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

Das übergeordnete Ziel dieses Ansatzes besteht darin, das Potenzial dieses Geräts für das Einfangen, die Steuerung des Koordinationswegs eines kristallinen molekularen Materials sowie die Kontrolle chemischer Reaktionen an auf-Chip-eingefangenen Strukturen zu demonstrieren. Diese Methode kann helfen, zentrale Fragen in der Materialwissenschaft zu beantworten, beispielsweise den Effekt gezielter chemischer Behandlungen auf die Eigenschaften selbstassemblierter Strukturen. Und es ist wichtig hervorzuheben, dass die Anzahl an Technologien, die eine kontrollierte chemische Behandlung unter dynamischen Bedingungen ermöglichen, derzeit sehr begrenzt ist, wodurch dieser Ansatz im materialwissenschaftlichen Bereich besonders attraktiv wird.

Bereiten Sie zunächst eine silanisierte Urform mit der SU8-Photolithographie vor. Das Verschmutzungsteilchen ist besonders empfindlich gegenüber Zeit und Temperatur. Jede Abweichung von dem beschriebenen Zeitrahmen und der Temperatur kann zur Herstellung eines nicht verbundenen und damit nicht funktionsfähigen Geräts führen.

Stellen Sie die PDMS-Mischung her, indem Sie 50 Gramm des Elastomers und 10 Gramm des Härters in einer Einweg-Wiegeschale kombinieren. Mischen Sie die Komponenten vollständig mit einem Plastikspatel. Anschließend geben Sie das gut gemischte PDMS für 15 Minuten unter Vakuum in einen Exsikkator, um die Mischung zu entgasen und eingeschlossene Blasen zu entfernen.

Während die erste PDMS-Batch entgast wird, mischen Sie eine zweite Charge mit 10 Gramm Elastomer und 0,5 Gramm Härter. Befestigen Sie anschließend die Negativform mit der Steuerschicht in einem runden PTFE-Rahmen mit 11 Millimeter Durchmesser. Sobald die fünf-zu-eins-Mischung aus PDMS entgast ist, nehmen Sie sie aus der Vakuumkammer heraus.

Geben Sie nun die Fünf-zu-eins-Mischung von PDMS auf die Masterform der Steuerschicht, bis die Mischung den Füllstand der geraden vertikalen Wand des PTFE-Rahmens erreicht. Anschließend stellen Sie sie in den Trockenschrank. Gleichzeitig stellen Sie auch die Zwanzig-zu-eins-Mischung von PDMS in den Trockenschrank und ziehen erneut ein Vakuum.

Entgasen Sie sowohl die beschichtete Urform als auch das PDMS im Verhältnis 20 zu 1 zusätzlich 30 Minuten lang. Danach nehmen Sie beide aus dem Exsikkator heraus und legen die Urform für die Steuerschicht in einen auf 80 Grad Celsius vorgeheizten Ofen. Während die Steuerschicht backt, platzieren Sie die Urform für die fluidische Schicht auf einen Schleuderbeschichter.

Geben Sie etwa 4 Milliliter der 20:1-Mischung aus PDMS auf die Urform für die fluidische Schicht und beschichten Sie das Wafer durch Aufdampfen für 40 Sekunden bei 1200 U/min, um eine 60 Mikrometer dicke Schicht zu erhalten. Nach insgesamt einer Stunde öffnen Sie den Ofen, stellen das beschichtete Wafer neben die Kontrollschicht und härten beide gemeinsam weitere 15 Minuten bei 80 Grad Celsius aus. Anschließend, nach insgesamt 75 Minuten, nehmen Sie beide Wafer aus dem Ofen heraus.

Entfernen Sie zuerst das fünf-zu-eins-Gemisch aus PDMS für die Steuerschicht. Schneiden Sie die Chips mit einem Rasiermesser aus. Stanzen Sie anschließend die Löcher für die Zulauföffnungen mit einer ein Millimeter großen Biopsiestanze aus.

Als Nächstes verwenden Sie Klebeband, um jegliche Rückstände von den zerkleinerten Steuerungsschicht-Chips zu entfernen. Sobald die Chips sauber sind, richten Sie mithilfe eines Stereomikroskops den Steuerungsschicht-Chip auf der Oberseite der Gussform der Fluidikschicht aus. Anschließend gießen und ziehen Sie das verbleibende PDMS um die zusammengesetzten Chips herum.

Und stellen Sie die gesamte Vorrichtung in einen Ofen bei 80 Grad Celsius. Backen Sie die zusammengesetzten Geräte über Nacht. Am folgenden Tag nehmen Sie die ausgehärtete Vorrichtung aus dem Ofen und lassen sie auf Raumtemperatur abkühlen.

Entfernen Sie dann die PDMS-Baugruppe von der Gussform der Fluidikschicht. Sobald sie von der Gussform gelöst ist, schneiden Sie die hergestellten Doppelschicht-Bauelemente mit einer Klinge zurecht und verwenden eine 1,5-Millimeter-Biopsiepunch, um die Fluidik-Zulauf- und -Abflussöffnungen zu formen. Behandeln Sie anschließend Deckgläser und die Fluidikschicht des zusammengesetzten Bauteils eine Minute lang mit einer Koronaentladung oder verwenden Sie Sauerstoffplasma und verbinden Sie die beiden Oberflächen unmittelbar miteinander, um das mikrofluidische Bauteil abzuschließen.

