כלובי פניאומטיים Microfluidic: גישה חדשנית עבור In-שבב קריסטל שמן, מניפולצית טיפול כימי מבוקרת

סיכום

כאן, אנו מתארים את הייצור והתפעול של מערכת מיקרופלואידית דו-שכבתית העשויה מפולידימתילסילוקסן (PDMS). אנו מדגימים את הפוטנציאל של מכשיר זה ללכידה, הכוונת מסלול הקואורדינציה של חומר מולקולרי גבישי ושליטה בתגובות כימיות על מבנים לכודים על השבב.

תקציר

לוקליזציה מדויקת וטיפול כימי מבוקר במבנים על פני השטח הם אתגרים משמעותיים לטכנולוגיות מעבדה נפוצות. כאן, אנו מציגים טכנולוגיה מבוססת מיקרופלואידית, המשתמשת במכשיר מיקרופלואידית דו-שכבתי, שיכול ללכוד ולמקם מבנים מסונתזים באתרם ומחוץ לאתרם על משטחי תעלה מיקרופלואידיים. באופן מכריע, אנו מראים כיצד ניתן להשתמש במכשיר כזה לביצוע תגובות כימיות מבוקרות על מבנים לכודים על השבב ואנו מדגימים כיצד ניתן לשנות במדויק את המסלול הסינתטי של חומר מולקולרי גבישי ואת מיקומו בתוך תעלה מיקרופלואידית באמצעות טכנולוגיה זו. גישה זו מספקת הזדמנויות חדשות להרכבה מבוקרת של מבנים על פני השטח ולטיפול בהם לאחר מכן.

מבוא

חומרי מולקולרי כבר מזמן למד בקהילה המדעית בגלל המספר הרחב של יישומים בתחומים כמו אלקטרוניקה מולקולרית, אופטיקה וחיישנים ^1-4. בין אלה, מוליכים אורגניים הם מעמד מרגש במיוחד של חומרים מולקולריים בגלל תפקידם המרכזי מציג גמישות מכשירים פונקציונליים משולבים ^5,6. עם זאת, מתודולוגיות משמשת להפעלת תחבורת מטען אלקטרונית בחומרים מולקולריים מבוסס מוגבלות להיווצרות של מתחמי תחבורת תשלום (CTCs) ומלחים תחבורת תשלום (CTSs) ^7-10. לעתים קרובות, CTCs ו CTSs מופקים על ידי שיטות אלקטרוכימי או באמצעות תגובות חמצון-חיזור כימיים ישירות; תהליכים המעכבות טרנספורמציה מבוקרת של moieties התורם או acceptor כדי ארכיטקטורות מורכבות יותר שבו multifunctionality ניתן לתפוס. בהתאם לכך, להבהרת שיטות שיטתיות חדשות עבור הדור לשליטה והמניפולציה של מולקולרי-בסיסחומרים ד עדיין מהווה אתגר משמעותי בתחומי מדע חומרים והנדסה מולקולרית, ואם מוצלח ללא ספק יובילו פונקציות חדשות ויישומים טכנולוגיים חדשניים.

