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

Zusammenfassung

Hierin beschreiben wir die Herstellung und den Betrieb eines zweischichtigen mikrofluidischen Systems aus Polydimethylsiloxan (PDMS). Wir demonstrieren das Potenzial dieses Geräts für das Einfangen, die Steuerung des Koordinationswegs eines kristallinen molekularen Materials und die Steuerung chemischer Reaktionen auf gefangenen On-Chip-Strukturen.

Zusammenfassung

Die präzise Lokalisierung und kontrollierte chemische Behandlung von Strukturen auf einer Oberfläche sind erhebliche Herausforderungen für gängige Labortechnologien. In dieser Arbeit stellen wir eine mikrofluidikbasierte Technologie vor, die ein doppelschichtiges mikrofluidisches Gerät verwendet, das in situ und ex situ synthetisierte Strukturen auf mikrofluidischen Kanaloberflächen einfangen und lokalisieren kann. Entscheidend ist, dass wir zeigen, wie ein solches Gerät verwendet werden kann, um kontrollierte chemische Reaktionen auf gefangenen Strukturen auf dem Chip durchzuführen, und wir zeigen, wie der Syntheseweg eines kristallinen molekularen Materials und seine Positionierung in einem mikrofluidischen Kanal mit dieser Technologie präzise modifiziert werden können. Dieser Ansatz bietet neue Möglichkeiten für die kontrollierte Montage von Strukturen auf der Oberfläche und für deren anschließende Behandlung.

Einleitung

Molekulare Materialien sind seit langem in der wissenschaftlichen Gemeinschaft sucht wegen ihrer breiten Vielzahl von Anwendungen in Bereichen wie der molekularen Elektronik, Optik und Sensoren ^1-4. Unter diesen sind organische Leiter eine besonders spannende Klasse von molekularen Materialien aufgrund ihrer zentralen Rolle in flexiblen Displays und integrierten Funktionsgeräte ^5,6. Allerdings verwendeten Methoden elektronischen Ladungstransport in molekular-basierte Materialien zu ermöglichen, die Bildung von Ladungstransportkomplexe (CTCs) und Ladungstransportsalze (CTSs) ^7-10 sind eingeschränkt. Häufig CTCs und CTSs werden durch elektrochemische Verfahren oder durch direkte chemische Redox-Reaktionen erzeugt; Prozesse, die eine kontrollierte Transformation von Donor- oder Akzeptor-Reste zu komplexeren Architekturen behindern wo Multifunktionalität gedacht werden kann. Dementsprechend ist die Aufklärung neuer systematischen Verfahren zur steuerbaren Erzeugung und Manipulation von Molekülbasisd Materialien bleibt eine große Herausforderung in den Bereichen Materialwissenschaft und Molekulartechnik, und wenn sie erfolgreich sind zweifellos zu neuen Funktionen und neuen technologischen Anwendungen führen.

In diesem Zusammenhang haben mikrofluidischen Technologien kürzlich verwendet wurden molekularbasierten Materialien aufgrund ihrer Fähigkeit , die Synthese zu steuern Wärme- und Stoffaustausch sowie der Reaktions-Diffusionsvolumen von Reagenzien während eines Syntheseprozesses ^11,12. Einfach gesagt, in kontinuierlicher Strömen und bei niedrigen Reynolds - Zahlen einer stabilen Grenzfläche zwischen zwei oder mehreren Reagenzienströmen erreicht werden kann, die innerhalb des Strömungswegs um die Bildung einer gut kontrollierten Reaktionszone liefert, wo das Mischen nur ^13-16 durch Diffusion erfolgt. Tatsächlich haben wir bisher laminare Ströme verwendet , um den Syntheseweg von kristallinen Molekular Materialien wie Koordinationspolymere (CPs) innerhalb mikrofluidischen Kanäle ¹⁷ zu lokalisieren. Obwohl diese Methode hat gezeigt, great Versprechen neuartige CP - Nanostrukturen zu realisieren, die direkte Integration solcher Strukturen auf Oberflächen, sowie kontrollierte chemische Behandlung nach ihrer Entstehung noch realisiert ¹⁸ in situ werden muss. Um diese Einschränkung zu überwinden, haben wir, dass die Betätigung von mikrofluidischen pneumatischen Käfige kürzlich gezeigt (oder Ventile) eingebaut in zweischichtigen mikrofluidischen Vorrichtungen können in vorteilhafter Weise in dieser Hinsicht verwendet werden. Seit der Pionierarbeit von Quake der Gruppe ^19, mikrofluidischen pneumatische Ventile haben häufig für Einzelzellen - Trapping und Isolierung ^20, enzymatische Aktivität Untersuchungen ^21, das Einfangen von kleinen Flüssigkeitsvolumina ^22, Lokalisierung von funktionellen Materialien auf Oberflächen ²³ und Proteinkristallisation ²⁴ verwendet. Wir haben jedoch gezeigt , dass eine Doppelschicht Mikrofluidik - Vorrichtungen zu stoppen verwendet werden können, zu lokalisieren und in situ gebildeten Strukturen auszulesen Komponenten und auf Oberflächen ¹⁸ integrieren. Außerdem haben wir auch gezeigt , dass eine solche Technologie verwendet werden kann , um eine kontrollierte chemische Behandlungen auf eingeschlossenen Strukturen führen, die beide ermöglichen, "Mikrofluidik - assistierten Ligandenaustausch" ¹⁸ und kontrollierte chemische Dotierung von organischen Kristallen ^18,25. In beiden Fällen könnte CTCs unter kontrollierten mikrofluidischen Bedingungen synthetisiert werden, und in der jüngsten Studie, Multifunktionalität kann in dem gleichen Materialstück beschrieben. Hierbei wir die Leistung dieser Doppelschicht-Mikrofluidik-Vorrichtungen, die farbstoffbeladenen Ströme zeigen, erzeugen und die Koordinations Weg einer CP steuern sowie deren Lokalisierung auf der Oberfläche eines Mikrofluidkanals und schließlich beurteilen kontrollierten chemischen Behandlungen auf On-Chip eingeschlossene Strukturen.

