ��� �� ��(���

�22��� �� �� %� ��� @� ����� 0�� !������ "���� ���

��������� ,���( 2�������

����������

>)? "��� ����� ���� ������ ��%� !����� ! �� �����������2��� ���

������� 0�������� �� � ������ (�0�� @999 ���� � 9������ ����

9�-7 4)EAE6 )BB.8)BB7�

>-? !� ����� <� Q����� ���� $����� ����������� ����� �������

����� � � �� M� ���� ����2� 0�� ������� � ���� "� �

!������� % ) 4)EE.6 -CC8-CB�

>3? !��� $������ *�!� ����� � K�������� 2� �<! 0������

2������� � ��� �����0�������� ��2������ ����� �����2��� �

���2 � #���� <���� !���� "��� K�"�!� E) 4)EEC6 ))3CB8))3+-�

>C? %�%� ����� *�!� ����� � "���������� ������� �0 �<!

2������� �� �����0�������� ��2������ �����2��� � ���2

�2������ 0��� � �������� ���� � !���� ���� A) 4)EEE6

+)3A8+)C+�

,��� B� "��2� ��� ��� �� �� ���� ������ � � 0������� �0 �� ����

�22��� ��� �� ���� (��� )+ ��� -.. �� 2�� ������ #��9

������ � �� ������������ 0����� � �0��� � �� ����� �0 ,�-�

������������ �� �� ���� ������ �0�� ��� �22�������� �� ���� 2���� ��

��� �22��������� @�������� �� ���� ������ (� 0���� (��� .�)A ��0���� ��� �� + �� 2� B #%� ��� �� ������� ������ (� 0���� (���

+ �� 2� B #%� @� ��� 52������ �� 0���� ��� � �������� �� ��

���� ������ �� � �������� -.. �� �(�� 0��� �� ���� ����� �0 ��

��� ������� �

'���� )� �� ��� . ������ ��& �$������ � !�+ /+��01 ++02+00 -3)

Page 10: Hybrid three-dimensional nanofluidic/microfluidic devices using molecular gates

>+? �� "���� L����� ,��� �� ,����� ���� ����� ��� 9������ �����

2��2��� ��� ����� ������� �0 0����0��( (����� � ����0��� �0

��2������ �� � ��� ���2� !���� ���� 77 4)EEC6 3CB+83CE)�

>7? �� ���� ��Q� ��������� "2������� �0 ���� �<! ������ �� �

�����0�������� ����2�� ���2 ������ "���� 4$� �������� ��6 -BB

4-...6 ).-78).-E�

>A? ���� ����� ��� �� ,����� �� "���� L� ,��� ��"� 900���� �� !� �����

�������������� � ����������� ��2������ �����2��� � �� �

������� ����� � � �� �� � ���2� "���� 4$� �������� ��6 -7)

4)EE36 BE+8BEA�

>B? �� ����� ��Q��� "���������� !�Q�*� 9��� � !� %���� ��(����

������������ ������� ������� � ��� "� � !������� ! AC

4)EEE6 -.A8-).�

>E? %��� ��� �� "������ "� ������� !� ��� �� %��� <�,� � *���G� !

