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

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.

המטרה הכוללת של גישה זו היא להדגים את הפוטנציאל של מכשיר זה ללכידה, לכוון את מסלול הקואורדינציה של חומר מולקולרי גבישי ולשלוט בתגובות כימיות על מבנים לכודים על השבב. שיטה זו יכולה לעזור לענות על שאלות מפתח בתחום מדעי החומרים כגון השפעת טיפולים כימיים מבוקרים על תכונות של מבנים בהרכבה עצמית. וחשוב להדגיש שמספר הטכנולוגיות המאפשרות טיפול כימי מבוקר בתנאים דינמיים מוגבל מאוד כיום, ולכן גישה זו אטרקטיבית מאוד בתחום החומרים.

כדי להתחיל, הכינו תבנית מאסטר סילנית באמצעות פוטוליתוגרפיה SU8. חלקיק העכירות רגיש במיוחד הן לזמן והן לטמפרטורה. כל אי עמידה במסגרת הזמן והטמפרטורה המתוארת עלולה להוביל לייצור של מכשיר לא מלוכד, ולכן לא פונקציונלי.

מכינים את תערובת ה-PDMS על ידי שילוב של 50 גרם של האלסטומר ו-10 גרם של חומר הריפוי בכלי שקילה חד פעמי. מערבבים את הרכיבים לחלוטין בעזרת מרית פלסטיק. לאחר מכן, הנח את ה-PDMS המעורבב היטב בחומר ייבוש תחת ואקום למשך 15 דקות כדי לנקות את התערובת ולהסיר את הבועות הכלואות.

בזמן שהאצווה הראשונה של PDMS עוברת הסרת גז, ערבבו אצווה שנייה באמצעות 10 גרם אלסטומר ו-0.5 גרם של חומר הריפוי. לאחר מכן, תקן את תבנית המאסטר המכילה את שכבת הבקרה למסגרת PTFE עגולה של 11 מילימטר. לאחר הסרת הגז של תערובת חמישה לאחד של PDMS, הסר אותה מתא הוואקום.

כעת, שפכו את תערובת החמישה לאחד של PDMS על תבנית המאסטר של שכבת הבקרה עד שהתערובת תגיע לרמת הקיר האנכי הישר של מסגרת ה-PTFE. ואז הנח אותו לתוך המייבש. במקביל, הנח גם את תערובת ה-PDMS של 20 ל-1 לתוך המייבש ושוב משוך ואקום.

הסר גם את תבנית המאסטר המצופה וגם את היחס של 20 לאחד של PDMS למשך 30 דקות נוספות. לאחר מכן, הוציאו את שניהם מהמייבש והכניסו את תבנית שכבת הבקרה לתנור שחומם מראש ל-80 מעלות צלזיוס. בזמן ששכבת הבקרה אופה, הניחו את תבנית המאסטר לשכבה הנוזלית על ציפוי ספין.

יוצקים כ-4 מיליליטר מתערובת 20 ל-1 של PDMS על תבנית המאסטר לשכבה הנוזלית ומצפים את הוופל למשך 40 שניות ב-1200 סל"ד כדי להשיג שכבה בעובי של 60 מיקרומטר. לאחר שעה מהזמן הכולל שחלף, פתחו את התנור, הניחו את הוופל המצופה בסיבוב ליד שכבת הבקרה ואפו אותם יחד במשך 15 דקות נוספות בחום של 80 מעלות צלזיוס. לאחר מכן, לאחר 75 דקות מהזמן הכולל שחלף, הוציאו את שני הוופלים מהתנור.

ראשית, קלף את תערובת ה-PDMS של חמישה לאחד לשכבת הבקרה. גזרו את הצ'יפס בעזרת סכין גילוח. ואז לנקב את החורים לכניסות באמצעות אגרוף ביופסיה של מילימטר אחד.

לאחר מכן, השתמש בנייר דבק כדי להסיר כל פסולת משבבי שכבת הבקרה החתוכים לקוביות. לאחר שהשבבים נקיים, השתמש במיקרוסקופ סטריאו כדי ליישר את שבב שכבת הבקרה על גבי תבנית מאסטר השכבה הנוזלית. לאחר מכן, שפכו וציירו את שאריות ה-PDMS סביב השבבים המורכבים.

והכניסו את כל ההתקנה לתנור בחום של 80 מעלות צלזיוס. אופים את המכשירים המורכבים למשך הלילה. למחרת, הוציאו את המכלול הנרפא מהתנור והניחו לו להתקרר לטמפרטורת החדר.

לאחר מכן קלף את מכלול ה-PDMS מתבנית השכבה הנוזלית. לאחר השחרור מתבנית המאסטר, חתכו לקוביות את מכשירי השכבה הכפולה המפוברקים בעזרת להב והשתמשו באגרוף ביופסיה של 1.5 מילימטר כדי ליצור את הכניסות והיציאות הנוזליות. לאחר מכן, טפל בכיסויי זכוכית ובשכבה הנוזלית של המכשיר המורכב בפריקת קורונה למשך דקה אחת או השתמש בפלזמת חמצן ולאחר מכן חבר מיד את שני המשטחים יחד כדי להשלים את המכשיר המיקרופלואידי.