Protokoll

Anmerkung: Zwei Schichten aus einer Doppelschicht - Mikrofluidik - Vorrichtung sind so konzipiert , eine Zeichnungssoftware, beispielsweise AutoCAD und gedruckten hochauflösenden Filmmasken zu bilden, mit einem Merkmal Genauigkeitsgrenze von 5 um. Master-Formen werden durch SU-8-Lithographie auf 4 "Siliziumwafern geschaffen, so dass die Erzeugung von Strukturen 50 & mgr; m in der Höhe.

1. Master Formenbau Mit SU-8-Lithografie

1. Platzieren Sie den Silizium-Wafer auf einer Heizplatte bei 200 ° C für 10 min zu entwässern.
   Hinweis: Silizium-Wafer Dehydratation einen besseren Kontakt bereitstellt und die gewährleistet, während der Spin-Beschichtungsschritt des SU-8 Photoresist zu verbreiten.
2. Kühlen des dehydratisierten Wafer auf Raumtemperatur über einen Zeitraum von 3 min.
3. Laden Sie den Wafer auf einen Spin Coater und Ablagerung 4 ml SU-8 Photoresist (etwa 1 ml SU-8 pro Zoll Substrat) in der Mitte des Wafers.
   1. Zunächst verbreitete sich die abgelagerten SU-8 langsam bei 500 Revoons pro Minute (rpm) für 10 sec. Eine solche Drehgeschwindigkeit stellt sicher, dass die SU-8-Abdeckung erstreckt sich über die gesamte Waferoberfläche erhöht wird.
   2. Zweitens steuern die Dicke der SU-8, indem das Substrat bei höheren Geschwindigkeiten zu drehen. In den aktuellen Experimenten eine Schleuderdrehzahl von 3000 Umdrehungen pro Minute für 30 Sekunden verwenden SU-8 verfügt über 50 & mgr; m hoch zu erzeugen.
4. Wischen Sie den Randwulst des Wafers vorsichtig mit einem Baumwolltuch, während bei niedriger Drehzahl Spinnen (typischerweise 100 Umdrehungen pro Minute).
5. Erwärmen , um die Spin-beschichtete Wafer auf einer heißen Platte bei 95 ° C für 15 min Restlösungsmittel aus der SU-8 (dh "soft bake") zu entfernen.
   Hinweis: Das Vorhandensein von Mustern oder "Falten" in die Resistschicht zeigt die unvollständige Entfernung des Lösungsmittels.
6. Kühlen Sie die gebackenen Waffel wieder auf Raumtemperatur und kontaktieren Sie die Emulsion bedruckte Seite der Photomaske mit dem Wafer vor der Belichtung.
7. Schalten Sie die UV-Lampe und Belichtungseinheit und lassen Sie das System stabilisieren sich über einen Zeitraum von 10 min. Messen bei 365 nm die Lampenintensität einen UV-Optometers, und schätzen die erforderliche Belichtungszeit (nach Zeit = Belichtungsenergie / Intensität bei 365 nm) verwendet wird.
   Hinweis: Die Belichtungsenergie in der aktuellen Experimenten berechnet wurden 250 mJ / cm ² sein.
8. Belichten der Photomaske auf dem spinnbeschichteten Wafers mit UV-Licht für die im vorhergehenden Schritt geschätzten Zeit. Hier aussetzen für 79,6 Sek.