������ �������� �������� ������� ����� � � ��� "� �

!������� % 7 4)EE-6 +A87.�

>).? ��I� ����� 9� #������ �� $�� !��� "����� � Q��� $��� �� � K ���

������� ����� �����0������ ��(�� 0�� ������ ���2�����������

���� 2����� � #���� <��� !���� "��� K�"�!� EB 4-..)6 -E7)8-E77�

>))? R� H���� ���� H���� H��� ���� ���� ��� ������������ ������

2������ 0���� � "� � !������� ! A3 4)EEE6 )BC8)E)�

>)-? *��� $� ���� 9�"� �������� !� 52������� ���� �0 �����

���� ��� ��� 0��( �����0���������� ���� 9��� * � � � 7E 4)EE)6

3B783EA�

>)3? "��� ����� ��� *� ��������� I�%� ������� *��� $����� � ����

*�� �� 900�� �0 ��G����� ��� ��� ������ ������ �� ��

2�0������ �0 ��������2 �����2��� � ���� � !���� ���� 77

4)EEC6 )).A8)))3�

>)C? "��� ����� ��� ��9� ��������� ���� *�� �� �����0������ ����

0�� ����� ��������� ����� 2������ ��� ���� ��5���� !���� ����

A) 4)EEE6 CC++8CC+E�

>)+? #�,� ���� ���� �� �������� ��!� %��� � ���� %�� � �����0����

���� ��2������������� ��2 ���� ��� ��2� ��G����� ��; #����

��� @999 !����� @����������� $�� ��2 ����� 9����� ���������

"� �� � ))��� <( H�� � K"!� )EEB� 22� C+8+.�

>)7? �� Q����S��� *�I� "����� ��Q� ��(���� "��� ������ � �����G�����;

����2�� �0�������� ��� �22�������� �� ����� � �� ����2����

"� � !������� ! 77 4)EEB6 3)+83--�

>)A? %�I� Q���� �� ������ <��� ������ � %�#� ��� ���������� ��*�

$������ � <�@� ����0� Q���!� ����� � <��� �������������

��������� 0�� �������� �����0������ � �� � "� � !������� !

