Name: Microfluidica Gabbie pneumatici: un nuovo approccio per In-chip di cristallo Trapping, manipolazione e trattamento chimico Controlled (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2016-07-12T15:00:00.000+00:00
Duration: 9 min 34 s
Description: Scopri la microfluidica a doppio strato in PDMS per intrappolare materiali cristallini e controllare reazioni chimiche su chip. Questo metodo avanzato permette studi precisi in scienza dei materiali.

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Gli autori desiderano ringraziare il sostegno finanziario del Fondo Nazionale Svizzero per la Ricerca Scientifica (FNS) attraverso il progetto n. 200021_160174.

Nota: Due strati di un dispositivo microfluidico doppio strato sono progettati utilizzando un software di disegno, ad esempio, AutoCAD e stampati per formare maschere pellicola ad alta risoluzione, con un limite caratteristica precisione di 5 micron. stampi master sono creati da SU-8 litografia su 4 wafer di silicio &quot;, consentendo la produzione di strutture 50 micron di altezza. 1. Mold Fabrication master utilizzando SU-8 fotolitografia <ol><li> Posizionare il wafer di silicio su una piastra calda impostata a 200 ° C per 10 minuti per disidratare. Nota: silicio disidratazione fornisce un contatto migliore e garantisce la diffusione della SU-8 photoresist durante la fase di spin coating. </li><li> Raffreddare il wafer disidratato fino a temperatura ambiente per un periodo di 3 min. </li><li> Caricare il wafer su un coater centrifuga e deposito 4 ml di SU-8 photoresist (circa 1 ml di SU-8 per pollice di substrato) al centro della fetta. <ol><li> In primo luogo, diffondere la depositato SU-8 lentamente a 500 revolutions per minuto (rpm) per 10 sec. Tale velocità di rotazione assicura che la copertura SU-8 è aumentata su tutta la superficie del wafer. </li><li> In secondo luogo, controllare lo spessore del SU-8 facendo girare il substrato a velocità più elevate. Negli esperimenti attuali, utilizzare una velocità di rotazione di 3.000 giri al minuto per 30 secondi per generare SU-8 dispone di 50 micron alto. </li></ol></li><li> Pulire il tallone bordo della cialda con cura con un batuffolo di cotone pulire, mentre la filatura ad un numero di giri basso (tipicamente 100 rpm). </li><li> Riscaldare il wafer spin-rivestito su una piastra calda a 95 ° C per 15 minuti per rimuovere il solvente residuo dalla SU-8 (cioè, &quot;bake soft&quot;). Nota: La presenza di modelli o &quot;rughe&quot; nello strato di resist indica la rimozione incompleta di solvente. </li><li> Raffreddare la cialda cotto indietro fino a temperatura ambiente e contattare il lato dell&#39;emulsione stampato del fotomaschera con il wafer prima dell&#39;esposizione. </li><li> Accendere l&#39;unità lampada UV e l&#39;esposizione e lasciare stabilizzare il sistema per un periodo di 10 min. misurare l&#39;intensità della lampada a 365 nm utilizzando un UV-ettometro, e stimare il tempo di esposizione necessario (in base al tempo di esposizione = energia / intensità a 365 nm). Nota: L&#39;energia di esposizione negli esperimenti in corso è stato calcolato in 250 mJ / cm 2. </li><li> Esporre fotomaschera sul wafer spin-rivestito a luce UV per il tempo previsto nel passaggio precedente. Qui, esporre per 79,6 sec. </li><li> Subito dopo l&#39;esposizione, cuocere il wafer esposta su una piastra calda a 65 ° C per 1 min e successivamente a 95 ° C per 5 min. In questa fase, la reazione viene iniziata da-luce UV e completato dopo la cottura. </li><li> Lasciare il wafer post-cotto raffreddare a temperatura ambiente per un periodo di 3 min. </li><li> Sviluppare il SU-8 non reticolato sul wafer sciogliendolo in sviluppatore SU-8 su 8 min. Per assicurare la rimozione completa di non-reticolato SU-8, dividere il processo in due fasi. <ol><li> Nella prima, immergere il wafer nella soluzione di sviluppatore per 5 min, rispostando la maggior parte dei non-reticolato SU-8. </li><li> Poi immergere il wafer in una soluzione fresca di sviluppatore per 3 minuti per sciogliere la restante non reticolato SU-8 (tipicamente intrappolata tra strutture reticolate). </li></ol></li><li> Lavare il wafer sviluppata con isopropanolo e lasciare che il wafer di avere strutture a motivi geometrici (in seguito denominata &quot;master stampo&quot;) stare a seccare. L&#39;osservazione di un residuo di latte su risciacquo stampo maestro indica che lo sviluppo è incompleta. </li><li> Riscaldare lo stampo maestro secchi su un piatto caldo a 200 ° C per 2-5 minuti per &quot;bake duro&quot; il substrato e ricottura potenziali crepe nel resistere. </li><li> Lasciare lo stampo maestro fabbricato raffreddare a temperatura ambiente. </li><li> Posizionare lo stampo master in un essiccatore (collegato ad una pompa a vuoto) all&#39;interno di una cappa