ここでは、ポリジメチルシロキサン(PDMS)で作られた二重層マイクロ流体システムの製造と操作について説明します。このデバイスのトラップ、結晶性分子材料の配位経路の誘導、およびオンチップトラップ構造への化学反応の制御の可能性を実証します。
ここでは、ポリジメチルシロキサン(PDMS)で作られた二重層マイクロ流体システムの製造と操作について説明します。このデバイスのトラップ、結晶性分子材料の配位経路の誘導、およびオンチップトラップ構造への化学反応の制御の可能性を実証します。
表面上の構造の正確な局在化と制御された化学処理は、一般的な実験室技術にとって重要な課題です。本稿では、マイクロ流体チャネル表面上にin situおよびex situ合成された構造をトラップし、局在化できる二重層マイクロ流体デバイスを用いたマイクロ流体工学に基づく技術を紹介する。重要なのは、このようなデバイスを使用して、オンチップのトラップ構造に制御された化学反応を行う方法を示し、結晶性分子材料の合成経路とそのマイクロ流体チャネル内の位置をこの技術で正確に変更する方法を示すことです。このアプローチは、表面上の構造の制御された組み立てとその後の処理のための新しい機会を提供します。
分子材料が長いため、このような分子エレクトロニクス、光学、センサー1-4のような分野での応用の彼らの幅広い多数の科学界で研究されてきました。これらの中で、有機導体があるため、フレキシブルディスプレイと統合された機能素子5,6におけるその中心的な役割の分子材料の特に刺激的なクラスです。しかし、分子系材料の電子電荷輸送を可能にするために使用される方法は、電荷移動錯体(のCTC)と電荷輸送塩(CTSS)7-10の形成に制限されます。頻繁に、CTCのとCTSSは、電気化学的方法によって、または直接的な化学酸化還元反応によって生成されます。多機能性が考えられるより複雑なアーキテクチャにドナーまたはアクセプター部分の制御された形質転換を妨げるプロセス。分子ベースの制御可能な生成と操作のための新たな体系的な方法のため、解明D材料は、材料科学や分子工学の分野における重要な課題のままで、成功した場合は、間違いなく新しい機能や新規技術的応用につながります。
この文脈では、マイクロ流体技術が最近による合成プロセス11,12の間の熱および質量移動、ならびに試薬の反応拡散量を制御する能力に分子系材料を合成するために使用されてきました。混合は、拡散のみ13-16を通して起こる流路内部よく制御された反応ゾーンの形成をもたらす達成することができる2つ以上の試薬 の流れとの間の安定したインターフェース、連続フローで、低レイノルズ数で、単に置きます。確かに、我々は以前に、このようなマイクロ流体チャネル17内の配位高分子(CPS)などの結晶性分子材料の合成経路をローカライズする層流を採用しています。この方法論は、グラムを示しているが、小説CPナノ構造を実現するためのreat約束、表面へのこのような構造の直接統合だけでなく、制御された化学処理、それらの形成は、その場 18 で実現するためにまだ持っていた後。この制限を克服するために、我々は最近、二層マイクロ流体デバイスに組み込まれたマイクロ流体空気圧ケージ(または弁)の作動は、有利には、この点で使用することができることを示しています。クエイクのグループ19の先駆的研究以来、マイクロ流体空気弁は、しばしば単一細胞捕捉および隔離20、酵素活性の調査21、小さな流体体積22のトラッピング、面23および蛋白質結晶24上の機能性材料のローカライズのために使用されています。しかし、我々は二層マイクロ流体デバイスは、トラップに使用することができることを示している、構成要素を読み出して表面18上に局在し、 その場で形成された構造に統合します。さらに、我々はまた、「マイクロ流体の補助配位子交換」18と有機結晶18,25の制御された化学的ドーピングの両方を可能にする、そのような技術は、トラップされた構造に制御された化学処理を行うために使用され得ることを実証しました。両方の場合において、CTCのは、制御されたマイクロ流体条件下で合成することができ、最新の研究では、多機能性は、同じ材料片で説明することができます。ここで、我々は、マイクロ流体チャネルの表面に配位CPの経路だけでなく、その局在を生成し、制御し、色素を含んだ流れを採用し、これらの二層マイクロ流体デバイスの性能を発揮し、最終的にはオンチップ上に制御された化学療法を評価します捕獲された構造。
