أقفاص الهوائية ميكروفلويديك: مقاربة رواية لفي رقاقة كريستال الاصطياد، التلاعب والتحكم المعالجة الكيميائية

يتمثل الهدف العام من هذا النهج في إثبات قدرة هذا الجهاز على احتجاز وتوجيه مسار تنسيق مادة جزيئية بلورية والتحكم في التفاعلات الكيميائية على الهياكل المحتجزة داخل الشريحة. يمكن لهذه الطريقة أن تساعد في الإجابة على أسئلة جوهرية في مجال علم المواد، مثل تأثير المعالجات الكيميائية الموجهة على خصائص الهياكل ذاتية التجميع. ومن المهم التأكيد على أن عدد التقنيات التي تسمح بالمعالجة الكيميائية الموجهة تحت ظروف ديناميكية محدود للغاية في الوقت الحالي، مما يجعل هذا النهج جذاباً جداً في المجالات المتعلقة بالمواد.

للبدء، قم بتحضير قالب رئيسي مُسيلن (silanized) باستخدام الطباعة الحجرية الضوئية SU8. وتعد جسيمات التلوث حساسة بشكل خاص لكل من الوقت ودرجة الحرارة؛ لذا فإن أي إخفاق في الالتزام بالإطار الزمني ودرجة الحرارة الموضحة قد يؤدي إلى تصنيع جهاز غير مترابط، وبالتالي يكون غير فعال.

قم بتحضير خليط الـ PDMS عن طريق دمج 50 grams من الإلاستومر و 10 grams من عامل المعالجة في طبق وزن مخصص للاستخدام مرة واحدة. اخلط المكونات تماماً باستخدام ملعقة بلاستيكية. بعد ذلك، ضع خليط الـ PDMS الممزوج جيداً في مجفف تحت تفريغ هوائي لمدة 15 minutes لإزالة الغازات من الخليط والتخلص من الفقاعات المحتبسة.

بينما يتم سحب الغازات من الدفعة الأولى من PDMS، اخلط دفعة ثانية باستخدام 10 grams من الإلاستومر و 0.5 grams من عامل المعالجة. بعد ذلك، قم بتثبيت القالب الرئيسي الذي يحتوي على طبقة التحكم في إطار PTFE دائري بقطر 11 millimeter. وبمجرد الانتهاء من سحب الغازات من خليط PDMS بنسبة خمسة إلى واحد، قم بإخراجه من غرفة التفريغ.

الآن، صُب خليط PDMS بنسبة 5:1 فوق القالب الرئيسي لطبقة التحكم حتى يصل الخليط إلى مستوى الجدار الرأسي المستقيم لإطار PTFE. ثم ضعه في المجفف. وفي الوقت نفسه، ضع أيضاً خليط PDMS بنسبة 20:1 في المجفف وقم بسحب التفريغ الهوائي مرة أخرى.

قم بإزالة الغازات من كل من القالب الرئيسي المطلي ومزيج PDMS بنسبة 20 إلى 1 لمدة 30 دقيقة إضافية. بعد ذلك، أخرجهما من المجفف وضع القالب الرئيسي لطبقة التحكم في فرن تم تسخينه مسبقاً إلى 80 درجة مئوية. وبينما تخضع طبقة التحكم لعملية الخبز، ضع القالب الرئيسي للطبقة المائعية على جهاز الطلاء الدوراني.

صُب حوالي 4 milliliters من خليط PDMS بنسبة 20 إلى 1 على القالب الرئيسي للطبقة المائعية، ثم قم بطلاء الرقاقة بالدوران لمدة 40 ثانية بسرعة 1200 rpms للحصول على طبقة بسمك 60 micrometers. بعد مرور ساعة واحدة من الوقت الإجمالي، افتح الفرن، وضع الرقاقة المطلية بالدوران بجانب طبقة التحكم واخبزهما معاً لمدة 15 دقيقة إضافية عند 80 degrees Celsius. ثم، بعد مرور 75 دقيقة من الوقت الإجمالي، أخرج كلتا الرقاقتين من الفرن.

أولاً، قم بنزع خليط PDMS بنسبة خمسة إلى واحد المخصص لطبقة التحكم. قم بقص الرقاقات باستخدام شفرة حلاقة، ومن ثم اصنع ثقوب المداخل باستخدام خرامة خزعات بقطر 1 mm.

بعد ذلك، استخدم شريطاً لاصقاً لإزالة أي شوائب من رقائق طبقة التحكم المقطعة. وبمجرد تنظيف الرقائق، استخدم مجهراً ستريو لمحاذاة رقاقة طبقة التحكم فوق القالب الرئيسي للطبقة المائعية. ثم، صب واسحب ما تبقى من PDMS حول الرقائق المجمعة.

ثم ضع التجهيزات بأكملها في فرن عند 80 درجة Celsius. اترك الأجهزة المجمعة في الفرن طوال الليل. وفي اليوم التالي، أخرج التجهيزات المعالجة من الفرن واتركها لتبرد حتى تصل إلى درجة حرارة الغرفة.