aspirante. </li><li> Versare 100 ml di trimetilsilil cloruro (TMCS) in un bicchiere di vetro e collocarlo all&#39;interno del essiccatore. ATTENZIONE: TMCS è infiammabile, corrosivE e tossici; in tal modo, fasi di manipolazione devono essere effettuate sotto una cappa aspirante, con l&#39;utente indossando guanti protettivi, occhiali e un camice da laboratorio. </li><li> Mettere un essiccatore sotto vuoto e attendere almeno 1 ora per consentire al vapore di TMCS a depositare sulla superficie dello stampo master. </li><li> Dopo 1 ora, lentamente equilibrare la pressione all&#39;interno essiccatore e aperto all&#39;atmosfera. ATTENZIONE: Non respirare direttamente sopra l&#39;essiccatore aperto. </li><li> Rimuovere il maestro silanizzata e chiudere il essiccatore. </li></ol> 2. Fabbricazione di dispositivi microfluidici doppio strato Nota: Il protocollo è particolarmente sensibile al tempo e temperatura. Qualsiasi mancata osservanza al telaio tempo e la temperatura può portare alla fabbricazione di dispositivi non legato, e quindi, non funzionali. <ol><li> Versare una miscela di PDMS elastomero e agente indurente (5: 1 in peso) in un piatto di pesatura monouso e completamente mescolare con una spatola di plastica. Nell&#39;esperimento correntes, utilizzare 50 g di elastomero e 10 g di induritore per formare uno strato PDMS circa 5 mm di altezza 19,26. </li><li> Posizionare il PDMS ben misti in un essiccatore sotto vuoto a Degas e rimuovere le bolle intrappolate per 15 min. </li><li> Mescolare PDMS elastomero e agente indurente (20: 1 in peso) in un piatto di pesatura monouso (es, 10 g elastomero e 0,5 g Catalizzatore) 19,26. </li><li> Fissare lo stampo &quot;livello di controllo&quot; master in una cornice (negli esperimenti attuali, un politetrafluoroetilene (PTFE) anello rotondo 11 mm). </li><li> Dopo 15 minuti, mettere il 20: 1 miscela PDMS in un essiccatore sotto vuoto per degasaggio. </li><li> Allo stesso tempo, come il passaggio precedente, togliere il 5: 1 miscela PDMS dal essiccatore e versare questo sullo stampo master &quot;livello di controllo&quot; che si trova all&#39;interno della cornice rotonda. Posizionare il frame contenente il PDMS e muffe maestro in un essiccatore sotto vuoto pure. Mantenere il surplus PDMS. </li><li> Dopo 45 minuti (e 30 minuti dopo putting sia PDM miscele in essiccatore), prendere entrambe PDMS miscele di un essiccatore e posizionare la cornice contenente 5: 1 e lo stampo PDMS master &quot;livello di controllo&quot; in un forno a 80 ° C. </li><li> Allo stesso tempo, cominceranno a girare cappotto stampo master &quot;strato fluidico&quot; con il 20: 1 miscela PDMS. La velocità di rotazione di spin coating è determinato in base all&#39;altezza desiderata, ed è stato riportato altrove 27. Obiettivo di interrompere spin coating a 60 min e mantenere i PDMS residue. </li><li> Dopo 60 min, mettere il &quot;fluidico livello&quot; master stampo rotazione rivestito con 20: 1 PDMS in un forno a 80 ° C. </li><li> A 75 min, prendere due stampi padrone fuori dal forno. </li><li> Rimuovere solo il 5: 1 PDMS dallo stampo master &quot;livello di controllo&quot;, tagliare a dadini il substrato con una lama e punch i fori per i livelli di controllo con un perforatore biopsia 1 mm posizioni insenature determinati nella progettazione. Qui, il livello di controllo è di 24 mm di lunghezza e 24 mm di larghezza. </li><li> Rimuovi detriti dal chip tagliati a cubetti con del nastro adesivo. </li><li> Montare manualmente i dadini e perforato controllo chip strato in cima alla 20: spin 1 PDMS rivestito sul master stampo &quot;strato fluidico&quot; utilizzando uno stereomicroscopio con ingrandimento 500X (Figura 1). </li><li> Versare e disegnare il PDMS residue intorno ai chip assemblati per fare uno strato PDMS più spessa e quindi facilitare la rimozione degli strati fluidici e di controllo legati alla fine. </li><li> Posizionare lo stampo master &quot;strato fluidico&quot; contenente i due dispositivi di strato in un forno a 80 ° C e memorizzare una notte. </li><li> Il giorno seguente, prendere l&#39;assemblaggio curato fuori dal forno e lasciarla raffreddare fino a temperatura ambiente. </li><li> Rimuovere il gruppo PDMS dallo stampo maestro &quot;strato fluido&quot;, dice i dispositivi fabbricati a doppio strato con una lama (24 mm di lunghezza e 24 mm di larghezza) e Punch fluidici entrate / uscite con un perforatore biopsia 1,5 millimetri. </li><li> Trattare la superficie del chip con OPEn canali e vetrini (24 mm x 40 mm) con una scarica corona e immediatamente li legano insieme. Trattare spostando la scarica corona sul PDMS lastra di vetro e coprioggetto oltre 1 min. In alternativa, utilizzare un sistema al plasma da banco per facilitare l&#39;incollaggio. </li><li> Conservare le patatine doppio strato legante in stufa a 70-80 ° C