注:二層マイクロ流体デバイスの2つの層は、描画ソフトを使用して設計例えば 、AutoCADと5ミクロンの特徴の精度限界で、高解像度の膜マスクを形成するために印刷されています。マスター金型は構造高さが50μmの生産を可能にする、4 "シリコンウエハ上にSU-8リソグラフィによって作成されます。
SU-8フォトリソグラフィ技術を用い1.マスタ金型製作
ダブルレイヤーマイクロ流体デバイスの2製作
注:このプロトコルは、時間と温度に特に敏感です。故障は、時間枠に追従し、温度が結合非ので、非機能性デバイスの製造をもたらし得ます。
3.マイクロ流体システムの組立て
空気圧ケージ作動によって層流レジームの4マニピュレーション
注:流体層の幅が広いメインチャンネル300μmの、幅150μmである2つの入口合流流路で構成されています。そして、制御層は、メイン流体チャネルの上に配置されている同一の長方形のバルブ(200ミクロン×250ミクロン)のシリーズがあります。
微粒子の5.ローカライゼーション
6.ジェネレーション・調整ポリマーの制御された還元(CP)
図1に示すように、二層マイクロ流体デバイスは、PDMSに構成される結合した2つのマイクロ流体チップで構成され、表面に結合同時に、第一の層は、第2の層一方、流体(液体層)を流すために使用され、直接第PDMS層に結合され、ガス(制御層)を流すために使用されます。

図1.ダブルレイヤーマイクロ流体デバイス。(A)模式図と、私たちの調査で使用される二層マイクロ流体デバイスの(B)顕微鏡写真。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。
のチャネルを通るガスの注入制御層は、マイクロ流体チャネルの表面上の構造の捕獲や局在化を可能に、表面に向かって流体層( 図2Aおよび図2B)を圧搾します。 PDMS膜の作動は、空気圧制御装置によって制御される空気圧ケージ及び/又はマイクロバルブを生成するために使用することができます。膜作動の模範モデルとして、我々は流体層の完全なたわみは、その作動( 図2C)とマイクロチャネル表面上の蛍光微小粒子の捕獲後のバルブの下に循環させるために、色素を含んだ流れを回避する方法を示します( 図2Dおよび2E) 。

構造図2.膜作動およびトラップ。(A)側と(B)の二層マイクロ流体デバイスがあることを示す上面図のイラストフォア(上)と空気弁の(下)作動後。 (C)二層マイクロ流体デバイスの顕微鏡写真(上)前と流体層(下)の圧搾後。下のパネルでは、流体層は、膜作動のよりよい知覚ローダミン染料の水溶液で満たされています。 (上)の前に、ポリスチレン蛍光粒子(10重量%)を含む流れる水溶液とバルブの(下)作動後(D)の二層マイクロ流体デバイスの明視野顕微鏡写真。 (E)Dに示す光学顕微鏡像の蛍光画像は、 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。
図3Aは、 その場で actuatを介して二層マイクロ流体デバイス内部でのCPを生成するトラップを示しています空気圧ケージのイオン。新しいコーディネート経路は、第一の弁の作動後に生成されていることに注意してください。弁の作動は、二つの試薬 の流れの界面で発生したAg(I)のCys CPの捕捉を確実にし、新たな調整経路( 図3A)の形成を促進します。 2試薬の流れの界面に発生する銀(I)のCys CPの詳細な化学的特徴付けは、以前の研究17,18で見つけることができます。余剰の除去は純水( 図3B)の流量で溶液を試薬後加え、そして、エタノール中の飽和アスコルビン酸溶液は、オンチップの捕捉された構造( 図3C)の制御された化学的還元のためのマイクロ流体チャネルに加えることができます。 1バールの3つのバーからバルブの圧力を減らすことは、クランプエリア18の下に閉じ込められたAg(I)のCys CPの制御された化学処理を優先する。暗褐色に閉じ込められたAg(I)のCysのCPの色の変化があります以前の観察18,29と一致して、金属の一価銀の削減にttributed。