בהקשר זה, טכנולוגיות microfluidic לאחרונה שימשו לסנתז חומרים מולקולריים מבוססי בשל יכולתם לשלוט חום ומסה כמו גם את עוצמת התגובה דיפוזיה של חומרים כימיים במהלך תהליך סינתטי ^11,12. במילות פשוטות, בתזרים רציף במספרים נמוכים ריינולדס ממשק יציב בין שניים או יותר זרמים מגיבים יכול להיות מושג, אשר פותח פתח להיווצרות אזור תגובה מבוקר היטב בתוך נתיב הזרימה, שבו הערבוב מתרחש רק באמצעות דיפוזיה ^13-16. אכן, יש לנו העובדים בעבר תזרים למינרית למקם את המסלול הסינטטי של חומרים מולקולריים גבישים כגון פולימרי תיאום (CPS) בתוך ערוצי microfluidic ^17. למרות מתודולוגיה זו הוכיחה gההבטחה reat במימוש ננו CP הרומן, שילוב ישיר של מבנים כאלה על גבי משטחים, כמו גם טיפול כימי נשלט לאחר היווצרותם טרם להתממש באתרו ^18. כדי להתגבר על מגבלה זו, הראינו לאחרונה כי actuation של כלובי פנאומטי microfluidic (או שסתומים) המאוגדת מכשירים microfluidic דו שכבתי ניתן להשתמש ביתרון מבחינה זו. מאז עבודתו החלוצית של הקבוצה של Quake ^19, שסתומים פנאומטיים microfluidic שימשו לעתים קרובות ללכידה תא בודד ובידוד ^20, חקירות הפעילות האנזימטית ^21, לכידה של כרכים נוזל קטן ^22, לוקליזציה של חומרים תפקודיים על משטחים ²³ וחלבון התגבשות ^24. עם זאת, הראינו כי מכשירי microfluidic שכבה כפולה יכולים לשמש מלכודת, למקם ולשלב באתרו יצר מבנים להקריא רכיבים על משטחים ¹⁸. יתר על כן, יש לנו גם הוכיח כי ניתן להשתמש בטכנולוגיה כזו לבצע טיפולים כימיים נשלטו על מבנים לכודים, המאפשר הוא, "החילופי ליגנד בסיוע microfluidic" ¹⁸ ו סימום כימי מבוקר של גבישים אורגניים ^18,25. בשני המקרים, CTCs יכול להיות מסונתז בתנאי microfluidic מבוקר, במחקר האחרון, multifunctionality יכול לתארו פיסה אותו החומר. בזאת, אנחנו מדגימים את הביצועים של מכשירי microfluidic שכבה כפולה אלה העסיקו תזרים עמוס צבע, ליצור ולשלוט במסלול התיאום של CP וכן הלוקליזציה שלה על פני השטח של ערוץ microfluidic ולבסוף להעריך נשלט טיפולים כימיים על על שבב מבנים לכודים.

פרוטוקול

הערה: שתי שכבות של מכשיר microfluidic שכבה כפולה נועדו באמצעות תוכנת ציור, למשל, AutoCAD ומודפסות כדי ליצור מסיכות סרט ברזולוציה גבוהה, עם הגבלת דיוק תכונה של 5 מיקרומטר. תבניות הורים נוצרים על ידי ליתוגרפיה SU-8 על 4 "פרוסות סיליקון, המאפשר ייצור של מבנים 50 מיקרומטר גובה.