per almeno 4 ore. </li></ol> 3. Montaggio del sistema Microfluidic <ol><li> Dopo che il dispositivo microfluidico è stato assemblato, collegare le insenature strato fluidici del chip ai serbatoi fluidici (siringhe) con politetrafluoroetilene (PTFE) tubo (0,8 mm di diametro). </li><li> Collegare la sorgente di alimentazione di pressione agli ingressi di livello di controllo utilizzando tubi in gomma di silicone e connettori metallici che hanno un diametro esterno di 1,6 mm. </li><li> Aprire e chiudere le valvole applicando aria in pressione a 3 bar utilizzando una sorgente di pressione che viene azionato manualmente. fluidi di alimentazione ai canali utilizzando una serie di pompe siringa controllati dal computer. </li><li> Visualizza azionamento delle valvole e il funzionamento del dispositivo con una telecamera ad alta risoluzione montato su un microscopio invertito. Utilizzare 5X a 63X di ingrandimento. </li></ol> 4. La manipolazione del flusso laminare Regime per pneumatica di azionamento Cage Nota: Lo strato fluidico consiste di due canali di ingresso convergenti, che sono 150 micron di larghezza, per una più ampia canale principale 300 micron di larghezza. E il livello di controllo ha una serie di valvole rettangolari identici (250 micron × 200 micron) che si trovano sulla parte superiore del canale principale fluidico. <ol><li> Una volta che il set-up è collegato alla pompa siringa e sistemi di controllo pneumatiche, introdurre un flusso di tintura acquosa attraverso uno dei canali di entrata alla portata di 20 microlitri / min. </li><li> Chiudere la valvola azionando è a 3 bar. </li><li> Essere consapevoli che il fluido può ancora fluire attorno alla valvola. Questa caratteristica è importante nel raggiungimento trattamento chimico controllato di strutture intrappolati 18,25 &lt;/ Sup&gt;. </li><li> Aprire la valvola rilasciando la pressione. </li><li> Mentre la soluzione colorante scorre attraverso il primo canale, iniettare un fluido acquoso nel secondo canale di ingresso a 20 microlitri / min. Un&#39;interfaccia tra due flussi acquosi si forma per il flusso laminare regime presente nel dispositivo microfluidico. </li><li> Chiudere la valvola azionando è a 3 bar. In questo caso, l&#39;azionamento della valvola cambia l&#39;interfaccia dei due flussi acquosi; un risultato che può essere utilizzato per modificare il percorso sintetico durante la formazione di un CP (vide infra) 18,28. </li><li> Cambiare le portate di fluido a 30 microlitri / min e 10 ml / min e osservare la o GIÙ spostato guida dell&#39;interfaccia generato tra i due fluidi. </li></ol> 5. La localizzazione di microparticelle <ol><li> Collegare il chip a doppio strato fabbricato alla pompa siringa e sistemi di controllo pneumatici. </li><li> Preparare una soluzione acquosa contenente 10 in peso.% Polistiroloparticelle fluorescenti (5 micron di diametro, di eccitazione e di emissione max a 468 nm e 508 nm, rispettivamente). </li><li> Utilizzare sorgente di eccitazione laser operante ad una lunghezza d&#39;onda di 488 nm. </li><li> Introdurre il fluido di particelle cariche nei due canali di entrata con un flusso totale di 20 microlitri / min. </li><li> Attendere 2 minuti fino a quando viene stabilito un flusso stabile. </li><li> Azionare la valvola a 3 bar per chiuderla. Diversi particelle saranno intrappolati sotto la valvola e localizzati sulla superficie, mentre il flusso viene mantenuta. </li></ol> 6. Generazione e riduzione controllata di un coordinamento Polymer (CP) <ol><li> Preparare una soluzione acquosa di 2,5 mm di nitrato d&#39;argento (AgNO3). </li><li> Preparare una soluzione acquosa 2,5 mM di cisteina (Cys). </li><li> Preparare una soluzione di acido ascorbico saturo in etanolo 18. </li><li> Utilizzare lo stesso chip a doppio strato e iniettare i due reagenti nei due canali di entrata (un reagente per aspirazione) ciascuna con una portata di50 microlitri / min. </li><li> Osservare la formazione di argento e cisteina (Ag (I) Cys) CP all&#39;interfaccia tra due vapori co-scorre. </li><li> Azionare la valvola a 3 bar per intrappolare il formato Ag (I) Cys CP sotto la valvola. </li><li> acqua distillata filo nei canali di ingresso ad un flusso di 50 ml / min per lavare via i reagenti surplus utilizzati durante il processo sintetico. </li><li> Rilasciare la pressione e aprire la valvola. I CP generati rimangono sotto la valvola in condizioni di stopped-flow. </li><li> Per effettuare una riduzione chimica controllata di intrappolato Ag (I) Cys CP, rilasciare la pressione della valvola a 1 bar e lavare la soluzione di acido ascorbico saturo in etanolo ad una portata di 10 microlitri / min. </li><li> Osservare un netto cambiamento di colore che viene attribuito alla riduzione di Ag (I) ad argento metallico (Ag (0)) per l&#39;acido ascorbico 18. </li></ol>