بعد ذلك، قم بنزع مجموعة الـ PDMS من القالب الرئيسي للطبقة المائعية. وبمجرد تحررها من القالب الرئيسي، قم بتقطيع الأجهزة ذات الطبقة المزدوجة المصنعة باستخدام شفرة، واستخدم خرامة خزعات بقطر 1.5 millimeter لتشكيل المداخل والمخارج المائعية. بعد ذلك، قم بمعالجة شرائح الغطاء الزجاجية والطبقة المائعية للجهاز المجمّع باستخدام تفريغ الكورونا لمدة دقيقة واحدة أو استخدم بلازما الأكسجين، ثم قم بربط السطحين معاً على الفور لإتمام جهاز الموائع الدقيقة.

يتم خبز الرقائق المزدوجة الطبقات والمترابطة في فرن عند درجة حرارة 70 إلى 80 درجة مئوية لمدة أربع ساعات على الأقل. ومن أجل التحكم في نظام التدفق باستخدام مضخة حقن ووحدة تحكم نيوماتيكية (هوائية)، قم أولاً بتوصيل المحاقن التي تم تحميلها مسبقاً ووضعها في مضخة الحقن بمنافذ السوائل في الجهاز الموائع دقيق القنوات، وتوصيل نظام التحكم النيوماتيكي بمنافذ التحكم في جهاز الموائع دقيق القنوات. ولتصوير التدفق، يتم تحميل إحدى المحاقن بصبغة مائية وتدفقها داخل الغرفة بمعدل تدفق قدره 20 microliters في الدقيقة.

بعد ذلك، استخدم نظام التحكم النيوماتيكي (الهوائي) لإغلاق الصمام عن طريق تفعيله عند ضغط 3 bar. ومن المهم ملاحظة أن السائل يمكن أن يتدفق لا يزال حول الصمام بمجرد إغلاقه، وتعد هذه الميزة ضرورية لتحقيق معالجة كيميائية محكومة للبنية المحتجزة، مثل البوليمرات التنسيقية. ولفتح الصمام، ما عليك سوى استخدام نظام التحكم لتحرير الضغط.

أثناء تدفق محلول القالب عبر القناة الأولى، يتم حقن سائل مائي آخر في قناة المدخل الثانية بنفس معدل التدفق لتشكيل واجهة بين التدفقين المائيين. بعد ذلك، يتم إغلاق الصمام عن طريق تفعيله عند ضغط 3 bar. يؤدي تفعيل الصمام أثناء التدفق المزدوج إلى تغيير الواجهة الفاصلة بين التدفقين المائيين.

بعد ذلك، قم بتغيير معدلات تدفق السوائل للمحقنتين إلى 30 µL/min و 10 µL/min على التوالي من أجل إزاحة الواجهة الفاصلة بين السائلين. ولتوضيح قدرة الصمام على احتجاز الجسيمات الدقيقة، قم أولاً بتحضير محلول مائي يحتوي على جسيمات بوليسترين فلورية دقيقة بنسبة 10% وزناً. ثم قم بإدخال السائل المحمل بالجسيمات في قناتي المدخل بمعدل تدفق إجمالي قدره 20 µL/min.

انتظر لمدة دقيقتين حتى يتم إنشاء تدفق مستقر. بعد ذلك، قم بإثارة الخرزات الفلورية باستخدام مصدر بطول موجي 488 nanometers لرؤية الخرزات بأفضل شكل ممكن. وعندما تصبح جاهزاً، قم بتشغيل الصمام عند ضغط 3 bar لإغلاقه.

قم بتصوير منطقة الصمام لرؤية عدة جزيئات محتجزة أسفل الصمام ومتمركزة على السطح أثناء الحفاظ على التدفق. يؤدي حقن الغاز عبر القنوات الموجودة في طبقة التحكم إلى ضغط طبقة السائل باتجاه السطح. ويمكن استخدام ذلك لتحويل السوائل بعيداً عن المنطقة التي يتحكم فيها المشغل، والمشار إليها هنا بغياب صبغة rhodamine.

يمكن استخدام هذه المشغلات الهوائية أيضاً لاحتجاز الجسيمات أو الخلايا، مثل هذه الجسيمات الدقيقة الفلورية التي تم احتجازها على سطح القناة الدقيقة. وميزة أخرى لهذا الجهاز هي قدرته على احتجاز البوليمرات التنسيقية الناتجة عن NC2 من خلال تشغيل القفص الهوائي. وبالنسبة لهذا الإعداد، يتم استخدام تدفقين من الكواشف، ويحدث تفاعل كيميائي محكوم عند السطح البيني للسائلين في التدفق الصفائحي.

بمجرد احتجاز البوليمرات التناسقية، يمكن معالجتها كيميائياً بطريقة محكومة باستخدام الصمامات الهوائية. إذا كنت تشاهد هذا الفيديو، فيجب أن تكون لديك معرفة جيدة بكيفية تصنيع جهاز ميكروفلويديك مزدوج الطبقة بفعالية، والذي يمكن استخدامه لإجراء تفاعلات كيميائية محكومة على هياكل أنبوبية متنوعة. وأثناء محاولة تنفيذ هذا الإجراء، من المهم الالتزام بالإطار الزمني ودرجة الحرارة المذكورين في هذا البروتوكول.

وإلا، فقد تؤدي جهودك إلى تصنيع أجهزة غير مترابطة أو معيبة، وبالتالي تكون غير وظيفية. وبعد تطويرها، مهدت هذه التقنية الطريق للباحثين في مجال علم المواد لاستكشاف أنواع مختلفة من المعالجات الكيميائية التي يتم التحكم فيها داخل الأنابيب بدقة عالية باستخدام منصة مائعية دقيقة ثنائية الطبقة.