1. ייצור מאסטר עובש באמצעות SU-8 פוטו-ליתוגרפיה

1. מניחים את פרוסות סיליקון על פלטה חשמלית נקבע על 200 מעלות צלזיוס במשך 10 דקות כדי ליבש.
   הערה: התייבשות הסיליקון רקיק מספקת מגע טוב יותר ומבטיחה את התפשטות photoresist SU-8 במהלך שלב ציפוי ספין.
2. מצנן את הפרוסות המיובשות לטמפרטורת חדר על פני תקופה של 3 דק '.
3. טען את פרוסות על גבי coater ספין והפיקדונות 4 מ"ל של photoresist SU-8 (כ 1 מ"ל של SU-8 לאינץ של המצע) במרכז של פרוסות סיליקון.
   1. ראשית, להפיץ את שהופקד SU-8 לאט ב 500 revolutions לדקה (סל"ד) במשך 10 שניות. כזה מהירות הסיבוב מבטיחה כיסוי SU-8 הוא גדל על פני רקיק כולו.
   2. שנית, לשלוט בעובי של SU-8 על ידי ספינינג המצע במהירויות גבוהות. בניסויים הנוכחיים, להשתמש במהירות סחיטה של ​​3,000 סל"ד במשך 30 שניות כדי ליצור SU-8 כולל 50 מיקרומטר גבוהים.
4. נגב את חרוז בקצה רקיק בזהירות עם כותנה מחיקה בזמן ספינינג בכל בסל"ד נמוך (בדרך כלל 100 סל"ד).
5. מחממים את פרוסות סיליקון מצופה ספין על פלטה חשמלית ב 95 מעלות צלזיוס במשך 15 דקות כדי להסיר ממס שיורי מן SU-8 (כלומר, "לאפות רך").
   הערה: הנוכחות של דפוסים או "קמטים" ב להתנגד שכבה מציינת את ההסרה השלמה של ממס.
6. מצננים את רקיק אפוי בחזרה לטמפרטורת החדר ופנה לגורם צד אמולסיה מודפס של photomask עם רקיק לפני החשיפה.
7. הפעל את יחידת UV המנורה וחשיפה ולתת למערכת לייצב על פני תקופה של 10 מ 'ב. מדוד את עוצמת מנורה 365 ננומטר באמצעות UV-מד-הראות, ולהעריך את זמן החשיפה הנדרש (לפי עוצמת האנרגיה זמן = חשיפה / 365 ננומטר).
   הערה: אנרגית החשיפה בניסויים הנוכחיים הייתה מחושבת להיות 250 mJ / ² סנטימטר.
8. לחשוף את photomask על פרוסות סיליקון מצופה ספין לאור UV בפעם המוערכת בשלב הקודם. כאן, לחשוף עבור 79.6 שניות.
9. מיד לאחר החשיפה, לאפות את פרוסות סיליקון חשוף על פלטה חשמלית ב 65 מעלות צלזיוס במשך 1 דקות ולאחר מכן ב 95 מעלות צלזיוס למשך 5 דקות. בשלב זה, התגובה היא ביוזמת -light UV והשלים לאחר האפייה.
10. השאירו את פרוסות שלאחר אפוי להתקרר לטמפרטורת החדר על פני תקופה של 3 דק '.
11. לפתח את SU-8 הלא crosslinked על פרוסות סיליקון על ידי המסת אותו יזם SU-8 מ -8 דקות. כדי להבטיח הסרה מלאה של אי-crosslinked SU-8, לפצל את התהליך לשני שלבים.
    1. בחלק הראשון, לטבול את הפרוסות בפתרון המפתח למשך 5 דקות, מחדשהזזת רוב הלא-crosslinked SU-8.
    2. ואז לטבול את הפרוסות ב פתרון חדש של יזם במשך 3 דקות כדי לפזר את הלא-crosslinked SU-8 נותרים (לכודים בדרך כלל בין מבני crosslinked).
12. שוטף את הפרוסות פתחו עם isopropanol ולתת הרקיק שיש למבנים בדוגמת (להלן "מאסטר עובש") עומד להתייבש. תצפית של משקע חלבי על שטיפת עובש האמן עולה כי הפיתוח אינו שלם.
13. מחממי עובש אמן יבשים על צלחת חמה ב 200 מעלות צלזיוס במשך 2-5 דקות כדי "לאפות קשים" סדקי פוטנציאל המצע לחשל את להתנגד.
14. אפשר עובש אמן מפוברק כדי להתקרר לטמפרטורת החדר.
15. מניחים את התבנית מאסטר ייבוש (מחוברת משאבה ואקום) בתוך במנדף.
16. יוצקים 100 μl של כלוריד trimethylsilyl (TMCS) לתוך כוס זכוכית ומניחים זה בתוך תא ייבוש.
    זהירות: TMCS הוא דליק, corrosivדואר ורעיל; וכך, צעדי טיפול צריכים להתבצע תחת במנדף, עם המשתמש לובש כפפות מגן, משקפי מגן וחלוק מעבדה.
17. שים את הייבוש תחת ואקום ולחכות לפחות שעה 1 כדי לאפשר אדי TMCS להפקיד על פני שטח עובש אמן.
18. אחרי שעה 1, לאט לאזן את הלחץ בתוך ייבוש ופתוח לאווירה.
    זהירות: לא לנשום ישירות מעל הייבוש הפתוח.
19. הסר את המאסטר silanized ולסגור את הייבוש.

2. ייצור של מכשירי שכבה כפולה Microfluidic

הערה: הפרוטוקול הוא רגיש במיוחד הזמן והטמפרטורה. כל אי מילוי למסגרת הזמן והטמפרטורה עלולה להוביל ייצור של הלא-ערובה, ולכן, מכשירים שאינם פונקציונליים.