9. Unmittelbar nach dem Belichten backen des belichteten Wafers auf einer Heizplatte bei 65 ° C für 1 min und anschließend bei 95 ° C für 5 min. In diesem Schritt wird die Reaktion durch UV -Licht und beendet nach dem Backen eingeleitet.
10. Lassen Sie die nachgebacken Wafer auf Raumtemperatur über einen Zeitraum von 3 min abkühlen.
11. Entwickeln Sie die nicht-vernetzten SU-8 auf dem Wafer, indem sie in der SU-8-Entwickler über 8 min zu lösen. Um eine vollständige Entfernung des nicht vernetzten SU-8, spaltete das Verfahren in zwei Schritten.
    1. In dem ersten, eintauchen, den Wafer in der Entwicklerlösung für 5 min, erneutBewegen der Mehrzahl der nicht-vernetzten SU-8.
    2. Dann Eintauchen der Wafer in einer frischen Lösung von Entwickler für 3 min die restlichen nicht vernetzten SU-8 (typischerweise zwischen vernetzten Strukturen eingeschlossen) aufzulösen.
12. Spülen Sie die entwickelte Wafer mit Isopropanol und ließ den Wafer strukturiert Strukturen (im Folgenden als "Urform") stehen, um zu trocknen. Die Beobachtung einer milchigen Rückstand auf die Urform Spülung zeigt an, dass die Entwicklung nicht vollständig ist.
13. Erhitzen Sie die getrockneten Masterform auf einer heißen Platte bei 200 ° C für 2-5 min auf "harte backen" das Substrat und die Ausheilung mögliche Risse im Lack.
14. Lassen Sie den hergestellten Masterform auf Raumtemperatur abkühlen lassen.
15. Legen Sie die Master-Form in einem Exsikkator (verbunden mit einer Vakuumpumpe) im Inneren einer Abzugshaube.
16. Gießen Sie 100 ul Trimethylsilylchlorid (TMCS) in ein Becherglas und legen Sie diese in den Exsikkator gestellt.
    ACHTUNG: TMCS ist brennbar, corrosive und toxisch sind; daher sollte Handhabungsschritte unter einem Abzug durchgeführt werden, wobei der Benutzer mit Schutzhandschuhen, Schutzbrille und einen Laborkittel.
17. Setzen Sie den Exsikkator unter Vakuum und warten Sie mindestens 1 Stunde die TMCS Dampf zu ermöglichen, auf das Master-Formoberfläche abzuscheiden.
18. Nach 1 Stunde äquilibrieren langsam den Druck innerhalb Exsikkator und offen für die Atmosphäre.
    ACHTUNG: nicht einatmen direkt über dem offenen Exsikkator.
19. Entfernen Sie die silanisierten Master und schließen Sie den Exsikkator.

2. Herstellung von Doppelschicht-Mikrofluidiksysteme

Hinweis: Das Protokoll ist besonders empfindlich gegenüber der Zeit und Temperatur. Jeder Fehler auf den Zeitrahmen zu folgen und die Temperatur kann auf die Herstellung von nicht gebundenen und daher nicht funktionierender Geräte führen.