AA 4)EEE6 +A87+�

>)B? ���� ��������� ���� ��00�� ��*� !��� ��� ���� ����� ���� $��

1���!� "������� Q��� $��� �� � ,���������� �0 �����0������

� �� �� 2���4������� ���5��6� 9�����2��� � -) 4-...6

-A8C.�

>)E? ���� ��00�� 1���!� "������� "��� %�������� Q��� $��� �� � *�2��

2������2��� �0 �����0������ (���� �� 2���4������) ���5��6 ���

���� ��������� �� ������ ����� 0��(� �� ��������� �������� E

4)EEE6 -))8-)A�

>-.? #��� ������� ��$� ��� ��� $��� %����� ���� ����� �����

,���������� �0 2�� ��� �����0������ ���2���� � #���� "#@9@��� "���

12�� 9��� 3+)+ 4)EEB6 )A-8)A7�

>-)? I�!� ���� ��� �� #�� �� $� ��������� Q���!� ����� � ����

! 2�� ����� ������ ����� ������� 0�� ������ ���� 5��������� "����

"��� "� �� ��� !������� $�� ��2� ������ ���� "���� ���������

)EEB� 22� 3738377�

>--? !� ,����� !� !���� 1� �������� ��!� "������� �� ����� ������� �0

�2 2���������� ���5�� ����� ������� 0�� �����0������ ���

���������� �22�������� � �� %������ 9��� )-) 4)EEE6 -B83C�

>-3? �� %� �� �� Q������ #����� �����0���������� ����� 0��

�����0������ ���������� �22�������� � 9�����2��� � -) 4-...6 )-8

-7�

>-C? I�#� I� "�!� %���� �� I�2����� I� #������ ���� � 2�� �����

2����� ����� ������� ��� �������� 0�� ����9�" � ��� ��(

���� ��� ��� ��� 2������������2��� "� � !������� ! A) 4)EEB6

)CC8)CE�

>-+? *��� ���(���� ��!� "������ @�!� ! ��� 9�����2������ � ���� �0

��������� ��� ��� (��� �2������� ������ �����2����� � <���� C.C

4-...6 +78+E�

>-7? !� ��� %������� *� *��� #� $������ � ��2��������� ���������

��� ������������ <���� 3B+ 4)EEA6 3-)83-C�

>-A? H� ���� !� #2��� <���0����������; ����������� ��� ��������

������ ����� � 9�����2��� � -- 4-..)6 )BA8-.A�

>-B? ���� ,������� !� ����� I��� $����� ���� $����� "��� �

����� 0�� ����� 0��( � �� �� ������� ����� � ; ����2� ���

���� � ��� �� ������ ����� "� � !������� % )A 4)EE36 )E8-+�

>-E? 9����� '�2����� %��� '�� �� "������ "� ������� !� �����

������� ����� ����� 0��( ����0��� 0�� ����������� �������

����� � � �� � �� ��������� �������� C 4)EEC6 -C78-+7�

>3.? ���� ����� <� I� ���� "� ������ *�"� ���� ���� $����� @�"� �����

��9� @����� Q��� $��� �� � #������ �2� ����� �0 ��� ���

2����� ���� ��0�� �� � ��� ������� ����� �����0������

� �� � #���� <���� !���� "��� K�"�!� EA 4-...6 -C.B8-C)3�

>3)? ��*� !��� ��� ���� ����� *��� ��� ���� ���� ��������� �� $��

"��� $��� �� � Q��� $��� �� � 1� ������� ���� ,���������� �0

��2���������� ���2�5 ������� ����� �����0������ � �� ��

#��" �� ��2�� 2������2���� !���� ���� A- 4-...6 3)+B83)7C�

>3-? %��� ��� ���� %�� ,���������� �0 ������� ����� �����0������

� �� �� ��� ��� ����� 2���������� ���5�� 4#��"6 ���� ���

#���� "#@9@��� "��� 12�� 9��� 3BAA 4)EEE6 ---8--E�

>33? *��� I��� ��!� "������ ��'� "���2� ��Q� 1� �� ��Q� "�������� *���

!������ �� !�0� ���� %�� #� �� ��5��� �� � ������� �����

�2���� ������������ �� �������������� "� �� E 4-...6 )E.8

)EA�

>3C? �� <� ����(�� '�#� ����� ��*� ������� ���� ���������

������ (��� �������������� (������� ������� 2��� �����

���� "���� 4$� �������� ��6 -7B 4)EE+6 A..8A.-�

>3+? ���� ������ ��%� ������ ��*� ������� @���������� �������

���� 2��� �������� ���� ���� ��������� ������ � �� !�� ����

"��� )-. 4)EEB6 77.3877.C�

>37? ��%� ������ ���� ������ ��*� ������� 900�� �0 ����� ���� ��2����

�� �� ���� 2��� 2��2��� �0 ���� ��������� ������ � !����

���� A) 4)EEE6 CE)38CE)B�

>3A? L�L� ���� <�I� !������ #� "����� "�0� ���� �������� ��

������ ���� ��2��� 2�� 2�� �� ���� 2��� �0 ��� �� 2����

������ � I������� )7 4-...6 -C.)8-C.C�

>3B? ��H� ����� #� "����� 95����� ������� �0 ��� ���� 2��� ��

����2���� ������ (��� ��0�� ����0�� (��� �0� ����

�������� � I������� )A 4-..)6 +-A)8+-A+�

>3E? 9�!� %����� 9� %���� *��� ���������� ���� !���� ��"� H�����

Q��� �������� "��0�� 00�� �� ������ ���� 2��� ���� 2����

������� ������ � I������� )+ 4)EEE6 B77B8B7A-�

>C.? 9�!� %����� <��� "������� 9� %���� ��<� ,�0� *��� ����������

���� !���� ��"� H����� Q��� �������� "��0�� 00�� �� ���� ���

���� 2��� ���� 2���� ������� ������ � #��� -� �������� ������ ;

!�� ��� 9�� ��� ,� I������� )7 4-...6 A.+78A.7.�

>C)? "�%� I� ��*� ������� 2� "(�������� ���2�� ����� ����

��������� ������ �� � �� ���� ���� �� ���� !���� ����

A3 4-..)6 A7B8AA+�

>C-? #��� ����� ���� "����� #�$� %���� 9������ 0��� ������

���� 2��� �� ������� ������ ������ � I������� )C 4)EEB6 -BBC8

-BBE�

>C3? ���� ���� I�!� "����� ��'� "(���� #�$� %���� ����2�������

�������� ���� 2��� ������� ����2���� ������ �� ������� �0

����� ����� 0��(; 00�� �0 ��0�� ����� �� ��� ��� ���

������ I������� )A 4-..)6 7-EB873.3�

>CC? ���� ���� ���� ������ ���� H� ���� ���� ����� � ��!� "�������

��'� "(���� #�$� %���� Q����� ����0������ ���������� 0��

���������� �����0������ � �� � !���� ����� ������� 0��

2�����������

>C+? ���� ���� ���� ������ ���� $� ,��� ��!� "������� ��'� "(����

#�$� %���� ������� ����� 0������ ���������� � ��� ����0������

���� �� ������� ���� 2��� ��(� �����0������ ������ ��

-3- '���� )� �� ��� . ������ ��& �$������ � !�+ /+��01 ++02+00

Page 11: Hybrid three-dimensional nanofluidic/microfluidic devices using molecular gates