1. יוצקים תערובת של אלסטומר PDMS וריפוי סוכן (5: 1 במשקל) לתוך צלחת במשקל הפנויה ומערבבים לחלוטין בעזרת מרית פלסטיק. בניסוי הנוכחיים, השתמש 50 גרם של אלסטומר ו -10 גרם של סוכן ריפוי ליצור שכבת PDMS כ 5 מ"מ גובה ^19.26.
2. מניח את PDMS המעורבת גם ייבוש תחת ואקום כדי דגה ולהסיר בועות לכודים במשך 15 דקות.
3. מערבבים PDMS אלסטומר וריפוי סוכן (20: 1 במשקל) בצלחת במשקל הפנויה (למשל, 10 אלסטומר גרם ו -0.5 גרם סוכן ריפוי) ^19.26.
4. תקן עובש האמן "שכבת שליטה" בתוך מסגרת (בניסויים הנוכחיים, טבעת polytetrafluoroethylene עגולה 11 מ"מ (PTFE)).
5. לאחר 15 דקות, מניחים את 20: תערובת 1 PDMS ב תא ייבוש תחת ואקום עבור סילוק גזים.
6. במקביל כמו בשלב הקודם, להוציא את 5: תערובת 1 PDMS מן הייבוש ויוצקים זה על תבנית מאסטר "שכבת שליטה" הנמצאת בתוך המסגרת העגולה. מניחים את המסגרת שמכילה את PDMS עובש מאסטר לתוך ייבוש תחת ואקום גם כן. שמור את PDMS העודף.
7. אחרי 45 דקות (ו -30 דקות לאחר המכהing הוא PDMS תערובות לתוך הייבוש), לקחת את שני PDMS תערובות מתוך הייבוש ומניח את המסגרת שמכילה 5: 1 PDMS ואת העובש "שכבת שליטה" מאסטר בתנור על 80 מעלות צלזיוס.
8. במקביל, מתחילים לסובב מעיל המאסטר עובש "שכבת fluidic" עם 20: תערובת 1 PDMS. מהירויות הסיבוב לציפוי ספין נקבעו בהתבסס על לגובה הרצוי, ואת דווחה במקום אחר ^27. שואפים לסיים ציפוי ספין ב 60 דקות ולשמור את PDMS שיורית.
9. לאחר 60 דקות, לשים את הספין עובש "שכבת fluidic" מאסטר מצופה 20: 1 PDMS לתוך בתנור על 80 מעלות צלזיוס.
10. בשעה 75 דקות, לקחת את שני תבניות הורים מהתנור.
11. לקלף רק 5: PDMS 1 מהתבנית "שליטת השכבה" מאסטר, קוביות המצע עם להב ומחייג את החורים עבור שכבות שליטה עם אגרופן ביופסית 1 מ"מ לעבר עמדות צריכת האוויר שנקבעו העיצוב. כאן, שכבת השליטה היא 24 מ"מ אורך 24 מ"מ רוחב.
12. Rפסולת סר משבבי לקוביות באמצעות נייר דבק.
13. ידני להרכיב את קוביות וחבט שבבי השכבה מלאה על גבי 20: ספין 1 PDMS מצופה על עובש "שכבת fluidic" מאסטר באמצעות סטראו עם ההגדלה של 500X (איור 1).
14. יוצקים לצייר את PDMS שיורית סביב השבבים התאספו כדי ליצור שכבה עבה PDMS ובכך להקל הסרת שכבות fluidic ובקרה מלוכדות בסוף.
15. מניחים את התבנית "שכבת fluidic" מאסטר המכיל את התקנים שכבת שני בתנור על 80 מעלות צלזיוס ולאחסן לילה.
16. למחרת, לקחת את מכלול נרפא מהתנור ולאפשר לו להתקרר לטמפרטורת החדר.
17. פיל ממכלול PDMS מן אדון עובש "שכבת fluidic", קוביות מכשירי השכבה כפולה המפוברקים עם להב (24 מ"מ אורך ו 24 מ"מ רוחב) פתחי כניסה / שקעי fluidic אגרוף עם אגרופן ביופסיה 1.5 מ"מ.
18. פנקו את פני השטח של שבבי עם אופn ערוצי coverslips זכוכית (24 מ"מ × 40 מ"מ) עם פרשת קורונה ומייד להצמיד אותם יחד. פנקו ידי הזזת פריקה קורונה מעל coverslip לוח וזכוכית PDMS מעל 1 דקות. לחלופין, להשתמש במערכת פלזמה המעבדתיים כדי להקל מליטה.
19. אחסן את שבב השכבה כפולה המלוכדת בתנור על 70-80 מעלות צלזיוס במשך שעה לפחות 4.

3. אסיפת מערכת Microfluidic

1. אחרי המכשיר microfluidic כבר התאספו, לחבר את צריכת האוויר של שכבת fluidic של השבב אל מאגרי fluidic (מזרקים) באמצעות polytetrafluoroethylene צינורות (PTFE) (0.8 מ"מ id).
2. חבר את מקור לחץ אספקת צריכת האוויר של שכבת שליטה באמצעות צינור גומי סיליקון ומחברי מתכת שיש בקוטר חיצוני של 1.6 מ"מ.
3. לפתוח ולסגור את השסתומים על ידי יישום אוויר דחוס בבר 3 שימוש במקור לחץ מופעל באופן ידני. נוזלי היצע הערוצים באמצעות סדרה של משאבות מזרק מבוקרת מחשב.
4. דמיין actuation של שסתומי פעולת מכשיר עם מצלמה ברזולוציה גבוהה רכובה על מיקרוסקופ הפוכה. השתמש 5X הגדלה 63X.

