Name: マイクロ流体空気圧ケージ：インチップクリスタルトラッピング、操作のための新しいアプローチと管理化学治療 (動画) | JoVE Journal
Uploaded: 2016-07-12T15:00:00.000+00:00
Duration: 9 min 34 s
Description: 学ぶ マイクロ流体デバイスを用いた結晶性分子材料のトラッピングと化学反応制御。PDMS二層構造で動的条件での精密な化学処理を実現し、材料科学の研究に新たな可能性を提供する。

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

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。

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 &quot;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<ol><li>脱水する10分間200℃に設定したホットプレート上にシリコンウェーハを配置します。 注：シリコンウエハ脱水はより良好な接触を提供し、スピンコート工程の間にSU-8フォトレジストの拡散を確実にします。 </li><li> 3分かけて室温に脱水ウエハをクールダウン。 </li><li>スピンコーターと預金ウェハの中心でSU-8フォトレジスト（基板のインチあたりのSU-8の約1ミリリットル）の4ミリリットルの上にウエハをロードします。 <ol><li>まず、500 revolutiでゆっくりと堆積SU-8を広めます10秒間分（rpm）アドオン。このような回転速度は、SU-8カバレッジがウエハ表面全体にわたって増加されることを保証します。 </li><li>第二に、より高い速度で基板を回転させることによってSU-8の厚さを制御します。現在の実験では、高さ50μmのSU-8の機能を生成するために、30秒間回転数3000rpmの回転速度を使用しています。 </li></ol></li><li>綿で慎重にウェーハのエッジビーズを拭き低回転（典型的には100 rpm）で回転させながら拭いてください。 </li><li> SU-8（ すなわち 、「ソフトベーク」）から残留溶媒を除去するために、15分間95℃のホットプレート上にスピンコートされたウェハを加熱します。 注意：レジスト層内のパターンや「しわ」の存在は、溶媒の除去が不完全を示しています。 </li><li>バックダウン室温に焼いたウエハを冷却し、露光前にウェハとフォトマスクのエマルジョン印刷面にお問い合わせください。 </li><li> UVランプと露光ユニットの電源を入れ、システムが10メートルにわたって安定させで、UV-オプトメータを用いて365 nmでのランプ強度を測定し、（365 nmでの時間=露光エネルギー/強度に応じて）必要な露光時間を推定します。 注：現在の実験における露光エネルギーを250ミリジュール/ cm 2であると計算されました。 </li><li>前のステップで推定時間UV光にスピンコートされたウエハ上のフォトマスクを公開します。ここでは、79.6秒のために公開しています。 </li><li>露光直後に、1分間、続いて95℃で5分間65℃のホットプレート上で露光されたウエハを焼きます。このステップでは、反応は、UV - 光によって開始され、焼成後に完了しました。 </li><li> 3分かけて室温まで冷却するためにポストベークウェハを残します。 </li><li>非架橋SU-8を開発するウェハ上を8分間にわたってSU-8現像液に溶解することによって。非架橋SU-8の完全な除去を確実にするために、2つのステップに処理を分割します。 <ol><li>最初に、再度、5分間現像液にウェハを浸漬非架橋SU-8の大部分を移動させます。 </li><li>その後、残りの非架橋SU-8を溶解する3分間の現像剤の新鮮な溶液中のウエハを浸す（典型的には架橋構造の間に閉じ込められました）。 </li></ol></li><li>イソプロパノールで開発されたウェーハを洗浄し、パターン化された構造を有するウエハ（以下、「マスター型」と呼ばれる）を乾燥させるために放置しました。マスターモールドを洗浄する際に乳白色の残留物を観察すると、開発が不完全であることを示しています。 </li><li> 「ハードベーク」、レジストにおける基板およびアニール潜在的な亀裂に2-5分間200℃のホットプレート上で乾燥させたマスターモールドを加熱します。 </li><li>製造されたマスターモールドを室温まで冷却させます。 </li><li>ヒュームフードの内側（真空ポンプに接続）デシケーター中でマスターモールドを配置します。 </li><li>ガラスビーカーに塩化トリメチルシリル（TMCS）を100μlを入れ、デシケーター内部にこれを配置します。 注意：TMCSは可燃性で、corrosiveと有毒。このように、取り扱い手順は保護手袋、ゴーグルと白衣を身に着けているユーザーと、換気フードの下で実行する必要があります。 </li><li>真空下でデシケーターを入れ、TMCS蒸気がマスタ金型表面上に堆積することを可能にするために少なくとも1時間を待ちます。 </li><li> 1時間後、ゆっくりデシケーターおよび大気に開放内の圧力を平衡化します。 注意：オープンデシケーターの上に直接吸い込まないでください。 </li><li>シラン化されたマスターを削除し、デシケーターを閉じます。 </li></ol>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。 <ol><li>使い捨て計量皿に：（重量で1〜5）と完全にプラスチック製のヘラで混ぜるPDMSエラストマーと硬化剤の混合物を注ぎます。現在の実験では、sが、PDMS層の高さ19,26で約5ミリメートルを形成するためにエラストマーの50グラムと硬化剤の10グラムを使用します。 </li><li>脱気真空下でデシケーター中でよく混合PDMSを置き、15分間閉じ込められた気泡を除去。 </li><li> PDMSエラストマーと硬化剤（20：重量の1）を混ぜ使い捨て計量皿に（ 例えば 、10グラムのエラストマーと0.5グラムの硬化剤）19,26。 </li><li> （現在の実験では、11ミリメートルラウンドポリテトラフルオロエチレン（PTFE）、リング）のフレームにおける「制御層「マスターモールドを修正しました。 </li><li>脱気用真空下でデシケーター中1 PDMS混合物：15分後に、20を配置します。 </li><li>デシケーターから1 PDMS混合物と丸い枠の内側に配置されている「制御層」マスターモールド上にこれを注ぐ：前のステップと同時に、5を取り出します。同様に真空下でデシケーター中にPDMSとマスターモールドを含むフレームを配置します。余剰PDMSを保管してください。 </li><li> 45分（30分後の後にパット）デシケーターに両方のPDMSの混合物をる、デシケーターのうち、両方のPDMSの混合物を取り、5含むフレーム配置：1 PDMS、80℃のオーブン中で「制御層「マスターモールドを。 </li><li> 1 PDMS混合物：同時に、20でコート」を流体層」マスターモールドを回転し始めます。スピンコーティングのための回転速度は、所望の高さに基づいて決定され、そして他の場所27に報告されています。 60分でスピンコーティングを終了し、残留PDMSを維持することを目指しています。 </li><li> 80℃のオーブンに1 PDMS：60分後、20で被覆された「流体層」マスターモールドスピンを置きます。 </li><li> 75分では、オーブンから両方のマスター金型を取ります。 </li><li>ピールオフのみ5：「制御層「マスターモールドから1 PDMSは、ブレードで基板をダイシングし、設計で決定された入口位置での1ミリメートル生検パンチャーで制御層用の穴を開ける。ここでは、制御層は、長さ24 mmであり、幅が24 mmです。 </li><li> R粘着テープを使用して、さいの目に切ったチップからemoveの破片。 </li><li>手動でダイスカットを組み立てると20の上に制御層チップをパンチ：500倍の倍率で実体顕微鏡を用いて、「流体層」マスターモールド（ 図1）上にコーティングされた1 PDMSスピン。 </li><li>厚いPDMS層を作り、それによってエンドで結合流体とコントロール層の除去を容易にするために組み立てられたチップの周り残留PDMSを注ぐと描きます。 </li><li> 80℃のオーブンで2層デバイスを含む「流体層」マスターモールドを置き、一晩保管してください。 </li><li>翌日、オーブンから硬化したアセンブリを取り出し、それを室温まで冷却することを可能にします。 </li><li> 「流体層」マスターモールドからPDMSアセンブリをはがし、ブレード（長さ24ミリメートル、幅24ミリメートル）で作製した二層デバイスをダイシングし、1.5ミリメートル生検パンチャーとパンチ流体インレット/アウトレット。 </li><li> OPEでチップの表面を処理Nチャネルおよびカバーガラス（40ミリメートル×24ミリメートル）コロナ放電と、すぐにそれらを一緒に接着。 1分以上のPDMSスラブとカバーガラスの上にコロナ放電を移動することによって扱います。また、接合を容易にするために、ベンチトッププラズマシステムを使用しています。 </li><li>少なくとも4時間、70〜80℃のオーブンで結合した二層チップを保管してください。 </li></ol> 3.マイクロ流体システムの組立て<ol><li>マイクロ流体デバイスを組み立てた後、ポリテトラフルオロエチレン（PTFE）チューブ（1.3ミリメートルID）を用いて、流体リザーバ（シリンジ）へのチップの流体層の入口を接続します。 </li><li> 1.6mmで外径を有するシリコーンゴムチューブと金属コネクタを使用して制御層入口の圧力供給源を接続します。 </li><li>開いて、手動で操作された圧力源を用いて、3バールで加圧された空気を適用することにより、バルブを閉じます。コンピュータ制御のシリンジポンプのシリーズを使用して、チャンネルへの供給流体。 </li><li>倒立顕微鏡に搭載された高解像度カメラでバルブの作動とデバイスの動作を可視化します。 63X倍率に5Xを使用してください。 </li></ol>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×25​​0ミクロン）のシリーズがあります。 <ol><li>セットアップは、シリンジポンプと空気圧制御システムに接続された後、20μL/分の流速で入口チャネルのうちの1つを介して水性染料の流れを導入します。 </li><li> 3バーでそれを作動させることにより、バルブを閉じます。 </li><li>流体は依然としてバルブの周りを流れることがあるので注意してください。この機能は、トラップされた構造体18,25の制御された化学処理を達成するのに重要です&lt;/ SUP&gt;。 </li><li>圧力を解放することによってバルブを開きます。 </li><li>色素溶液は、最初のチャネルを通って流れる間、20μL/分での第2の入口チャネルに別の水性流体を注入します。 2水性の流れとの間のインタフェースを伴うマイクロ流体デバイス内に存在する層流領域に形成さ​​れています。 </li><li> 3バーでそれを作動させることにより、バルブを閉じます。この場合、バルブの作動は、二つの水の流れのインターフェースを変更します。 CP（ 下記参照 ）18,28の形成中に合成経路を変更するために使用することができる結果。 </li><li> 30μL/分および10μL/ minに流体の流量を変更し、二つの流体の間に生成されたインターフェイスの案内下方または上方シフトを観察します。 </li></ol>微粒子の5.ローカライゼーション<ol><li>シリンジポンプと空気圧制御システムに製造された二層のチップを接続します。 </li><li> 10重量％のポリスチレンを含有する水溶液を調製蛍光粒子（それぞれ直径5ミクロン、468 nmおよび508 nmでの励起および発光最大、）。 </li><li> 488ナノメートルの波長で動作するレーザー励起源を使用してください。 </li><li> 20μL/分の総流量で、2つの入口チャネルに粒子を含んだ流体を導入。 </li><li>安定した流れが確立されるまで2分間待ちます。 </li><li>それを閉じるには、3バーでバルブを作動させます。いくつかの粒子は、弁の下に閉じ込められ、流れが維持されている間、表面にローカライズされます。 </li></ol> 6.ジェネレーション・調整ポリマーの制御された還元（CP） <ol><li>硝酸銀（AgNO 3を）の2.5 mMの水溶液を準備します。 </li><li>システインの2.5 mMの水溶液（システイン）を準備します。 </li><li>エタノール18で飽和アスコルビン酸溶液を準備します。 </li><li>の流量でそれぞれ同一の二層チップを使用して、2つの入口チャネルに（入口ごとに試薬）を2つの試薬を注入します50μL/分。 </li><li> 2人の共同流れる水蒸気の界面での銀およびシステイン（銀（I）のCys）のCPの形成を観察します。 </li><li>アクチュエイトトラップへの3バーに形成されたAg（I）バルブの下のCysのCPのバルブ。 </li><li>合成プロセスの間に使用される余分な試薬を洗い流すことを50μl/分の流速で入口チャネルに蒸留水をフラッシュします。 </li><li>圧力を解放し、バルブを開きます。生成されたCPはストップフロー条件の下でバルブの下に残ります。 </li><li>捕捉されたAg（I）のCysのCPの制御された化学的還元を行うために、1バールバルブ圧力を解放/分10μlの流速にて、エタノール中の飽和アスコルビン酸溶液を洗い流します。 </li><li>アスコルビン酸18により金属銀（Ag（0））へのAg（I）の減少に起因する明確な色の変化を観察します。 </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>