<ol><li><a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=%22Nicolet+iS5+User+Guide%22">Nicolet iS5 User Guide</a>. , (2015).</li>
</ol>

Gli autori non hanno nulla da rivelare.

L'approccio riportato può essere facilmente modificato per fabbricare diverse forme di valvole per consentire altre applicazioni come il confinamento dei fluidi. Infatti, la flessibilità di questo protocollo consente anche di modificare lo spessore dello strato inferiore, e quindi della membrana PDMS, da un paio di decine a poche centinaia di micron per soddisfare qualsiasi applicazione di interesse. Inoltre, le dimensioni delle strutture in ogni strato del dispositivo possono essere ottimizzate per l'applicazione desiderata e le varie altezze delle strutture sugli stampi master possono essere semplicemente ottenute facendo girare il fotoresist a velocità diverse. La rotazione del fotoresist a una velocità maggiore si traduce in strutture più sottili. 
Per implementare al meglio il protocollo, un ambiente di camera bianca per la fabbricazione degli stampi master è sostanzialmente essenziale; In caso contrario, la procedura di fabbricazione porterà a stampi master difettosi e quindi a dispositivi microfluidici inutilizzabili. Due aspetti critici dovrebbero essere sottolineati in questo protocollo: i) la temperatura costante del forno che deve essere regolata a 80 °C e ii) il periodo di tempo programmato tra i processi che deve essere rispettato accuratamente. Qualsiasi modifica della temperatura e dell'intervallo di tempo nel protocollo potrebbe portare a chip non legati e, quindi, a dispositivi non funzionanti.
Le condizioni "turbolente free" tipicamente riscontrate nei sistemi microfluidici sono state recentemente impiegate per la generazione di microstrutture o materiali molecolari all'interno di30 e all'esterno di chip microfluidici a singolo strato31. Nei chip microfluidici a doppio strato, il regime di flusso laminare e, quindi, l'interfaccia generata tra co-flussi continui possono essere manipolati utilizzando gabbie pneumatiche18,28. Questi dispositivi forniscono anche un controllo efficace sulla via sintetica, che a sua volta porta a una localizzazione precisa e all'intrappolamento sulle superfici18. 
Come accennato in precedenza, l'attuazione pneumatica in chip microfluidici a doppio strato è stata precedentemente impiegata per varie applicazioni come l'intrappolamento cellulare20, gli studi di attività enzimatica21 e la cristallizzazione delle proteine24. Tuttavia, l'obiettivo principale dell'approccio riportato è quello di proporre una piattaforma da utilizzare per intrappolare e dirigere il percorso di coordinazione di un materiale molecolare cristallino e controllare le reazioni chimiche su strutture intrappolate su chip18,25. 
Il metodo descritto non solo consente l'intrappolamento di strutture anisotrope, ma può essere utilizzato per localizzare le particelle sulle superfici. Gli studi futuri possono essere efficacemente indirizzati verso la progettazione di nuove forme di valvole per ulteriori applicazioni in biologia, scienza dei materiali e tecnologie dei sensori. La combinazione di diverse forme di valvole, nonché di altezze dei canali e spessori di membrana alterati può essere impiegata per soddisfare applicazioni specifiche, come studi chimici basati sulla miscelazione diffusionale e la localizzazione della crescita del materiale.
Un'ulteriore applicazione delle piattaforme microfluidiche descritte è nel drogaggio chimico controllato dei cristalli, che può portare a una formazione razionalizzata di interfacce nelle strutture cristalline19. Questo approccio prevede anche un'ampia gamma di post-trattamenti di strutture intrappolate su truciolo; Una metodologia che senza dubbio aprirà nuovi orizzonti nell'ingegneria dei materiali.
È importante sottolineare che il numero di tecnologie che consentono reazioni chimiche controllate in condizioni dinamiche e su materia cristallina è attualmente molto limitato, rendendo quindi questo approccio molto attraente nei settori legati ai materiali. Tuttavia, una delle principali limitazioni di questa tecnologia è l'uso del PDMS. L'elastomero PDMS è incompatibile con molti solventi organici, il che limita il numero di reazioni che possono essere condotte all'interno di questi chip microfluidici. In futuro, lo sviluppo di altri elastomeri in grado di tollerare ed essere stabili nei confronti di un numero più ampio di solventi organici sarà estremamente necessario al fine di espandere questo campo di ricerca ad altri materiali e sostanze chimiche.