Backen Sie die verbundenen doppellagigen Chips vier Stunden lang bei 70 bis 80 Grad Celsius im Ofen. Um das Strömungsregime mithilfe einer Spritzenpumpe und einer pneumatischen Steuerung zu beeinflussen, verbinden Sie zunächst die zuvor befüllten und in der Spritzenpumpe platzierten Spritzen mit den fluidischen Einlässen des mikrofluidischen Geräts sowie das pneumatische Steuersystem mit den Steuereinlässen des mikrofluidischen Geräts. Zum Visualisieren der Strömung füllen Sie eine der Spritzen mit einem wässrigen Farbstoff und leiten diesen mit einer Flussrate von 20 Mikrolitern pro Minute in die Kammer ein.

Verwenden Sie dann das pneumatische Steuersystem, um das Ventil durch Betätigung bei drei bar zu schließen. Es ist wichtig zu beachten, dass die Flüssigkeit weiterhin um das geschlossene Ventil herum fließen kann, und diese Eigenschaft ist entscheidend, um eine kontrollierte chemische Behandlung der eingefangenen Struktur, wie beispielsweise Koordinationspolymere, zu erreichen. Um das Ventil zu öffnen, nutzen Sie einfach das Steuersystem, um den Druck abzulassen.

Während die Die-Lösung durch den ersten Kanal strömt, injizieren Sie eine andere wässrige Flüssigkeit über den zweiten Zulaufkanal mit derselben Flussrate, um eine Grenzfläche zwischen den beiden wässrigen Strömungen zu bilden. Anschließend schließen Sie das Ventil, indem Sie es bei drei bar betätigen. Die Betätigung des Ventils während der Doppelströmung verändert die Grenzfläche der beiden wässrigen Strömungen.

Ändern Sie anschließend die Fluidströmungsraten der beiden Spritzen auf 30 Mikroliter pro Minute bzw. 10 Mikroliter pro Minute, um die Grenzfläche zwischen den beiden Fluiden zu verschieben. Um die Fähigkeit des Ventils, Mikropartikel einzufangen, zu veranschaulichen, bereiten Sie zunächst eine wässrige Lösung mit 10 % (Gewichtsanteil) fluoreszierenden Polystyrol-Mikropartikeln vor. Leiten Sie die partikelhaltige Flüssigkeit in die beiden Zuleitungskanäle mit einer Gesamtströmungsrate von 20 Mikroliter pro Minute ein.

Warten Sie zwei Minuten, bis ein stabiler Fluss etabliert ist. Erregen Sie dann die fluoreszierenden Kügelchen mithilfe einer Quelle mit einer Wellenlänge von 488 Nanometern, um die Kügelchen optimal zu visualisieren. Sobald bereit, betätigen Sie das Ventil bei drei bar, um es zu schließen.

Untersuchen Sie den Bereich des Ventils, um mehrere Partikel zu visualisieren, die unterhalb des Ventils und lokalisiert auf der Oberfläche eingefangen sind, während der Durchfluss aufrechterhalten wird. Durch die Injektion von Gas über Kanäle in der Steuerschicht wird die Flüssigkeitsschicht zur Oberfläche hin zusammengedrückt. Dies kann genutzt werden, um Flüssigkeiten um den von dem Aktuator gesteuerten Bereich herumzulenken, was hier durch das Fehlen eines Rhodamin-Farbstoffs angezeigt wird.

Diese pneumatischen Aktuatoren können auch Partikel oder Zellen einfangen, wie beispielsweise diese fluoreszierenden Mikropartikel, die an der Oberfläche des Mikrokanals festgehalten wurden. Eine weitere Eigenschaft dieses Geräts ist die Fähigkeit, aus NC2 gebildete Koordinationspolymere durch Betätigung des pneumatischen Käfigs einzufangen. Für diesen Aufbau werden zwei Reagenzströme verwendet, und an der Grenzfläche der beiden Flüssigkeiten in der laminaren Strömung findet eine kontrollierte chemische Reaktion statt.

Einmal eingefangen, können die Koordinationspolymere durch Verwendung der pneumatischen Ventile gezielt chemisch behandelt werden. Wenn Sie sich dieses Video ansehen, sollten Sie bereits über fundierte Kenntnisse zur effektiven Herstellung eines mikrofluidischen Doppelschichtgeräts verfügen, das zur Durchführung kontrollierter chemischer Reaktionen an verschiedenen Röhrenstrukturen eingesetzt werden kann. Bei der Durchführung dieses Verfahrens ist es wichtig, sich strikt an die im vorliegenden Protokoll angegebenen Zeitrahmen und Temperaturen zu halten.

Andernfalls könnte sich Ihr Aufwand in der Herstellung nicht verbundener oder fehlerhafter und damit nicht funktionsfähiger Bauteile äußern. Nach ihrer Entwicklung ebnet diese Technik Forschern auf dem Gebiet der Werkstoffwissenschaft den Weg, mithilfe einer mikrofluidischen Plattform mit Doppelschicht verschiedene Arten von kontrollierten chemischen Behandlungen innerhalb von Röhren mit hoher Präzision zu erforschen.