著者らは開示するものは何もない。

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。

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。

<table><tbody><tr><td>高解像度フィルムマスクマイクロ</td><td>リソ、英国</td><td>-</td><td>5 &#956までの機能。m</td></tr><tr><td>SU8フォトレジスト</td><td>MicroChem Corp., USA</td><td>SU8-3050-Silicon</td><td></td></tr> <tr><td>wafers</td><td>Silicon Materials Inc., Germany</td><td>4" Silicon Wafers</td><td>表面:ポリッシュ仕上げ, 裏面:エッチング</td></tr><tr><td>シリコンエラストマーKIT(PDMS)</td><td>Dow Corning, USA</td><td>Sylgard&reg; 184-Spinner</td><td></td></tr> <tr><td></td><td>Suiss MicroTech, Germany</td><td>Delta 80 spinner</td><td>-</td></tr><tr><td>UVオプトメーター</td><td>Gigahertz-Optik Inc., USA</td><td>X1-1-Mask</td><td></td></tr> <tr><td>Aligner</td><td>Suiss MicroTech, Germany</td><td>Karl Suss MA/BA6&nbsp;</td><td>-</td></tr><tr><td>SU8現像液</td><td>Micro resist technology GmbH ドイツ</td><td>mr-Dev 600</td><td>-</td></tr><tr><td>トリメチルシリルクロリド&nbsp;</td><td>Sigma-Aldrich, Switzerland</td><td>386529</td><td>&ge;97%、注意:ヒュームフードの下でのみ取り扱ってください。</td></tr><tr><td>生検パンチャー</td><td>Miltex GmBH, ドイツ</td><td>33-31AA-P/25</td><td>1 mm</td></tr><tr><td>生検パンチャー</td><td>Miltex GmBH, ドイツ</td><td>33-31A-P/25</td><td>1.5 mm</td></tr><tr><td>ガラスカバースリップ</td><td>Menzel-Glaser, ドイツ</td><td>BB024040SC</td><td>24 mm &times; 60 mm, #5</td></tr><tr><td>Laboratory Corona Treater</td><td>Electro-Technic Products, USA</td><td>BD-20ACV&nbsp;</td><td>-</td></tr><tr><td>PTFEチューブ</td><td>PKM SA、スイス</td><td>AWG-TFS-XXX</td><td>AWG 20TFS、100のロール&nbsp;m</td></tr><tr><td>シリコーン ゴム</td><td>チューブ Hi-Tek Products, UK-1</td><td></td> <td>mm I.D.</td></tr><tr><td>neMESYSシリンジポンプ</td><td>Cetoni GmbH、ドイツ</td><td>低圧(290N)</td><td>-</td></tr><tr><td>高解像度カメラ</td><td>ツァイス、ドイツ</td><td>Axiocam MRc 5</td><td>-</td></tr><tr><td>蛍光倒立顕微鏡</td><td>ツァイス、ドイツ</td><td>Axio Observer A1</td><td>2つの波長、つまり、350nmおよび488nmで動作可能</td></tr><tr><td>緑色ポリスチレン蛍光粒子</td> フィ<td>ッシャーサイエンティフィック、スイス</td><td>11523363</td><td>サイズ:5.0&#956;m、固形分:1%</td></tr><tr><td>硝酸銀(AgNO3)</td><td>Sigma-Aldrich、スイス</td><td>209139</td><td>&ge;99.0%</td></tr><tr><td>L-システイン (Cys)</td><td>Sigma-Aldrich, スイス</td><td>W326305</td><td>&ge;97.0%</td></tr><tr><td>使い捨て計量皿</td><td>シグマアルドリッチ、スイス</td><td>Z154881</td><td>L &times;W&タイムズ;H : 86&nbsp;mm &times;86&nbsp;mm &times;25&nbsp;mm</td></tr>使い捨て<tr><td>計量皿</td><td>シグマアルドリッチ、スイス</td><td>Z708593</td><td>六角形、サイズXL</td></tr><tr><td>プラスチックヘラ</td><td>セマドゥーニ、スイス</td><td>3340</td><td>L&times;W : 135 mm x 14 mm</td></tr><tr><td>Dye, Bemacron ROT E-G</td><td>Bezema, Switzerland</td><td>BZ 911.231</td><td>Red</td></tr><tr><td>Stereomicroscope</td><td>Wild Heerbrugg, Switzerland</td><td>Wild M8</td><td>500x magnification</td></tr><tr><td>使い捨てメス</td><td>B. Braun, Switzerland</td><td>233-5320</td><td>Nr. 20</td></tr><tr><td>L-Ascorbic acid</td><td>Sigma-Aldrich, Switzerland</td><td>A4403</td><td>-</td></tr></tbody></table>