אופים את הצ'יפס הדו-שכבתי המודבק בתנור בחום של 70 עד 80 מעלות צלזיוס למשך ארבע שעות לפחות. על מנת לתפעל את גדוד הזרימה באמצעות משאבת מזרק ובקר פנאומטי, חברו תחילה את המזרקים שהוטענו בעבר והונחו במשאבת מזרק לכניסות הנוזל של המכשיר המיקרו-נוזלי ולמערכת הבקר הפנאומטית לכניסות הבקרה של המכשיר המיקרופלואידי. כדי לדמיין את הזרימה, טען את אחד המזרקים בצבע מימי והזרים אותו לתא בקצב זרימה של 20 מיקרוליטר לדקה.

לאחר מכן השתמש במערכת הבקר הפנאומטי כדי לסגור את השסתום על ידי הפעלתו בשלושה בר. חשוב לציין שהנוזל עדיין יכול לזרום סביב השסתום לאחר סגירתו, ותכונה זו חשובה להשגת טיפול כימי מבוקר במבנה כלוא, כגון פולימרים קואורדינציה. כדי לפתוח את השסתום, פשוט השתמש במערכת הבקר כדי לשחרר את הלחץ.

בזמן שתמיסת התבנית זורמת דרך התעלה הראשונה, הזרקו נוזל מימי נוסף לתעלת הכניסה השנייה באותו קצב זרימה כדי ליצור ממשק בין שתי הזרימות המימיות. לאחר מכן סגור את השסתום על ידי הפעלתו בשלושה בר. הפעלת השסתום במהלך זרימה כפולה משנה את הממשק של שתי הזרימות המימיות.

לאחר מכן, שנה את קצב זרימת הנוזל של שני המזרקים ל-30 מיקרוליטר לדקה ו-10 מיקרוליטר לדקה, בהתאמה, על מנת להעביר את הממשק בין שני הנוזלים. על מנת לדמיין את יכולתו של השסתום ללכוד מיקרו-חלקיקים, הכינו תחילה תמיסה מימית המכילה 10% מיקרו-חלקיקים פלואורסצנטיים מפוליסטירן לפי משקל. הכניסו את הנוזל עמוס החלקיקים לשתי תעלות הכניסה בקצב זרימה כולל של 20 מיקרוליטר לדקה.

המתן שתי דקות עד ליצירת זרימה יציבה. לאחר מכן עוררו את החרוזים הפלואורסצנטיים באמצעות מקור באורך גל של 488 ננומטר כדי להציג את החרוזים בצורה הטובה ביותר. כשהוא מוכן, הפעל את השסתום בשלושה בר כדי לסגור אותו.

דמיין את אזור השסתום כדי לראות כמה חלקיקים הכלואים מתחת לשסתום וממוקמים על פני השטח בזמן שהזרימה נשמרת. הזרקת הגז דרך תעלות בשכבת הבקרה לוחצת את שכבת הנוזל לכיוון פני השטח. ניתן להשתמש בזה כדי להסיט נוזלים סביב האזור הנשלט על ידי המפעיל כאן המצוין על ידי היעדר או צבע רודמין.

ניתן להשתמש במפעילים פנאומטיים אלה גם כדי ללכוד חלקיקים או תאים כגון מיקרו-חלקיקים פלואורסצנטיים אלה שנלכדו על פני המיקרו-ערוץ. תכונה נוספת של מכשיר זה היא יכולתו ללכוד פולימרים קואורדינציה שנוצרו על ידי NC2 באמצעות הפעלת הכלוב הפנאומטי. לצורך הגדרה זו משתמשים בשתי זרימות ריאגנטים ומתרחשת תגובה כימית מבוקרת בממשק של שני הנוזלים בזרימה הלמינרית.

לאחר שנלכדו, ניתן לטפל כימית בפולימרי הקואורדינציה בצורה מבוקרת על ידי שימוש בשסתומים הפנאומטיים. אם אתה צופה בסרטון זה, אתה אמור להיות בעל הבנה טובה כיצד לייצר ביעילות מכשיר מיקרופלואידי דו-שכבתי שניתן להשתמש בו לביצוע תגובות כימיות מבוקרות על מבני צינורות שונים. בעת ניסיון הליך זה, חשוב להיות מוגבל למסגרת הזמן והטמפרטורה המדווחים בפרוטוקול הנוכחי.

אחרת, המאמץ שלך עלול להוביל לייצור של מכשירים לא מלוכדים או פגומים ולכן לא מתפקדים. לאחר פיתוחה, טכניקה זו סוללת את הדרך לחוקרים בתחום מדעי החומרים לחקור סוגים שונים של טיפולים כימיים מבוקרים בתוך הצינור בדיוק גבוה באמצעות פלטפורמה מיקרופלואידית דו-שכבתית.