מניפולציה 4. של משטר זרימה למינרית על ידי פניאומטיים קייג Actuation

הערה: שכבת fluidic מורכבת משני ערוצים מתכנסים כניסה, שהן 150 מיקרומטר רוחב, לערוץ ראשי רחב 300 מיקרומטר רוחב. ואת השכבה המלאה יש סדרה של שסתומים מלבנים זהים (250 מיקרומטר × 200 מיקרומטר), הנמצאים על גבי ערוץ fluidic הראשי.

1. לאחר הגדרת מחובר משאבת מזרק ומערכות בקר פנאומטי, להציג תזרים לצבוע מימית דרך אחד הערוצים כניסת בשיעור זרימת 20 μl / min.
2. סגור את השסתום על ידי מפעיל אותו 3 בר.
3. שימו לב כי הנוזל עדיין יכול לזרום סביב השסתום. תכונה זו חשובה בהשגת טיפול כימי מבוקרת של מבנים לכודים ^{18,25 <}/ Sup>.
4. פתח את השסתום על ידי שחרור הלחץ.
5. בעוד הפתרון לצבוע זורם דרך הערוץ הראשון, להזריק עוד נוזל מימי לתוך תעלת כניסת השני ב 20 μl / min. ממשק בין שני זרמי מימי נוצר בשל הווה משטר הזרימה למינרית במכשיר microfluidic.
6. סגור את השסתום על ידי מפעיל אותו 3 בר. במקרה זה, actuation של השסתום משנה את הממשק של שני תזרימי מימי; ניתן להשתמש מכך שכדי לשנות את המסלול הסינטטי במהלך ההיווצרות של CP (אינפרא vide) ^18,28.
7. שנה את הספיקות הנוזלות עד 30 μl / דקה 10 μl / min ולבחון את ולמטה או למעלה העביר המנחה של הממשק שנוצר בין שני הנוזלים.

לוקליזציה 5. של microparticles

1. חבר את שבב שכבה כפולה מפוברק על משאבת מזרק ומערכות בקר פנאומטי.
2. כן בתמיסה מימית המכילה 10 wt.% קלקרחלקיקי ניאון (5 מיקרומטר קוטר, עירור ומקס פליטה ב 468 ננומטר ו 508 ננומטר, בהתאמה).
3. השתמש במקור עירור לייזר ההפעלה באורך גל של 488 ננומטר.
4. הצג את נוזל החלקיקים עמוסים לשני ערוצי הכניסה בקצב זרימה כולל של 20 μl / min.
5. חכה 2 דקות עד זרימה יציבה היא הוקמה.
6. להניע את השסתום ב 3 בר לסגור אותו. חלקיקים מספר יילכדו מתחת השסתום מקומי על פני השטח תוך הזרם נשמר.

דור 6. ולצמצום המבוקר של פולימר תיאום (CP)

1. כן בתמיסה מימית 2.5 מ"מ של הכסף חנק (אגנו _3).
2. כן בתמיסה מימית 2.5 מ"מ של ציסטאין (Cys).
3. כן פתרון חומצה אסקורבית רווי באתנול ^18.
4. השתמש באותו שבב השכבה כפולה ולהזריק שני ריאגנטים לשני ערוצי הכניסה (אחד מגיב לכל כניסה) כל בקצב זרימה של50 μl / min.
5. לצפות את ההיווצרות של כסף ציסטאין (Ag (I) Cys) מחסומים על הממשק של שני כאד זורם-שיתוף.
6. להניע את השסתום ב 3 בר כדי ללכוד את מחסומי Ag (I) Cys נוצר מתחת השסתום.
7. מים מזוקקים פלאש לתוך ערוצי הכניסה בקצב זרימה של 50 μl / דקה כדי לשטוף את ריאגנטים העודפים המשמשים בתהליך הסינטטי.
8. שחרר את הלחץ ולפתוח את השסתום. המחסומים שנוצרו להישאר מתחת השסתום בתנאי זרימת עצר.
9. על מנת לערוך הפחתה כימית מבוקרת של לכודי Ag (I) Cys מחסומים, לשחרר את הלחץ שסתום בבר 1 ולשטוף את פתרון חומצה אסקורבית הרוויה באתנול בקצב זרימה של 10 μl / min.
10. שימו לב שינוי צבע ברור כי מיוחסת לירידה של Ag (אני) כדי כסף מתכתי (Ag (0)) על ידי חומצה אסקורבית ^18.