1. Gießen einer Mischung aus PDMS-Elastomer und Härter (5: 1 in Gewicht) in ein Einweg-Wägeschale und vollständig mit einem Kunststoffspachtel mischen. Im aktuellen Experiments, verwenden 50 g des Elastomers und 10 g des Härters ^19,26 eine PDMS - Schicht ca. 5 mm in der Höhe zu bilden.
2. Legen Sie die gut gemischte PDMS in einem Exsikkator unter Vakuum entgast und entfernen eingeschlossene Luftblasen für 15 min.
3. Mischungs PDMS - Elastomer und Härter (20: 1 in Gewicht) in einer wegwerfbaren Wägeschale (beispielsweise 10 g Elastomer und 0,5 g Härter) ^19,26.
4. Befestigen Sie die "Steuerschicht" Master-Form in einem Rahmen (in den aktuellen Experimenten wurde ein 11 mm Rund Polytetrafluorethylen (PTFE) Ring).
5. Nach 15 Minuten, legen Sie die 20: 1 PDMS-Mischung im Exsikkator unter Vakuum zur Entgasung.
6. Zur gleichen Zeit wie die vorherigen Schritt, nehmen Sie das 5: 1 PDMS-Mischung aus dem Exsikkator und diese Mengen auf die "Steuerschicht" Masterform, die innerhalb des runden Rahmen befindet. Platzieren Sie den Rahmen, um die PDMS und Master-Form in den Exsikkator unter Vakuum als auch enthalten. Halten Sie den Überschuss PDMS.
7. Nach 45 Minuten (und 30 Minuten nach der Putting beide Mischungen in den Exsikkator) PDMS, nehmen beide PDMS Mischungen aus dem Exsikkator und legen Sie den Rahmen, das 5: 1 PDMS und die "Steuerschicht" Masterform in einem Ofen bei 80 ° C.
8. Zur gleichen Zeit beginnen Mantel zu spinnen die "fluidische Schicht" Master-Form mit dem 20: 1 PDMS-Mischung. Die Rotationsgeschwindigkeit für die Rotationsbeschichtung basiert auf der gewünschten Höhe festgelegt und wurde an anderer Stelle ²⁷ angegeben. Ziel Schleuderbeschichtung bei 60 min zu beenden und die restlichen PDMS halten.
9. Nach 60 min setzen die Spin "fluidische Schicht" Masterform beschichtet mit 20: 1 PDMS in einem Ofen bei 80 ° C.
10. Bei 75 min, nehmen beide Urformen aus dem Ofen.
11. Ziehen Sie die nur 5: 1 PDMS von der "Steuerschicht" Masterform, Würfel des Substrats mit einer Klinge und die Löcher für Steuerschichten mit einer 1 mm Biopsie Puncher stanzen an den Einlässen in der Gestaltung bestimmten Positionen. Dabei ist die Steuerschicht 24 mm in der Länge und 24 mm in der Breite.
12. Remove Trümmer von vereinzelten Chips Klebeband.
13. Von Hand die Würfel geschnitten und gestanzt Steuerschicht - Chips auf der Oberseite des 20: 1 PDMS durch Spin - Beschichtung auf der "fluidische Schicht" Urform ein Stereomikroskop mit einer Vergrößerung von 500X (Abbildung 1).
14. Gießen und die restlichen PDMS um die montierten Chips zeichnen, um eine dickere Schicht PDMS machen und erleichtern dadurch die Entfernung der gebundenen fluidischen und Steuerschichten am Ende.
15. Legen Sie die "fluidische Schicht" Masterform, die aus zwei Schichten Geräte in einem Ofen bei 80 ° C enthält, und über Nacht speichern.
16. Am nächsten Tag nehmen die gehärtete Anordnung aus dem Ofen und lassen Sie es auf Raumtemperatur abkühlen lassen.
17. Ziehen Sie die PDMS-Baugruppe von der "fluidische Schicht" Masterform, Würfel der hergestellte Doppelschicht-Geräte mit einer Klinge (24 mm Länge und 24 mm in der Breite) und Stempel fluidischen Ein- / Ausgänge mit einer 1,5 mm Biopsie Puncher.
18. Behandeln Sie die Oberfläche von Chips mit open-Kanäle und Deckgläser (24 mm × 40 mm) mit einer Koronaentladung und sofort miteinander zu verbinden. Behandeln Sie durch die Koronaentladung über die PDMS-Platte und Deckglas über 1 min bewegt. Alternativ können Sie einen Benchtop-Plasmasystem Bindung zu erleichtern.
19. Speichern der gebundenen Doppelschicht-Chips in einem Ofen bei 70-80 ° C für mindestens 4 Stunden.

3. mikrofluidischen System Assembly

1. Nachdem der Mikrofluidik-Vorrichtung zusammengebaut worden ist, schließen Sie die fluidische Schicht Einlässe des Chips an die fluidische Reservoirs (Spritzen) unter Verwendung von Polytetrafluorethylen (PTFE) Schlauch (0,8 mm ID).
2. Schließen Sie den Druckversorgungsquelle an die Steuerschicht Einlässe mit Silikongummischlauch und Metallverbinder, die einen Außendurchmesser von 1,6 mm aufweisen.
3. Öffnen und Schließen der Ventile durch Druckluft bei 3 bar Aufbringen einer Druckquelle verwendet, die von Hand betätigt wird. Versorgungs Fluide auf die Kanäle eine Reihe von computergesteuerten Spritzenpumpen.
4. Visualisieren Ansteuerung von Ventilen und Betrieb des Gerätes mit einer hochauflösenden Kamera auf einem inversen Mikroskop angebracht. Verwenden Sie das 5- bis 63X Vergrößerung.