Materiali molecolari sono stati a lungo studiati nella comunità scientifica a causa del loro ampio numero di applicazioni in campi quali l&#39;elettronica molecolare, ottica e sensori 1-4. Tra questi, i conduttori organici sono una classe particolarmente emozionante di materiali molecolari a causa del loro ruolo centrale nel display flessibili e dispositivi funzionali integrati 5,6. Tuttavia, metodologie utilizzate per consentire il trasporto di carica elettronica in materiali molecolari basati sono limitate alla formazione di complessi di trasporto di carica (CTC) e sali di trasporto di carica (CTSS) 7-10. Frequentemente, CTC e CTS sono generati mediante metodi elettrochimici o da reazioni redox chimiche dirette; processi che ostacolano una trasformazione controllata di porzioni donatori o accettori ad architetture più complesse in cui la multifunzionalità può essere concepito. Pertanto, la spiegazione di nuovi metodi sistematici per la generazione controllabile e manipolazione di molecolare-based materiali rimane una sfida significativa nel campo della scienza dei materiali e ingegneria molecolare, e in caso di successo sarà senza dubbio portare a nuove funzioni e nuove applicazioni tecnologiche. In questo contesto, le tecnologie microfluidica sono state recentemente utilizzate per sintetizzare materiali molecolari basati grazie alla loro capacità di controllare il calore e di massa e il volume di reazione-diffusione dei reagenti durante un processo sintetico 11,12. In poche parole, flussi continui e a bassi numeri di Reynolds un&#39;interfaccia stabile tra due o più flussi di reagenti può essere realizzato, che permette la formazione di una zona di reazione ben controllato all&#39;interno del percorso di flusso, in cui la miscelazione avviene solo per diffusione 13-16. In effetti, abbiamo precedentemente impiegato flussi laminari di localizzare il percorso di sintesi di materiali molecolari cristallini quali polimeri di coordinazione (CP) all&#39;interno di canali microfluidica 17. Sebbene questa metodologia ha dimostrato gpromessa reat nel realizzare nanostrutture romanzo CP, l&#39;integrazione diretta di tali strutture su superfici, nonché trattamento chimico controllato dopo la loro formazione deve ancora essere realizzato in situ 18. Per superare questa limitazione, abbiamo recentemente dimostrato che l&#39;azionamento di gabbie microfluidica pneumatici (o valvole) incorporate nei dispositivi microfluidici due strati può essere vantaggiosamente utilizzata a questo riguardo. Dal momento che il lavoro pionieristico del gruppo di Quake 19, valvole pneumatiche microfluidica sono spesso stati utilizzati per la cattura a cella singola e isolamento 20, indagini di attività enzimatica 21, cattura di piccoli volumi di fluidi 22, la localizzazione di materiali funzionali sulle superfici 23 e cristallizzazione delle proteine ​​24. Tuttavia, abbiamo dimostrato che i dispositivi microfluidici doppio strato possono essere usati per intercettare, localizzare e integrare in situ strutture leggere fuori componenti formata e sulle superfici 18. Inoltre, abbiamo anche dimostrato che tale tecnologia può essere utilizzata per eseguire trattamenti chimici controllati su strutture intrappolati, permettendo sia, &quot;microfluidica assistita scambio ligando&quot; 18 e il doping chimica controllata di cristalli organici 18,25. In entrambi i casi, CTC possono essere sintetizzate in condizioni controllate microfluidica, e nella più recente studio, multifunzionalità potrebbero essere descritte nello stesso pezzo di materiale. Qui, dimostriamo le prestazioni di questi doppio strato dispositivi microfluidici impiegano flussi colorante carichi, generare e controllare il percorso coordinamento di CP e la sua localizzazione sulla superficie di un canale microfluidico e infine valutare controllato trattamenti chimici su on-chip strutture in trappola.

<table><tbody><tr><td>Maschere per pellicole ad alta risoluzione</td><td>Microlitho, UK-Caratteristiche</td><td></td> <td>fino a 5 &#956; m</td></tr><tr><td>SU8 fotoresist</td><td>MicroChem Corp., USA</td><td>SU8-3050-Wafer</td><td></td></tr> <tr><td>di silicio</td><td>Silicon Materials Inc., Germania</td><td>Wafer di silicio da 4" Superficie</td><td>frontale: lucidata, Superficie posteriore: acidato</td></tr><tr><td>Silicone Elastomero KIT (PDMS)</td><td>Dow Corning, USA</td><td>Sylgard&reg; 184-Spinner</td><td></td></tr> <tr><td></td><td>Suiss MicroTech, Germania</td><td>Delta 80 spinner</td><td>-</td></tr><tr><td>Optometro UV</td><td>Gigahertz-Optik Inc., USA</td> Allineatore per maschere <td>X1-1</td><td></td></tr> <tr><td>Suiss MicroTech, Germania</td><td>Karl Suss MA/BA6&nbsp;</td><td></td><td>-</td></tr><tr><td>Sviluppatore SU8</td><td>Micro resist technology GmbH, Germania</td><td>mr-Dev 600-Trimetilsilil</td><td></td></tr> <tr><td>cloruro&nbsp;</td><td>Sigma-Aldrich, Svizzera</td><td>386529</td><td>&ge; 97%, ATTENZIONE: Maneggiarlo solo sotto la cappa aspirante.</td></tr><tr><td>Perforatore per biopsia</td><td>Miltex GmBH, Germania</td><td>33-31AA-P/25</td><td>1 mm</td></tr><tr><td>Perforatore per biopsia</td><td>Miltex GmBH, Germania</td><td>33-31A-P/25</td><td>1,5 mm</td></tr><tr><td>Vetrino coprioggetti</td><td>Menzel-Glaser, Germania</td><td>BB024040SC</td><td>24 mm e volte; 60 mm, #5</td></tr><tr><td>Laboratorio Corona Treater</td><td>Electro-Technic Products, USA</td><td>BD-20ACV&nbsp;</td><td>-</td></tr><tr><td>Tubo in PTFE</td><td>PKM SA, Svizzera</td><td>AWG-TFS-XXX</td><td>AWG 20TFS, rotolo da 100&nbsp; m</td></tr><tr><td>Tubo in gomma siliconica</td><td>Hi-Tek Products, UK-1</td><td></td> <td>mm I.D.</td></tr><tr><td>neMESYS Pompe a siringa</td><td>Cetoni GmbH, Germania</td><td>Bassa pressione (290N)</td><td>-</td></tr><tr><td>Telecamera ad alta risoluzione</td><td>Zeiss, Germania</td><td>Axiocam MRc</td> <td>5-Microscopio</td></tr> <tr><td>invertito fluorescente</td><td>Zeiss, Germania</td><td>Axio Observer A1</td><td>Utilizzabile a due lunghezze d'onda, cioè , 350 nm e 488 nm</td></tr><tr><td>Particelle fluorescenti di polistirene verde</td><td>Fisher Scientific, Svizzera</td><td>11523363</td><td>Taglia: 5.0 &#956; m, contenuto solido: 1%</td></tr> <tr><td>Nitrato d'argento (AgNO3)</td><td>Sigma-Aldrich, Svizzera</td><td>209139</td><td>&ge; 99,0%</td></tr><tr><td>L-Cisteina (Cys)</td><td>Sigma-Aldrich, Svizzera</td><td>W326305</td><td>&ge; 97.0%</td></tr><tr><td>Piatto di pesata usa e getta</td><td>Sigma-Aldrich, Svizzera</td><td>Z154881</td><td>L &times; W &volte; H : 86&nbsp; mm &volte; 86&nbsp; mm &volte; 25&nbsp; mm</td></tr><tr><td>Piatto di pesata monouso</td><td>Sigma-Aldrich, Svizzera</td><td>Z708593</td><td>esagonale, misura XL</td></tr><tr><td>Spatola in plastica</td><td>Semadeni, Svizzera</td><td>3340</td><td>L &times; W : 135 mm x 14 mm</td></tr><tr><td>Colorante, Bemacron ROT E-G</td><td>Bezema, Svizzera</td><td>BZ 911.231</td><td></td></tr><tr><td>Stereomicroscopio</td> rosso <td>Wild Heerbrugg, Svizzera</td><td>Wild M8</td><td>Ingrandimento 500x</td></tr><tr><td>Bisturi monouso</td><td>B. Braun, Svizzera</td><td>233-5320</td><td>Nr. 20</td></tr><tr><td>Acido L-ascorbico</td><td>Sigma-Aldrich, Svizzera</td><td>A4403</td><td>-</td></tr></tbody></table>

