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

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.

Das übergeordnete Ziel dieses Ansatzes ist es, das Potenzial dieses Geräts für das Einfangen, die Steuerung des Koordinationswegs eines kristallinen molekularen Materials und die Steuerung chemischer Reaktionen auf gefangene On-Chip-Strukturen zu demonstrieren. Diese Methode kann dazu beitragen, zentrale Fragen im Bereich der Materialwissenschaften zu beantworten, wie z. B. die Wirkung kontrollierter chemischer Behandlungen auf die Eigenschaften selbstorganisierter Strukturen. Und es ist wichtig zu betonen, dass die Anzahl der Technologien, die eine kontrollierte chemische Behandlung unter dynamischen Bedingungen ermöglichen, derzeit sehr begrenzt ist, was diesen Ansatz im materialbezogenen Bereich sehr attraktiv macht.

Bereiten Sie zunächst eine silanisierte Urform mit Hilfe der SU8-Photolithographie vor. Das Fouling-Partikel reagiert besonders empfindlich sowohl auf Zeit als auch auf Temperatur. Jede Nichteinhaltung des beschriebenen Zeitrahmens und der beschriebenen Temperatur kann zur Herstellung eines nicht verklebten und daher nicht funktionsfähigen Geräts führen.

Bereiten Sie die PDMS-Mischung vor, indem Sie 50 Gramm des Elastomers und 10 Gramm des Härters in einer Einweg-Wiegeschale mischen. Mischen Sie die Komponenten mit einem Kunststoffspatel vollständig an. Legen Sie anschließend das gut gemischte PDMS 15 Minuten lang unter Vakuum in einen Exsikkator, um das Gemisch zu entgasen und die eingeschlossenen Blasen zu entfernen.

Während die erste Charge PDMS entgast wird, mischen Sie eine zweite Charge mit 10 Gramm Elastomer und 0,5 Gramm des Härters. Befestigen Sie dann die Urform mit der Kontrollschicht in einem runden 11 Millimeter PTFE-Rahmen. Sobald das Fünf-zu-Eins-Gemisch von PDMS entgast ist, nehmen Sie es aus der Vakuumkammer.

Gießen Sie nun die Fünf-zu-Eins-Mischung PDMS auf die Hauptform der Kontrollschicht, bis die Mischung das Niveau der geraden vertikalen Wand des PTFE-Rahmens erreicht. Und dann geben Sie es in den Exsikkator. Geben Sie gleichzeitig auch das 20 zu 1 Gemisch PDMS in den Exsikkator und ziehen Sie erneut ein Vakuum.

Entgasen Sie sowohl die beschichtete Urform als auch das PDMS-Verhältnis im Verhältnis 20 zu Eins für weitere 30 Minuten. Nehmen Sie dann beide aus dem Exsikkator und stellen Sie die Kontrollschicht-Urform in einen auf 80 Grad Celsius vorgeheizten Ofen. Während die Kontrollschicht einbrennt, platzieren Sie die Urform für die Fluidikschicht auf einem Spin Coater.

Gießen Sie etwa 4 Milliliter der 20 to 1 Mischung PDMS auf die Urform für die Fluidikschicht und schleudern Sie den Wafer 40 Sekunden lang bei 1200 U/min, um eine 60 Mikrometer dicke Schicht zu erhalten. Nach einer Stunde Gesamtzeit öffnen Sie den Ofen, legen die geschleuderten Wafer neben die Kontrollschicht und backen sie weitere 15 Minuten bei 80 Grad Celsius zusammen. Nehmen Sie dann nach 75 Minuten Gesamtzeit beide Waffeln aus dem Ofen.

Zuerst ziehen Sie die Fünf-zu-Eins-Mischung aus PDMS für die Kontrollschicht ab. Schneide die Späne mit einer Rasierklinge aus. Und dann stanzen Sie die Löcher für die Einlässe mit einem Ein-Millimeter-Biopsiestanzer.

Verwenden Sie anschließend Klebeband, um Schmutz von gewürfelten Chips der Kontrollschicht zu entfernen. Sobald die Chips sauber sind, verwenden Sie ein Stereomikroskop, um den Kontrollschicht-Chip auf der Fluidikschicht-Urform auszurichten. Gießen und ziehen Sie dann das restliche PDMS um die zusammengebauten Chips.

Und stellen Sie das gesamte Setup bei 80 Grad Celsius in einen Ofen. Backen Sie die zusammengebauten Geräte über Nacht. Nehmen Sie die ausgehärtete Baugruppe am nächsten Tag aus dem Ofen und lassen Sie sie auf Zimmertemperatur abkühlen.

Ziehen Sie dann die PDMS-Baugruppe von der Fluidikschicht-Urform ab. Sobald Sie aus der Urform befreit sind, würfeln Sie die hergestellten Doppelschichtgeräte mit einer Klinge und verwenden Sie einen 1,5-Millimeter-Biopsiestanzer, um die fluidischen Ein- und Auslässe zu formen. Behandeln Sie anschließend Glasdeckgläser und die fluidische Schicht des zusammengebauten Geräts eine Minute lang mit einer Koronaentladung oder verwenden Sie Sauerstoffplasma und verbinden Sie dann sofort die beiden Oberflächen miteinander, um das mikrofluidische Gerät zu vervollständigen.