4. Eine Manipulation der Laminar-Flow-Regime durch pneumatische Betätigung Cage

Anmerkung: Die fluidische Schicht besteht aus zwei konvergierenden Einlaßkanäle, die 150 um breit sind, zu einem breiteren Hauptkanals 300 & mgr; m in der Breite. Und die Steuerschicht hat eine Reihe von identischen rechteckigen Ventile (250 & mgr; m × 200 & mgr; m), die auf der Oberseite des Hauptfluidkanal angeordnet sind.

1. Nachdem das Set-up zu der Spritzenpumpe und pneumatische Steuerungssystemen verbunden ist, bei einer Strömungsrate von 20 & mgr; l / min eine wässrige Farbstofffluss über einen der Einlasskanäle einzuführen.
2. Schließen Sie das Ventil, indem sie bei 3 bar betätigen.
3. Seien Sie sich bewusst, dass die Flüssigkeit noch um das Ventil fließen kann. Diese Funktion ist wichtig bei der Erreichung kontrollierten chemischen Behandlung von eingeschlossenen Strukturen ^{18,25 <}/ Sup>.
4. Öffnen des Ventils durch den Druck freizusetzen.
5. Während die Farbstofflösung durch den ersten Kanal fließt, zu injizieren eine andere wässrige Flüssigkeit in den zweiten Einlaßkanal bei 20 & mgr; l / min. Eine Schnittstelle zwischen zwei wässrigen Strömungen in der Mikrofluidik-Vorrichtung aufgrund der laminaren Strömungsregime vorhanden gebildet.
6. Schließen Sie das Ventil, indem sie bei 3 bar betätigen. In diesem Fall ändert die Betätigung des Ventils die Schnittstelle der beiden wässrigen Ströme; ein Ergebnis , das den synthetischen Reaktionsweg während der Bildung eines CP (vide infra) ^18,28 zu modifizieren verwendet werden kann.
7. Ändern der Fluiddurchflussraten bis 30 & mgr; l / min und 10 & mgr; l / min und beobachten die Down- oder bis verschobene der Schnittstelle Führung zwischen den beiden Fluiden erzeugt.

5. Lokalisierung von Mikroteilchen

1. Schließen Sie das hergestellte Doppelschicht-Chip mit der Spritzenpumpe und pneumatische Steuerungssysteme.
2. Vorbereitung einer wässrigen Lösung, die 10 Gew.% Polystyrolfluoreszierender Partikel (5 & mgr; m im Durchmesser, Anregungs- und Emissions max bei 468 nm und 508 nm, jeweils).
3. Verwenden Quelle Laseranregung bei einer Wellenlänge von 488 nm arbeitet.
4. Einzuführen, um die partikelbeladenen Flüssigkeit in die beiden Einlasskanäle mit einer Gesamtströmungsgeschwindigkeit von 20 & mgr; l / min.
5. Warten Sie 2 Minuten, bis eine stabile Strömung einstellt.
6. Actuate das Ventil bei 3 bar um es zu schließen. Mehrere Partikel werden unterhalb des Ventils und lokalisiert auf der Oberfläche eingefangen werden, während die Strömung aufrechterhalten wird.

6. Erzeugung und kontrollierte Reduktion eines Koordinationspolymer (CP)

1. Vorbereiten eines 2,5 mM wässrige Lösung von Silbernitrat (AgNO _3).
2. Bereiten Sie eine 2,5 mM wässrige Lösung von Cystein (Cys).
3. Bereiten Sie eine gesättigte Ascorbinsäure-Lösung in Ethanol ^18.
4. Verwenden Sie die gleiche Doppelschicht-Chip und injizieren die beiden Reagenzien in die beiden Einlasskanäle (ein Reagenz pro Einlass), die jeweils mit einer Strömungsgeschwindigkeit von50 & mgr; l / min.
5. Beobachten der Bildung von Silber und Cystein (Ag (I) Cys) CPs an der Schnittstelle von zwei zusammenfließenden dampft.
6. Actuate das Ventil bei 3 bar zu stoppen das gebildete Ag (I) Cys CPs unter dem Ventil.
7. Flush destilliertes Wasser in die Einlasskanäle mit einer Flussrate von 50 ul / min waschen die überschüssigen Reagenzien entfernt während des Syntheseprozesses eingesetzt.
8. Lassen Sie den Druck und das Ventil öffnen. Die erzeugten CPs bleiben unter dem Ventil unter Stopped-Flow-Bedingungen.
9. Um eine kontrollierte chemische Reduktion der eingeschlossenen Ag (I) Cys CPs, lassen Sie die Ventildruck bei 1 bar und spülen Sie die gesättigten Ascorbinsäure-Lösung in Ethanol bei einer Flussrate von 10 & mgr; l / min durchzuführen.
10. Beachten Sie eine klare Farbänderung, die zur Reduktion von Ag (I) zu metallischem Silber (Ag (0)) durch die Ascorbinsäure ¹⁸ zurückgeführt wird.