microfluidica gabbie pneumatici: un nuovo approccio per in-chip di cristallo trapping, manipolazione e trattamento chimico controlled

Microfluidic Pneumatic Cages: A Novel Approach for In-chip Crystal Trapping, Manipulation and Controlled Chemical Treatment

La localizzazione precisa e il trattamento chimico controllato delle strutture su una superficie sono sfide significative per le comuni tecnologie di laboratorio. In questo articolo, introduciamo una tecnologia basata sulla microfluidica, che impiega un dispositivo microfluidico a doppio strato, in grado di intrappolare e localizzare strutture sintetizzate in situ ed ex situ su superfici di canali microfluidici. Fondamentalmente, mostriamo come un tale dispositivo possa essere utilizzato per condurre reazioni chimiche controllate su strutture intrappolate su chip e dimostriamo come il percorso sintetico di un materiale molecolare cristallino e il suo posizionamento all'interno di un canale microfluidico possano essere modificati con precisione con questa tecnologia. Questo approccio offre nuove opportunità per l'assemblaggio controllato di strutture in superficie e per il loro successivo trattamento.

I dispositivi microfluidici doppio strato consistono di due chip microfluidici depositi strutturati in PDMS come mostrato in Figura 1. Il primo strato, che è allo stesso tempo legato ad una superficie, viene utilizzato per scorrere fluidi (strato fluido), mentre il secondo strato, che è direttamente legato al primo strato PDMS, è utilizzato per flusso di gas (livello di controllo). <img alt="Figura 1" src="/files/ftp_upload/54193/54193fig1.jpg" /> Figura 1. Doppio-strato del dispositivo di microfluidica. (A) Rappresentazione schematica e (B) Micrografia del dispositivo microfluidica doppio strato utilizzato nelle nostre indagini. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/54193/54193fig1large.jpg" target="_blank">Cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura.</a> Iniezione di gas attraverso canaliil livello di controllo comprime lo strato fluido verso la superficie (Figura 2A e 2B figura), consentendo cattura e localizzazione delle strutture sulla superficie del canale microfluidico. PDMS azionamento membrana può essere utilizzato per generare gabbie pneumatici e / o micro-valvole che sono controllati da un controllore pneumatico. Come modelli esemplari di azionamento a membrana, si mostra come la deflessione completa dello strato di fluido evita un flusso dye carichi a circolare sotto la valvola dopo il suo azionamento (Figura 2C) e la cattura di microparticelle fluorescenti sulla superficie microcanali (Figura 2D e 2E) . <img alt="figura 2" src="/files/ftp_upload/54193/54193fig2.jpg" /> Figura 2. attivazione di membrana e la cattura di strutture. (A) laterale e (B) vista dall&#39;alto illustrazioni che mostrano il dispositivo di microfluidica doppio strato essereanteriore (in alto) e dopo (in basso) azionamento della valvola pneumatica. (C) micrografie di un dispositivo microfluidico doppio strato prima (in alto) e dopo spremitura del livello del fluido (in basso). Nel pannello di fondo, lo strato fluido è riempito con una soluzione acquosa di colorante rodamina per una migliore percezione di azionamento membrana. (D) micrografie campo chiaro di un dispositivo microfluidico doppio strato prima (in alto) e dopo (in basso) azionamento della valvola con un fluenti particelle fluorescenti polistirene soluzione contenente acquosa (10 wt.%). Immagini (E) fluorescenti delle immagini al microscopio ottico mostrate in D. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/54193/54193fig2large.jpg" target="_blank">Si prega di cliccare qui per vedere una versione più grande di questa figura.</a> La figura 3A illustra la cattura di generato in situ CP all&#39;interno di un dispositivo microfluidica doppio strato attraverso actuatione di una gabbia pneumatica. Si noti che un nuovo percorso coordinamento viene generato dopo l&#39;azionamento della prima valvola. L&#39;azionamento della valvola assicura la cattura del Ag (I) Cys CP generate all&#39;interfaccia dei due flussi dei reagenti e facilita la formazione di un nuovo percorso di coordinamento (Figura 3A). Una caratterizzazione chimica dettagliata Ag (I) Cys CP generate all&#39;interfaccia dei due flussi di reagenti può essere trovato in studi precedenti 17,18. Inoltre, e dopo la rimozione del surplus reagenti soluzioni con un flusso di acqua pura (figura 3B), una soluzione di acido ascorbico satura in etanolo può essere aggiunto al canale microfluidico per la riduzione chimica controllata di on-chip strutture intrappolate (Figura 3C). Riducendo la pressione della valvola da 3 bar a 1 bar favorisce un trattamento chimico controllata del intrappolato CP Ag (I) Cys sotto la zona serrato 18. Il cambiamento di colore della intrappolati CP Ag (I) Cys al marrone scuro è unttributed alla riduzione di argento monovalente al metallo, in accordo con precedenti osservazioni 18,29. <img alt="Figura 3" src="/files/ftp_upload/54193/54193fig3.jpg" /> Figura 3. Trapping di Ag (I) Cys CP e riduzione chimica controllata. (A) immagine al microscopio ottico mostra la cattura di un sintetizzato in situ Ag (I) Cys CP e la generazione di un nuovo percorso di coordinamento. (B) Micrografia di CP intrappolate sotto l&#39;area serrato dopo la rimozione delle soluzioni reagenti in eccesso con un flusso d&#39;acqua, e (C), al microscopio dello stesso micro-valvola dopo il processo di reazione di riduzione. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/54193/54193fig3large.jpg" target="_blank">Cliccate qui per vedere una versione più grande questa figura.</a>