תוצאות

מכשירי microfluidic כפול השכבה מורכבות משני שבבי microfluidic מלוכדים אשר מאוגדים PDMS כפי שמוצגים באיור 1. הרובד הראשון, שהוא בעת ובעונה האחת קשורה משטח, משמש לזרום נוזלים (שכבת נוזל), בעוד השכבה השנייה, אשר הוא ערובה ישירות על שכבת PDMS הראשונה, משמש לזרום גז (השכבה מלאה).

איור 1. המכשיר microfluidic שכבה כפולה. (א) איור סכמטי ו- (ב) מיקרוסקופ של המכשיר microfluidic שכבה כפולה בשימוש בחקירות שלנו. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

הזרקה של גז דרך תעלותשכבת השליטה סוחטת את שכבת הנוזל לכיוון (איור 2 א ו תרשים 2B) פן, המאפשרת לכידה ולוקליזציה של מבנים על פני שטח ערוץ microfluidic. להפעלה ללא קרום PDMS יכול לשמש כדי ליצור כלובים פנאומטי ו / או שסתומי מיקרו הנשלטות על ידי בקר פנאומטי. כמודלי מופת של actuation קרום, אנו מראים כיצד הסטייה המוחלטת של שכבת הנוזל תמנע זרימת צבען עמוס לזרום מתחת השסתום לאחר actuation שלה (איור 2 ג) ו הלכידה של microparticles ניאון על משטח microchannel (איור 2 ד ו 2E) .

איור 2. להפעלה ללא ממברנה ולכידה של מבנים. (א) צד ו- (ב) איורי מבט מלמעלה מראים את מכשיר microfluidic השכבה הכפולה להיותקדמי (למעלה) ואחרי (למטה) actuation של שסתום פנאומטי. (C) micrographs של מכשיר microfluidic שכבה כפולה לפני (למעלה) ואחרי הסחיטה של שכבת הנוזל (למטה). בשנת הפאנל התחתון, בשכבת נוזל מלא בתמיסה מימית של צבע rhodamine עבור תפיסה טובה יותר של actuation הממברנה. (ד) micrographs-שדה המואר של מכשיר microfluidic שכבה כפולה לפני (למעלה) ואחרי (למטה) actuation של השסתום עם חלקיקי פלורסנט קלקר המכיל בתמיסה מימית זורמים (10 wt.%). (ה) תמונות פלורסנט של תמונות מיקרוסקופ האופטיות שמוצגות ד נא ללחוץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

איור 3 א ממחיש את הלכידה של באתרו שנוצרה מחסומים בתוך מכשיר microfluidic שכבה כפולה באמצעות actuatיון של כלוב פנאומטי. שים לב כי קיים מסלול תיאום חדש נוצר לאחר actuation של השסתום הראשון. Actuation שסתום מבטיח ההשמנה של CP Ag (I) Cys שנוצר על הממשק של שני הזרמים מגיבים ומקל על הקמת מסלול תיאום חדש (איור 3 א). אפיון כימי מפורט של CP Ag (I) Cys שנוצר על הממשק של שני הזרמים המגיבים ניתן למצוא במחקרים קודמים ^17,18. בנוסף, ואחרי הסרת עודפי ריאגנטים פתרונות עם זרימה של מים טהורים (איור 3 ב), פתרון חומצה אסקורבית רווי באתנול ניתן להוסיף את ערוץ microfluidic עבור הפחתה כימית מבוקרת של מבנים לכודים על-שבב (איור 3 ג). הפחתת הלחץ שסתום בין 3 ברים עד תיבה 1 גורסים שצריך טיפול כימי מבוקרת של CP Ag (I) לכודים Cys מתחת לאזור הידק ^18. שינוי הצבע של לכודים Ag (I) Cys המחסומים עד חום כהה הואttributed להפחתת כסף חד ערכי אל המתכת, בהסכמה עם תצפיות קודמות ^18,29.