Ergebnisse

Die Doppelschicht - Mikrofluidik - Vorrichtungen bestehen aus zwei verklebten mikrofluidischen Chips in PDMS strukturiert , wie in 1 gezeigt. Die erste Schicht, die an eine Oberfläche gebunden zugleich ist, verwendet wird , Flüssigkeiten (Flüssigkeitsschicht) zu fließen, während die zweite Schicht, welches direkt mit dem ersten PDMS-Schicht gebunden ist, verwendet wird, um Gas (control layer) fließen.

Abbildung 1. Double-Layer - Mikrofluidik - Vorrichtung. (A) Schematische Darstellung und (B) Aufnahme der Doppelschicht - Mikrofluidik - Vorrichtung in unseren Untersuchungen verwendet. Bitte klicken Sie hier , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

Einspritzen von Gas durch die Kanäle indie Steuerschicht quetscht die Flüssigkeitsschicht auf der Oberfläche (2A und 2B), so dass Trapping und Lokalisierung von Strukturen auf der mikrofluidischen Kanal Oberfläche. PDMS Membranbetätigungs kann verwendet werden pneumatische Käfige und / oder Mikroventile zu erzeugen, die von einem pneumatischen Steuergerät gesteuert werden. Als beispielhafte Modelle der Membranbetätigungs zeigen wir , wie die vollständige Ablenkung der Fluidschicht eine farbstoffbeladenen Strömung vermeidet unterhalb des Ventils nach der Betätigung (2C) und Einfangen von fluoreszierenden Mikroteilchen auf der Mikrokanaloberfläche (2D und 2E) zu zirkulieren .

Abbildung 2. Membranbetätigung und Einfangen von Strukturen. (A) Seite und (B) Draufsicht Darstellungen der Doppelschicht - Mikrofluidik - Vorrichtung zeigt seinVordergrund (oben) und nach (unten) Betätigung des Pneumatikventils. (C) Mikroskopische Aufnahmen einer Doppelschicht - Mikrofluidik - Vorrichtung vor (oben) und nach der Fluidschicht quetschen (unten). In Bodenplatte, die Flüssigkeitsschicht wird für eine bessere Wahrnehmung der Membranbetätigungs mit einer wässrigen Lösung von Rhodamin-Farbstoff gefüllt. (D) Hellfeld - Aufnahmen einer Doppelschicht - Mikrofluidik - Vorrichtung vor (oben) und nach (unten) Betätigung des Ventils mit einer fließenden wässrigen Lösung , die Polystyrol fluoreszierenden Teilchen (10 Gew.%). (E) Fluoreszenzbilder der optischen Mikroskopbilder in D. gezeigt Bitte hier klicken , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

3A veranschaulicht das Einfangen von in situ erzeugten CPs in einem Doppelschicht - Mikrofluidik - Vorrichtung durch ACTUATIon eines pneumatischen Käfig. Beachten Sie, dass eine neue Koordinations Weg nach der Betätigung des ersten Ventils erzeugt wird. Die Ventilbetätigung gewährleistet das Einfangen des Ag (I) Cys CP an der Grenzfläche der beiden Reagenzienströme erzeugt und erleichtert die Bildung einer neuen Koordinationswegs (3A). Eine detaillierte chemische Charakterisierung der Ag (I) Cys CP an der Grenzfläche der beiden Reagenzienströme erzeugt wird, kann in früheren Studien ^17,18 gefunden werden. Zusätzlich und nach dem Entfernen der überschüssigen Reagenzien - Lösungen mit einem Fluß von reinem Wasser (3B), eine gesättigte Ascorbinsäure - Lösung in Ethanol kann für eine kontrollierte chemische Reduktion von auf dem Chip eingefangen Strukturen (3C) an den Mikrofluidik - Kanal hinzugefügt werden. Reduktion des Ventildruck von 3 bar auf 1 bar begünstigt eine kontrollierte chemische Behandlung des eingeschlossenen Ag (I) Cys CP unterhalb des geklemmten Bereich ^18. Die Farbänderung der eingeschlossenen Ag (I) Cys CPs bis dunkelbraun ist einttributed zur Reduktion von einwertigen Silberion an das Metall, ^18,29 in Übereinstimmung mit früheren Beobachtungen.