Qui, descriviamo la fabbricazione e il funzionamento di un sistema microfluidico a doppio strato in polidimetilsilossano (PDMS). Dimostriamo il potenziale di questo dispositivo per l'intrappolamento, la direzione del percorso di coordinazione di un materiale molecolare cristallino e il controllo delle reazioni chimiche su strutture intrappolate su chip.

Microfluidica Gabbie pneumatici: un nuovo approccio per In-chip di cristallo Trapping, manipolazione e trattamento chimico Controlled

The precise localization and controlled chemical treatment of structures on a surface are significant challenges for common laboratory technologies. ...

L'obiettivo generale di questo approccio è dimostrare il potenziale di questo dispositivo nel catturare, indirizzare il percorso di coordinamento di un materiale molecolare cristallino e controllare reazioni chimiche su strutture intrappolate su chip. Questo metodo può contribuire a rispondere a domande fondamentali nel campo della scienza dei materiali, come l'effetto di trattamenti chimici controllati sulle proprietà delle strutture autoassemblate. È inoltre importante sottolineare che il numero di tecnologie in grado di effettuare trattamenti chimici controllati in condizioni dinamiche è attualmente molto limitato, rendendo quindi questo approccio particolarmente interessante nel settore dei materiali.Per iniziare, preparare un master stampo silanizzato utilizzando la fotolitografia SU8. La particella anti-aderente è particolarmente sensibile sia al tempo che alla temperatura. Eventuali mancate osservanze del tempo e della temperatura descritti potrebbero portare alla fabbricazione di un dispositivo non incollato e quindi non funzionale.Preparare la miscela di PDMS combinando 50 grammi dell'elastomero e 10 grammi dell'agente indurente in un contenitore monouso per pesatura. Mescolare completamente i componenti utilizzando una spatola di plastica. Successivamente, collocare il PDMS ben mescolato in un essiccatore sotto vuoto per 15 minuti per disaerare la miscela ed eliminare le bolle intrappolate.Mentre la prima porzione di PDMS viene sottoposta a degasificazione, preparare una seconda porzione mescolando 10 grammi di elastomero con 0,5 grammi dell'agente indurente. Successivamente, fissare il master mold contenente lo strato di controllo all'interno di un telaio rotondo in PTFE da 11 millimetri. Una volta completata la degasificazione della miscela di PDMS nel rapporto cinque a uno, rimuoverla dalla camera a vuoto.Ora, versare la miscela 5:1 di PDMS sullo stampo maestro del livello di controllo fino a quando la miscela raggiunge il livello della parete verticale dritta della cornice in PTFE. Successivamente, posizionarlo nel desiccante. Allo stesso tempo, mettere anche la miscela 20:1 di PDMS nel desiccante ed applicare nuovamente il vuoto.Depressurizzare sia il master stampo rivestito che il PDMS in rapporto 20 a 1 per ulteriori 30 minuti. Successivamente, rimuoverli entrambi dal desiccante e posizionare il master stampo del livello di controllo in un forno preriscaldato a 80 gradi Celsius. Mentre il livello di controllo cuoce, posizionare il master stampo per il livello fluidico su un spin coater.Versare circa 4 millilitri della miscela 20:1 di PDMS sullo stampo maestro per il livello fluidico e applicare il rivestimento mediante spin-coating per 40 secondi a 1200 giri/min per ottenere uno strato spesso 60 micrometri. Dopo un tempo totale trascorso di un'ora, aprire il forno, posizionare la wafer rivestita accanto al livello di controllo ed eseguire la cottura insieme per ulteriori 15 minuti a 80 gradi Celsius. Successivamente, dopo 75 minuti di tempo totale trascorso, rimuovere entrambe le wafer dal forno.Prima di tutto, staccare il miscuglio cinque a uno di PDMS per lo strato di controllo. Ritagliare i chip utilizzando una lametta da rasoio. Quindi, praticare i fori per gli ingressi con un punzone per biopsia da un millimetro.Successivamente, utilizzare del nastro adesivo per rimuovere eventuali detriti dai frammenti di controllo della pellicola. Una volta che i frammenti sono puliti, utilizzare un microscopio stereoscopico per allineare il frammento di controllo sulla parte superiore dello stampo maestro del livello fluidico. Quindi, versare e rimuovere il PDMS residuo attorno ai frammenti assemblati.E posizionare l'intero apparato in un forno a 80 gradi Celsius. Cuocere i dispositivi assemblati per tutta la notte. Il giorno seguente, rimuovere l'assemblaggio polimerizzato dal forno e lasciarlo raffreddare a temperatura ambiente.Quindi staccare l'assemblaggio in PDMS dallo stampo maestro del livello