図3.銀のトラッピング(I)のCysのCPおよび制御された化学還元。新しいコーディネート経路のin situ合成したAg(I)のCys CPと世代の捕獲を示す(A)光学顕微鏡画像。 (B)の水の流れに余剰試薬溶液を除去した後のクランプエリアの下に閉じ込められたのCPの顕微鏡写真、およびに(C)、還元反応処理後の同じマイクロバルブの顕微鏡写真。 の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。この図。
報告されたアプローチは、流体閉じ込めなどの他の用途に備えるために、さまざまなバルブ形状を製造するために簡単に変更できます。実際、このプロトコルの柔軟性により、最下層の厚さ、ひいてはPDMS膜の厚さを数十ミクロンから数百ミクロンに変更して、関心のあるアプリケーションを満たすこともできます。さらに、デバイスの各層の構造の寸法は、目的の用途に合わせて最適化でき、フォトレジストを異なる速度で回転させることで、マスターモールド上のさまざまな高さの構造を簡単に実現できます。フォトレジストを高速で回転させると、構造が薄くなります。
プロトコルをより適切に実装するには、マスター金型を製造するためのクリーンルーム環境が実質的に不可欠です。そうしないと、製造手順によりマスター金型に欠陥が生じ、マイクロ流体デバイスが使用できなくなります。このプロトコルでは、i)80°Cに調整する必要があるオーブンの一定温度と、ii)正確に遵守する必要があるプロセス間のプログラムされた期間という2つの重要な側面を強調する必要があります。プロトコルの温度と時間枠を変更すると、チップが結合されず、デバイスが機能しなくなる可能性があります。
マイクロ流体システムで通常遭遇する「乱流のない」条件は、単層マイクロ流体チップ31の内部および外部の微細構造または分子材料の生成に最近採用されている。二層マイクロ流体チップでは、層流領域、したがって、連続共流間に生成される界面は、空気圧ケージ18,28を使用して操作できます。これらのデバイスはまた、合成経路の効果的な制御を提供し、それが表面18への正確な局在化と捕捉につながります。
前述のように、二層マイクロ流体チップにおける空気圧作動は、細胞捕獲20、酵素活性研究21 、タンパク質結晶化24などのさまざまな用途に以前に採用されてきました。しかしながら、報告されたアプローチの主な目的は、結晶性分子材料の配位経路をトラップして指示し、オンチップにトラップされた構造18,25への化学反応を制御するために使用されるプラットフォームを提案することです。
説明されている方法は、異方性構造のトラップを可能にするだけでなく、粒子を表面に局在させるために使用できます。今後の研究は、生物学、材料科学、センサー技術へのさらなる応用のための新しいバルブ形状の設計に効果的に向けることができます。さまざまなバルブ形状、チャネルの高さと膜の厚さの変更を組み合わせて、拡散混合に基づく化学研究や材料成長の局在化など、特定の用途を満たすことができます。
記載されたマイクロ流体プラットフォームのさらなる応用は、結晶の制御された化学的ドーピングであり、これは結晶構造における界面の合理化された形成につながる可能性があります19。このアプローチは、オンチップトラップ構造の幅広い後処理も提供します。材料工学の新たな地平を切り開く方法論。
動的条件下で結晶性物質に制御された化学反応を可能にする技術の数は、現在非常に限られているため、このアプローチは材料関連分野で非常に魅力的であることを強調することが重要です。ただし、このテクノロジーの主な制限は、PDMSの使用です。PDMSエラストマーは多くの有機溶媒と互換性がないため、これらのマイクロ流体チップ内で実行できる反応の数が制限されます。今後、この研究分野を他の材料や化学に拡大するためには、より多くの有機溶媒に耐性があり、安定している他のエラストマーの開発が強く求められています。
著者らは開示するものは何もない。
著者は、プロジェクト番号200021_160174を通じてスイス国立科学財団(SNF)からの財政的支援に感謝したいと思います。