Abbildung 3. Trapping von Ag (I) Cys CPs und kontrollierte chemische Reduktion. (A) Optische Bild Mikroskop das Einfangen eines in situ zeigt synthetisierte Ag (I) Cys CP und die Erzeugung eines neuen Koordinierungs Weg. (B) Mikroskopische Aufnahme der eingeschlossenen CPs unter dem geklemmten Bereich nach dem Entfernen der überschüssigen Reagenzien - Lösungen mit einem Wasserstrom, und in (C), Aufnahme des gleichen Mikroventil nach dem Reduktionsreaktionsprozess. Bitte hier klicken , um eine größere Version zu sehen diese Figur.

Diskussion

Der beschriebene Ansatz kann leicht modifiziert werden, um verschiedene Ventilformen herzustellen, um andere Anwendungen wie z. B. den Flüssigkeitseinschluss zu ermöglichen. In der Tat ermöglicht die Flexibilität dieses Protokolls auch die Modifikation der Dicke der unteren Schicht und damit der PDMS-Membran von einigen Dutzend auf einige hundert Mikrometer, um jede interessante Anwendung zu erfüllen. Darüber hinaus können die Abmessungen der Strukturen in jeder Schicht des Geräts für die gewünschte Anwendung optimiert werden, und verschiedene Höhen der Strukturen auf den Urformen können einfach durch Drehen des Fotolacks mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten erreicht werden. Das Drehen des Fotolacks mit höherer Geschwindigkeit führt zu dünneren Strukturen.

Um das Protokoll besser umsetzen zu können, ist eine Reinraumumgebung für die Herstellung der Urformen unerlässlich. Andernfalls führt das Herstellungsverfahren zu fehlerhaften Urformen und damit zu unbrauchbaren mikrofluidischen Geräten. Zwei kritische Aspekte sollten in diesem Protokoll hervorgehoben werden: i) die konstante Temperatur des Ofens, die auf 80 °C eingestellt werden muss, und ii) die programmierte Zeitspanne zwischen den Prozessen, die genau eingehalten werden muss. Jede Änderung der Temperatur und des Zeitrahmens im Protokoll kann zu nicht gebundenen Chips und damit zu nicht funktionsfähigen Geräten führen.

Die "turbulentenfreien" Bedingungen, die typischerweise in mikrofluidischen Systemen angetroffen werden, wurden kürzlich zur Erzeugung von Mikrostrukturen oder molekularen Materialien innerhalb von³⁰ und außerhalb von einschichtigen mikrofluidischen Chips³¹ verwendet. In doppelschichtigen mikrofluidischen Chips kann das laminare Strömungsregime und damit die Grenzfläche, die zwischen kontinuierlichen Gleichströmungen erzeugt wird, mit pneumatischen Käfigen manipuliert werden^18,28. Diese Vorrichtungen ermöglichen auch eine effektive Kontrolle über den Syntheseweg, was wiederum zu einer präzisen Lokalisierung und Einklemmung auf Oberflächen führt¹⁸.

Wie bereits erwähnt, wurde die pneumatische Betätigung in mikrofluidischen Doppelschicht-Chips bereits für verschiedene Anwendungen eingesetzt, wie z. B. die Zellfalle²⁰, enzymatische Aktivitätsstudien²¹ und die Proteinkristallisation²⁴. Das Hauptziel des vorgestellten Ansatzes besteht jedoch darin, eine Plattform vorzuschlagen, die zum Einfangen und Lenken des Koordinationswegs eines kristallinen molekularen Materials und zur Steuerung chemischer Reaktionen auf gefangene On-Chip-Strukturen verwendet werden^{kann 18,25}.

Die beschriebene Methode ermöglicht nicht nur das Einfangen von anisotropen Strukturen, sondern kann auch zur Lokalisierung von Partikeln auf Oberflächen verwendet werden. Zukünftige Studien können effektiv auf das Design neuer Ventilformen für zusätzliche Anwendungen in der Biologie, Materialwissenschaft und Sensorik ausgerichtet werden. Die Kombination verschiedener Ventilformen sowie veränderter Kanalhöhen und Membrandicken kann für spezifische Anwendungen eingesetzt werden, wie z. B. chemische Untersuchungen auf der Grundlage von Diffusionsmischen und die Lokalisierung von Materialwachstum.