איור 3. השמנה של Ag (I) Cys מחסומי והפחתה כימית מבוקרת. (א) תמונת מיקרוסקופ אופטית מראה את הלכידה של באתרו synthetized Ag (I) Cys CP ויצירת מסלול תיאום חדש. (ב) מיקרוסקופ של מחסומים לכודים מתחת לאזור הדק לאחר הסרת פתרונות ריאגנטים עודפים עם זרימת מים, וב (C), מיקרוסקופ של אותו שסתום מייקרו לאחר תהליך צמצום התגובה. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של נתון זה.

דיון

ניתן לשנות בקלות את הגישה המדווחת כדי לייצר צורות שסתומים שונות כדי לאפשר יישומים אחרים כגון כליאת נוזלים. ואכן, הגמישות של פרוטוקול זה מאפשרת גם לשנות את עובי השכבה התחתונה, ובכך את ממברנת ה-PDMS, מכמה עשרות לכמה מאות מיקרונים כדי למלא כל יישום מעניין. יתר על כן, ניתן לבצע אופטימיזציה של מידות של מבנים בכל שכבה של המכשיר עבור היישום הרצוי וניתן להשיג גבהים שונים של מבנים על תבניות המאסטר פשוט על ידי סיבוב הפוטו-רזיסט במהירויות שונות. סיבוב הפוטו-רזיסט במהירות גבוהה יותר מביא למבנים דקים יותר.

כדי ליישם טוב יותר את הפרוטוקול, סביבת חדר נקי לייצור תבניות המאסטר חיונית באופן מהותי; אחרת, הליך הייצור יוביל לתבניות מאסטר פגומות ובכך למכשירים מיקרופלואידיים בלתי שמישים. יש להדגיש שני היבטים קריטיים בפרוטוקול זה: 1) הטמפרטורה הקבועה של התנור שיש לכוונן ל-80 מעלות צלזיוס ו-2) פרק הזמן המתוכנת בין תהליכים שיש לעמוד בו במדויק. כל שינוי בטמפרטורה ובמסגרת הזמן בפרוטוקול עלול להוביל לשבבים לא מלוכדים, ובכך למכשירים לא פונקציונליים.

התנאים ה"נטולי טורבולנטים" שנתקלים בהם בדרך כלל במערכות מיקרופלואידיות שימשו לאחרונה ליצירת מיקרו-מבנים או חומרים מולקולריים בתוך³⁰ ומחוץ לשבבים מיקרופלואידיים חד-שכבתיים³¹. בשבבים מיקרופלואידיים דו-שכבתיים, ניתן לתפעל את משטר הזרימה הלמינרית, ומכאן שניתן לתפעל את הממשק שנוצר בין זרימות משותפות רציפות באמצעות כלובים פנאומטיים^18,28. התקנים אלה מספקים גם שליטה יעילה על המסלול הסינתטי, מה שמוביל בתורו למיקום מדויק וללכידה על משטחים¹⁸.

כפי שהוזכר קודם לכן, הפעלה פנאומטית בשבבים מיקרופלואידיים דו-שכבתיים שימשה בעבר ליישומים שונים כגון לכידת תאים²⁰, מחקרי פעילות אנזימטית²¹ והתגבשות חלבונים²⁴. עם זאת, המטרה העיקרית של הגישה המדווחת היא להציע פלטפורמה שתשמש ללכידה והכוונה של מסלול התיאום של חומר מולקולרי גבישי ובקרת תגובות כימיות על מבנים לכודים על שבב^18,25.

השיטה המתוארת לא רק מאפשרת לכידה של מבנים אנזוטרופיים אלא יכולה לשמש למיקום חלקיקים על משטחים. מחקרים עתידיים יכולים להיות מכוונים ביעילות לעיצוב צורות שסתומים חדשות ליישום נוסף בביולוגיה, מדעי חומרים וטכנולוגיות חיישנים. ניתן להשתמש בשילוב של צורות שסתומים שונות כמו גם גבהי תעלות ועובי ממברנה שהשתנו כדי למלא יישומים ספציפיים, כגון מחקרים כימיים המבוססים על ערבוב דיפוזיה ולוקליזציה של צמיחת חומרים.

יישום נוסף של הפלטפורמות המיקרופלואידיות המתוארות הוא בסמים כימיים מבוקרים של גבישים, מה שיכול להוביל להיווצרות רציונלית של ממשקים במבנים גבישיים¹⁹. גישה זו מספקת גם מגוון רחב של טיפולים לאחר מבנים לכודים על שבב; מתודולוגיה שללא ספק תפתח אופקים חדשים בהנדסת חומרים.