| 名前 | 会社 | カタログ番号 | コメント |
|---|---|---|---|
| 高解像度フィルムマスクマイクロ | リソ、英国 | - | 5 μまでの機能。m |
| SU8フォトレジスト | MicroChem Corp., USA | SU8-3050-Silicon | |
| wafers | Silicon Materials Inc., Germany | 4" Silicon Wafers | 表面:ポリッシュ仕上げ, 裏面:エッチング |
| シリコンエラストマーKIT(PDMS) | Dow Corning, USA | Sylgard® 184-Spinner | |
| Suiss MicroTech, Germany | Delta 80 spinner | - | |
| UVオプトメーター | Gigahertz-Optik Inc., USA | X1-1-Mask | |
| Aligner | Suiss MicroTech, Germany | Karl Suss MA/BA6 | - |
| SU8現像液 | Micro resist technology GmbH ドイツ | mr-Dev 600 | - |
| トリメチルシリルクロリド | Sigma-Aldrich, Switzerland | 386529 | ≥97%、注意:ヒュームフードの下でのみ取り扱ってください。 |
| 生検パンチャー | Miltex GmBH, ドイツ | 33-31AA-P/25 | 1 mm |
| 生検パンチャー | Miltex GmBH, ドイツ | 33-31A-P/25 | 1.5 mm |
| ガラスカバースリップ | Menzel-Glaser, ドイツ | BB024040SC | 24 mm × 60 mm, #5 |
| Laboratory Corona Treater | Electro-Technic Products, USA | BD-20ACV | - |
| PTFEチューブ | PKM SA、スイス | AWG-TFS-XXX | AWG 20TFS、100のロール m |
| シリコーン ゴム | チューブ Hi-Tek Products, UK-1 | mm I.D. | |
| neMESYSシリンジポンプ | Cetoni GmbH、ドイツ | 低圧(290N) | - |
| 高解像度カメラ | ツァイス、ドイツ | Axiocam MRc 5 | - |
| 蛍光倒立顕微鏡 | ツァイス、ドイツ | Axio Observer A1 | 2つの波長、つまり、350nmおよび488nmで動作可能 |
| 緑色ポリスチレン蛍光粒子 | ッシャーサイエンティフィック、スイス | 11523363 | サイズ:5.0μm、固形分:1% |
| 硝酸銀(AgNO3) | Sigma-Aldrich、スイス | 209139 | ≥99.0% |
| L-システイン (Cys) | Sigma-Aldrich, スイス | W326305 | ≥97.0% |
| 使い捨て計量皿 | シグマアルドリッチ、スイス | Z154881 | L ×W&タイムズ;H : 86 mm ×86 mm ×25 mm |
| 計量皿 | シグマアルドリッチ、スイス | Z708593 | 六角形、サイズXL |
| プラスチックヘラ | セマドゥーニ、スイス | 3340 | L×W : 135 mm x 14 mm |
| Dye, Bemacron ROT E-G | Bezema, Switzerland | BZ 911.231 | Red |
| Stereomicroscope | Wild Heerbrugg, Switzerland | Wild M8 | 500x magnification |
| 使い捨てメス | B. Braun, Switzerland | 233-5320 | Nr. 20 |
| L-Ascorbic acid | Sigma-Aldrich, Switzerland | A4403 | - |