Eine weitere Anwendung der beschriebenen mikrofluidischen Plattformen liegt in der kontrollierten chemischen Dotierung von Kristallen, die zu einer rationalisierten Grenzflächenbildung in kristallinen Strukturen^{führen kann 19}. Dieser Ansatz ermöglicht auch eine breite Palette von Nachbehandlungen von On-Chip-Trap-Strukturen; Eine Methodik, die zweifellos neue Horizonte in der Werkstofftechnik eröffnen wird.

Es ist wichtig zu betonen, dass die Anzahl der Technologien, die kontrollierte chemische Reaktionen unter dynamischen Bedingungen und auf kristalline Substanz ermöglichen, derzeit sehr begrenzt ist, was diesen Ansatz in materialbezogenen Bereichen sehr attraktiv macht. Eine wesentliche Einschränkung dieser Technologie ist jedoch die Verwendung von PDMS. PDMS-Elastomer ist mit vielen organischen Lösungsmitteln nicht kompatibel, was die Anzahl der Reaktionen einschränkt, die in diesen mikrofluidischen Chips durchgeführt werden können. In Zukunft wird die Entwicklung weiterer Elastomere, die eine größere Anzahl organischer Lösungsmittel tolerieren und gegenüber stabil sind, dringend erforderlich sein, um dieses Forschungsfeld auf andere Materialien und Chemien auszuweiten.

Materialien

Liste der in diesem Artikel verwendeten Materialien

Name	Unternehmen	Katalognummer	Kommentare
Hochauflösende Filmmasken	Microlitho,	UK-Features	bis hinunter zu 5 μ m
SU8 Fotolack	MicroChem Corp., USA	SU8-3050-Silizium
Wafer	Silicon Materials Inc., Deutschland	4" Silizium Wafer	Vorderseite: poliert, Rückseite: geätzt
Silikon Elastomer KIT (PDMS)	Dow Corning, USA	Sylgard® 184-Spinner
	Suiss MicroTech, Deutschland	Delta 80 Spinner	-
UV-Optometer	Gigahertz-Optik Inc., USA	X1-1-Mask
Aligner	Suiss MicroTech, Deutschland	Karl Süss MA/BA6	-
SU8 Entwickler	Micro resist technology GmbH, Deutschland	mr-Dev 600-Trimethylsilylchlorid
nbsp;	Sigma-Aldrich, Schweiz	386529	≥ 97%, ACHTUNG: Fassen Sie es nur unter Abzug.
Biopsie-Locher	Miltex GmBH, Deutschland	33-31AA-P/25	1 mm
Biopsie-Locher	Miltex GmBH, Deutschland	33-31A-P/25	1,5 mm
Glasdeckglas	Menzel-Glaser, Deutschland	BB024040SC	24 mm & mal 60 mm, #5
Labor Corona Treater	Electro-Technic Products, USA	BD-20ACV	-
PTFE-Schlauch	PKM SA, Schweiz	AWG-TFS-XXX	AWG 20TFS, Rolle à 100  m
Silikonkautschukschlauch	Hi-Tek Products,	UK-1	mm I.D.
neMESYS Spritzenpumpen	Cetoni GmbH, Deutschland	Niederdruck (290N)	-
Hochauflösende Kamera	Zeiss, Deutschland	Axiocam MRc
5-Fluoreszierendes inverses Mikroskop	Zeiss, Deutschland	Axio Observer A1	Einsetzbar bei zwei Wellenlängen, d.h. , 350 nm und 488 nm
Grüne Polystyrol-Fluoreszenzpartikel	Fisher Scientific, Schweiz	11523363	Größe: 5.0 μ m, Feststoffgehalt: 1%
Silbernitrat (AgNO3)	Sigma-Aldrich, Schweiz	209139	≥ 99,0%
L-Cystein (Cys)	Sigma-Aldrich, Schweiz	W326305	≥ 97.0%
Einweg-Wiegeschale	Sigma-Aldrich, Schweiz	Z154881	L &mal; W &mal; H : 86  mm & mal; 86  mm & mal; 25  mm
Einweg-Wiegeschale	Sigma-Aldrich, Schweiz	Z708593	Sechseckig, Größe XL
Kunststoffspatel	Semadeni, Schweiz	3340	L &mal; W : 135 mm x 14 mm
Dye, Bemacron ROT E-G	Bezema, Schweiz	BZ 911.231	Rotes
Stereomikroskop	Wild Heerbrugg, Schweiz	Wild M8	500-fache Vergrößerung
Einweg-Skalpelle	B. Braun, Schweiz	233-5320	Nr. 20
L-Ascorbinsäure	Sigma-Aldrich, Schweiz	A4403	-

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