������������������� ���� � ����� ����� !���� � "� ��

-..)� ������� �!� K"!� -)8-+ 1����� -..)� 22� 7.87-�

>C7? ��Q� "2���� %�*� ,���� ����� �� H� ������ ���� ���� ��'�

"(���� #�$� %���� ��!� "������� � ��� ��� 0���������� �0

�����2� ����0������ ���������� 0�� ������� ����� ��������

�� � � �� � ����� ����� !���� � "� �� -..)� ������� �!�

K"!� -)8-+ 1����� -..)� 22� )E+8)E7�

>CA? ���� ������ ���� ���� ���� $� ,��� ��!� "������� ��'� "(����

#�$� %���� ��������������� �0 �������� ���� 2��� (����� ������

����0������ ���������� 0�� ������� ����� �����0������ �

�� � ����� ����� !���� � "� �� -..)� ������� �!� K"!� -)8

-+ 1����� -..)� 22� )EE8-..�

>CB? ��I� *��� *� $������� 9����� ����� 0��( �� � �����( �����������

��2������� �� #�� � ���� 7E 4)E7+6 C.)A8C.-C�

>CE? ��I� !��� ��� $��� ���� 9����� ����� 2������ 0�� ��2������

�0 ��00��� ������ � �� ������� @���0� "��� +E 4)EAA6 )CE8)+B�

>+.? Q�%� $ ���������� � ��I� !��� ��� 952������� ���0������� �0

�� 2������� ���� 0�� ����� ����� �� ������ �����2����

������ � �� 9��������� "��� )3. 4)EB36 B3E8BCA�

>+)? ��!� @����� �� ,���� !� �������� ,� �G����� "������� 2�������

��� 2������������� ��00����� �� ����2�� ������ � ��

����� "��� 37 4)EBB6 C+8+C�

>+-? 9� %������ "��� *�� G� ��Q� ����� "������� 2������� �0

����2�� ������ �� �� ������ (�� ������ 9����������

!��� C) 4)EE76 )7E8)A7�

>+3? H� I��� ���� ,������ ���� %�� �� ��"� ����� ������� �������

� ��� 2����������� ��������� 0�� ������� ������� �0 �����

� ����� 0��( �� ��2������ �����2��� � ��������2 � !���� ���� A-

4-...6 +E3E8+ECC�

>+C? R�J� *�� �� %������� �� "�� � Q�#� I�� <� !���������� 9�����

� ����� 2��2��� �0 �����0������ ������ ���2� � �0 2���

������� ���5��� �� ����������� % A7- 4-..)6 ))A8)-+�

>++? "��� ����� ��� ��#� !����� ���� *�� �� 9����� ����� ���� 2���

������� ������� �2 ������ � ����� ����� !���� � "� ��

-..)� ������� �!� K"!� -)8-+ 1����� -..)� 22� +A8+E�

>+7? "� I���� ��*� ��������� �� *���� ��� ����� �0 ����� ����� 0��(

�� � �����( 2������2��� ������� �� ���� "���� ,������ ���� � -

4A)6 4)EA+6 )8))�

>+A? �� ����������� "��� ����� ��� I��� $��� � *�"� ,���� ���� *�� ��

�����0�������� 2���� ������ ������� 0�� ��2� ������������

��� �����2������ ����� � � !���� ���� A) 4)EEE6 )B)+8)B)E�

������� ���

'5���� )� ����� %" 4)EBE6 ��� �" 4)EE36 ��� 0��� <�������

� ��� ��� K���� ��� �� ���(��� (�� �� � ���� �2�� ��� �� 2��

����� ��������� ���� 2�������� ��2������ ������� � � ���� �� ��

(�� �� ��0�� *���� 2���� ��2� �0 ������ ������� ��� ����� �

#�� �� ���������� ���� ��� 0��� �� 1��� "��� K���� ��� �� )EEE� �

��� G���� �� K���� ��� �0 @������ �� K���������2���� � �

2� ��������� � ���� � ����� �� (�� �� �� � ���� ��� ����2���

�0 ����������0������ � �� 0�� ������� ��� ���������� �22�������� �

����& �� ����� 9�� ����� � %" �� ���� ��� 0��� �� K���� ��� �0

#��� ����� �� )EE3� � ����� � �! �� ���� ��� 0��� �� K���� ��� �0

"���� �� ��� �� )EE+ 0�� (�� ��������� ��0�� ��������������� �0

2���������0�� ������ � @� -...� � ����� � #�� �� ���� ���

0��� �� #�� ������� "��� K���� ��� 0�� ������������ (�� ����2���

������ 2��0�� ������� �0 ���� ������� ������ � ��� ����0

0����� ������� ��� �� 2��������� �������� � %� ��� ,���( ��

�� %� ��� @� ����� 0�� !������ "���� ��� ��������� �� ��

���2� �0 �� K���� ��� �0 @������ �� K���������2����� �� � ����

���� � ������ ���������� ����� ����2��� 0�� ������� ��� ����

���� �

���% �� ������� #�� K� %� ��� )EE3� � �� � ����� 2��0 �� �0

��������� �������� �� �� K���� ��� �0 @������ �� K���������2�����

��� � �� �00����� �0 �� %� ��� @� ����� 0�� !������ "���� ���

��������� (��� �22������� �� �������� ��� ���2��� �������� �

(�� � ������������ �� ������ 0��� �0 � ���� � �9�" ���

�����0���������� ��������� � ��������� 0���������� �0 ��� � �� �

9������ 3� ����&��� ����� � #�� �� ���� ��� 0��� �� K���� ��� �0

!������ �� )EBB ��� �� �� �� �� K���� ��� �0 @������ ��� )EE)� � �

�������� I���� 2��0 �� �0 ���� ���� ��� � � ������ (��� �� ���2�

(�� <��� ���� 2������� �� �2������ �0 @�������� #�� ������� ��

%� ��� @� ������ ��� � ������� �0 �� K���� ��� @������ %�����������

����� �� � ���� ���� � �� �� ���������� �������� ���� (��� �

� ���� 2������ �2�� ����� �(� ��G�� ������� ��� ��� � �� 0�� �

� ���� ��� � �� ����2��� �0 ���������� ����� ���� ����( ����

���2���� �� � � ��� �� ���2�5 ���������� �������������� � ���

�� ���� � �� �22�������� �0 �� ����� �� ��2��� ���

���� ������� �0 ������� ������������� ��� �������� ����� �� ���������

��� ��� �

4��� :� #�� ����� �� %" 0��� �� K���� ��� �0 <��� ��� �� )EAA

��� �� #�� �� ���� ��� 0��� �� K���� ��� �0 $� ��� �� �� )EB)� �

G���� �� K���� ��� �0 @������ �� K���������2���� �� )EB3� � �

�������� 2��0 �� �0 ���� ��� ��� 2��0 �� �� �� %� ��� @� ������ �

(�� � � ���� �0 �� ������� * ���� I��������� ��� ��

������������� I���������� �� � ���� ���� � �� ��; ���� �������

��� ������� �0 �������� ���� 2��� �� �� ������� ����� ����

����2��� �( �2����� 2���� ��2�� �� ����� ������ 0�� ��0��

��� ����0����� �������80������� ���� � @@@8' �2����� �����������

������� ��� ���� � ��� �������� �22����� �� ��������������

'���� )� �� ��� . ������ ��& �$������ � !�+ /+��01 ++02+00 -33