חשוב להדגיש כי מספר הטכנולוגיות המאפשרות תגובות כימיות מבוקרות בתנאים דינמיים ועל חומר גבישי מוגבל מאוד כיום, ולכן גישה זו אטרקטיבית מאוד בתחומים הקשורים לחומרים. עם זאת, מגבלה עיקרית של טכנולוגיה זו היא השימוש ב-PDMS. אלסטומר PDMS אינו תואם לממיסים אורגניים רבים, מה שמגביל את מספר התגובות שניתן לבצע בתוך שבבים מיקרופלואידיים אלה. בעתיד, יהיה צורך רב בפיתוח אלסטומרים אחרים שיכולים לסבול ולהיות יציבים כנגד מספר גדול יותר של ממיסים אורגניים על מנת להרחיב את תחום המחקר הזה לחומרים וכימאים אחרים.

חומרים

רשימת החומרים שנעשה בהם שימוש במאמר זה

שם	חברה	מספר קטלוג	הערות
מסכות סרט ברזולוציה גבוהה	Microlitho,		בריטניה-תכונות עד 5 & #956; m
SU8 photoresist	MicroChem Corp., ארה"ב	SU8-3050-סיליקון
פרוסות	סיליקון בע"מ, גרמניה	4 אינץ' פרוסות סיליקון	משטח קדמי: מלוטש, משטח אחורי: חרוט
סיליקון אלסטומר KIT (PDMS)	דאו קורנינג, ארה"ב	Sylgard® 184-Spinner
	Suiss MicroTech, גרמניה	דלתא 80 ספינר	-
UV-Optometer	Gigahertz-Optik Inc., ארה"ב	X1-1-Mask
Aligner	Suiss MicroTech, גרמניה	Karl Suss MA/BA6	-
מפתח SU8	Micro resist technology GmbH, גרמניה	mr-Dev 600-Trimethylsilyl
chloride	Sigma-Aldrich, שוויץ	386529	≥ 97%, זהירות: טפל בו רק מתחת למכסה המנוע.
מנקב ביופסיה	Miltex GmBH, גרמניה	33-31AA-P/25	1 מ"מ
מנקב ביופסיה	Miltex GmBH, גרמניה	33-31A-P/25	1.5 מ"מ
כיסוי זכוכית	מנזל-גלזר, גרמניה	BB024040SC	24 מ"מ ופעמים; 60 מ"מ, #5
מעבדה לטיפול בקורונה	מוצרים אלקטרו-טכניים, ארה"ב	BD-20ACV	-
צינורות PTFE	PKM SA, שוויץ	AWG-TFS-XXX	AWG 20TFS, גליל של 100  m
צינורות גומי סיליקון	מוצרי Hi-Tek, UK-1		מ"מ תעודת זהות
neMESYS משאבות מזרק	Cetoni GmbH, גרמניה	לחץ נמוך (290N)	-
מצלמה ברזולוציה גבוהה	Zeiss, גרמניה	Axiocam MRc
5-מיקרוסקופ הפוך פלואורסצנטי	Zeiss, גרמניה	Axio Observer A1	ניתן להפעלה בשני אורכי גל, כלומר, 350 ננומטר ו-488 ננומטר
פלואורסצנט פוליסטירן ירוק	פישר סיינטיפיק, שוויץ	גודל 11523363	: 5.0 & #956; m, תכולה מוצקה: 1%
כסף חנקתי (AgNO3)	Sigma-Aldrich, שוויץ	209139	≥ 99.0%
L-ציסטאין (Cys)	Sigma-Aldrich, שוויץ	W326305	≥ 97.0%
כלי שקילה חד פעמי	סיגמא-אולדריץ', שוויץ	Z154881	ליטר וזמנים; W & Times; גובה : 86  מ"מ וזמנים; 86  מ"מ וזמנים; 25  מ"מ
כלי שקילה חד פעמי	סיגמא-אולדריץ', שוויץ	Z708593	משושה, גודל XL
מרית פלסטיק	סמדני, שוויץ	3340	ליטר ופעמים; רוחב : 135 מ"מ x 14 מ"מ
צבע, Bemacron ROT E-G	Bezema, שוויץ	BZ 911.231
סטריאומיקרוסקופ	Wild Heerbrugg, שוויץ	Wild M8	הגדלה פי 500
אזמל חד פעמי	B. Braun, שוויץ	233-5320	Nr. 20
L-חומצה אסקורבית	Sigma-Aldrich, שוויץ	A4403	-

חלקיקי אדום