Backe die gebundenen doppellagigen Chips im Ofen bei 70 bis 80 Grad Celsius für mindestens vier Stunden. Um das Durchflussregiment mit Hilfe einer Spritzenpumpe und einer pneumatischen Steuerung zu manipulieren, verbinden Sie zuerst die zuvor geladenen und in eine Spritzenpumpe gelegten Spritzen mit den fluidischen Einlässen des mikrofluidischen Geräts und das pneumatische Steuerungssystem mit den Steuereinlässen des mikrofluidischen Geräts. Um den Fluss zu visualisieren, beladen Sie eine der Spritzen mit einem wässrigen Farbstoff und lassen Sie ihn mit einer Durchflussrate von 20 Mikrolitern pro Minute in die Kammer fließen.

Verwenden Sie dann das pneumatische Steuerungssystem, um das Ventil zu schließen, indem Sie es mit drei bar betätigen. Es ist wichtig zu beachten, dass die Flüssigkeit auch nach dem Schließen des Ventils um das Ventil herum fließen kann, und diese Eigenschaft ist wichtig, um eine kontrollierte chemische Behandlung von eingeschlossenen Strukturen, wie z. B. Koordinationspolymeren, zu erreichen. Um das Ventil zu öffnen, verwenden Sie einfach das Steuerungssystem, um den Druck abzulassen.

Während die Düsenlösung durch den ersten Kanal fließt, wird eine weitere wässrige Flüssigkeit mit der gleichen Durchflussrate in den zweiten Einlasskanal injiziert, um eine Grenzfläche zwischen den beiden wässrigen Strömungen zu bilden. Schließen Sie dann das Ventil, indem Sie es mit drei bar betätigen. Durch die Betätigung des Ventils bei der Doppelströmung ändert sich die Grenzfläche der beiden wässrigen Strömungen.

Ändern Sie als Nächstes die Flüssigkeitsdurchflussraten der beiden Spritzen auf 30 Mikroliter pro Minute bzw. 10 Mikroliter pro Minute, um die Grenzfläche zwischen den beiden Flüssigkeiten zu verschieben. Um die Fähigkeit des Ventils, Mikropartikel einzufangen, sichtbar zu machen, bereiten Sie zunächst eine wässrige Lösung her, die 10 Gew.-% fluoreszierende Mikropartikel aus Polystyrol enthält. Die partikelbeladene Flüssigkeit wird mit einer Gesamtdurchflussrate von 20 Mikrolitern pro Minute in die beiden Einlasskanäle eingeleitet.

Warten Sie zwei Minuten, bis ein stabiler Fluss hergestellt ist. Stimulieren Sie dann die fluoreszierenden Kügelchen mit einer Quelle mit einer Wellenlänge von 488 Nanometern, um die Kügelchen am besten zu sehen. Wenn Sie bereit sind, betätigen Sie das Ventil bei drei bar, um es zu schließen.

Stellen Sie sich den Bereich des Ventils vor, um mehrere Partikel zu sehen, die unter dem Ventil eingeschlossen und auf der Oberfläche lokalisiert sind, während der Durchfluss aufrechterhalten wird. Durch die Injektion von Gas durch Kanäle in der Kontrollschicht wird die Fluidschicht in Richtung Oberfläche gedrückt. Dies kann verwendet werden, um Flüssigkeiten um den Bereich herum abzulenken, der durch den Aktuator gesteuert wird, hier durch das Fehlen oder einen Rhodaminfarbstoff angezeigt.

Diese pneumatischen Aktuatoren können auch verwendet werden, um Partikel oder Zellen wie diese fluoreszierenden Mikropartikel einzufangen, die auf der Oberfläche des Mikrokanals gefangen waren. Ein weiteres Merkmal dieses Geräts ist seine Fähigkeit, NC2-erzeugte Koordinationspolymere durch die Betätigung des pneumatischen Käfigs einzufangen. Für diesen Aufbau werden zwei Reagenzienströme verwendet und eine kontrollierte chemische Reaktion findet an der Grenzfläche der beiden Flüssigkeiten in der laminaren Strömung statt.

Einmal eingeschlossen, können die Koordinationspolymere durch den Einsatz der pneumatischen Ventile kontrolliert chemisch behandelt werden. Wenn Sie sich dieses Video ansehen, sollten Sie ein gutes Verständnis dafür haben, wie Sie ein doppelschichtiges mikrofluidisches Gerät effektiv herstellen können, mit dem kontrollierte chemische Reaktionen auf verschiedenen Rohrstrukturen durchgeführt werden können. Beim Versuch dieses Verfahrens ist es wichtig, sich an den Zeitrahmen und die Temperatur zu halten, die im vorliegenden Protokoll angegeben sind.

Andernfalls kann Ihr Aufwand zur Herstellung von nicht gebundenen oder defekten und daher nicht funktionsfähigen Geräten führen. Nach ihrer Entwicklung ebnete diese Technik den Weg für Forscher auf dem Gebiet der Materialwissenschaften, um verschiedene Arten von kontrollierten chemischen Behandlungen im Rohr mit hoher Präzision unter Verwendung einer mikrofluidischen Doppelschichtplattform zu erforschen.