fluidico. Una volta separato dallo stampo maestro, tagliare i dispositivi a doppio strato realizzati con una lama e utilizzare una punta da biopsia da 1,5 millimetri per creare gli ingressi e le uscite fluidiche. Successivamente, trattare le piastrine di vetro e il livello fluidico del dispositivo assemblato con una scarica al corona per un minuto oppure utilizzare plasma di ossigeno, quindi unire immediatamente le due superfici per completare il dispositivo microfluidico.Far cuocere i chip doppi stratificati legati in un forno a 70-80 gradi Celsius per almeno quattro ore. Per controllare il regime di flusso mediante una pompa per siringhe e un controllore pneumatico, collegare innanzitutto le siringhe precedentemente caricate e posizionate nella pompa per siringhe agli ingressi fluidici del dispositivo microfluidico e il sistema del controllore pneumatico agli ingressi di controllo del dispositivo microfluidico. Per visualizzare il flusso, caricare una delle siringhe con un colorante acquoso e farlo fluire nella camera a una portata di 20 microlitri al minuto.Quindi utilizzare il sistema di controllo pneumatico per chiudere la valvola azionandola a tre bar. È importante notare che il fluido può ancora scorrere attorno alla valvola una volta chiusa, e questa caratteristica è fondamentale per ottenere un trattamento chimico controllato della struttura intrappolata, come nei polimeri di coordinazione. Per aprire la valvola, utilizzare semplicemente il sistema di controllo per rilasciare la pressione.Mentre la soluzione die scorre attraverso il primo canale, iniettare un altro fluido acquoso nel secondo canale di ingresso alla stessa portata per formare un'interfaccia tra i due flussi acquosi. Quindi chiudere la valvola attivandola a tre bar. L'attivazione della valvola durante il flusso doppio modifica l'interfaccia tra i due flussi acquosi.Successivamente, modificare le portate dei fluidi delle due siringhe rispettivamente a 30 microlitri al minuto e a 10 microlitri al minuto, in modo da spostare l'interfaccia tra i due fluidi. Per visualizzare la capacità della valvola di intrappolare le microparticelle, preparare innanzitutto una soluzione acquosa contenente il 10% in peso di microparticelle fluorescenti di polistirene. Introdurre il fluido carico di particelle nei due canali di ingresso a una portata totale di 20 microlitri al minuto.Attendere due minuti fino a quando non si stabilisce un flusso costante. Successivamente, eccitare le microsfere fluorescenti utilizzando una sorgente con una lunghezza d'onda di 488 nanometri per visualizzare al meglio le microsfere. Quando pronto, azionare la valvola a tre bar per chiuderla.Immaginare l'area della valvola per osservare diverse particelle intrappolate al di sotto della valvola e localizzate sulla superficie mentre il flusso viene mantenuto. L'iniezione di gas attraverso i canali nello strato di controllo comprime lo strato fluido verso la superficie. Questo fenomeno può essere utilizzato per deviare i fluidi attorno alla regione controllata dall'attuatore, qui indicata dall'assenza di un colorante rodamina.Questi attuatori pneumatici possono essere utilizzati anche per intrappolare particelle o cellule, come ad esempio queste microparticelle fluorescenti che sono state bloccate sulla superficie del microcanale. Un'altra caratteristica di questo dispositivo è la capacità di intrappolare polimeri di coordinazione generati da NC2 mediante l'attuazione della gabbia pneumatica. In questa configurazione vengono utilizzati due flussi di reagente e una reazione chimica controllata avviene all'interfaccia tra i due liquidi nel flusso laminare.Una volta intrappolati, i polimeri di coordinazione possono essere trattati chimicamente in modo controllato utilizzando le valvole pneumatiche. Se stai guardando questo video, dovresti avere una buona comprensione di come realizzare efficacemente un dispositivo microfluidico a doppio strato, che può essere impiegato per condurre reazioni chimiche controllate su diverse strutture tubolari. Durante l'esecuzione di questa procedura, è fondamentale rispettare il tempo e la temperatura indicati nel presente protocollo.In caso contrario, i vostri sforzi potrebbero portare alla fabbricazione di dispositivi non uniti, difettosi e quindi non funzionali. Dopo il suo sviluppo, questa tecnica apre la strada ai ricercatori nel campo della scienza dei materiali per esplorare vari tipi di trattamenti chimici controllati all'interno di tubi, con elevata precisione, mediante una piattaforma microfluidica a doppio strato.

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