マイクロ流体空気圧ケージ：インチップクリスタルトラッピング、操作のための新しいアプローチと管理化学治療

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

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。

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。 <img alt="図1" src="/files/ftp_upload/54193/54193fig1.jpg" /> 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。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/54193/54193fig1large.jpg" target="_blank">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。</a> 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） 。 <img alt="図2" src="/files/ftp_upload/54193/54193fig2.jpg" /> 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、 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/54193/54193fig2large.jpg" target="_blank">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。</a> 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。 <img alt="図3" src="/files/ftp_upload/54193/54193fig3.jpg" /> 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。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/54193/54193fig3large.jpg" target="_blank">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。</a>

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。

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

このアプローチの全体的な目的は、結晶性分子材料のトラップ、配位経路の誘導、およびチップ上のトラップ構造における化学反応の制御に対する本デバイスの可能性を実証することです。この手法は、自己組織化構造の特性に対する制御された化学処理の影響など、材料科学分野における重要な課題の解決に寄与します。また、動的条件下で制御された化学処理を可能にする技術は現在非常に限られており、そのため本アプローチは材料関連分野において非常に魅力的であると言えます。まず、SU8フォトリソグラフィーを用いてシラン化されたマスターモールドを準備します。汚染粒子は時間と温度の両方に非常に敏感です。記載された時間枠および温度に従わなかった場合、非接合で機能しないデバイスが作製される可能性があります。使い捨て量量皿にエラストマー50gと硬化剤10gを合わせ、PDMS混合液を調製します。プラスチック製スパチュラを用いて、成分を完全に混合してください。次に、十分に混合したPDMSを真空デシケーター内に15分間置き、混合液を脱気して内部の気泡を除去します。最初のバッチのPDMSを脱気させている間に、エラストマー10 gと硬化剤0.5 gを用いて2番目のバッチを混合します。次に、コントロール層を含むマスターモールドを直径11 mmの円形PTFEフレームに固定します。PDMSの5:1混合液の脱気が完了したら、真空チャンバーから取り出します。次に、PDMSの5:1混合液を、PTFEフレームの垂直壁の高さまでコントロール層のマスターモールドに注ぎます。その後、デシケーターに入れます。同時に、PDMSの20:1混合液もデシケーターに入れ、再び真空引きを行います。コーティング済みのマスターモールドと、20:1の比率で混合したPDMSの両方を、さらに30分間脱気します。その後、両方をデシケーターから取り出し、コントロール層のマスターモールドを80 °Cに予熱したオーブンに入れます。コントロール層を焼成している間に、流路層用のマスターモールドをスピンコーターに設置します。流体層用のマスターモールド上に、20:1に混合したPDMSを約4 milliliters注ぎ、1200 rpmsで40秒間スピンコートして、厚さ60 micrometersの層を形成します。経過時間が合計1時間後、オーブンを開け、スピンコートしたウェハーをコントロール層の隣に配置し、80 degrees Celsiusでさらに15分間同時にベイクします。その後、経過時間が合計75分後になったら、両方のウェハーをオーブンから取り出します。まず、コントロール層用にPDMSの5:1混合物を剥がします。カミソリを用いてチップを切り出します。次に、1 mmのバイオプシーパンチを使用して、インレット用の穴を開けます。次に、粘着テープを使用して、ダイシング済みのコントロール層チップから不純物を除去します。チップがきれいになったら、実体顕微鏡を用いて、コントロール層チップを流体層マスターモールドの上に配置して合わせます。その後、組み立てたチップの周囲に、残りのPDMSを流し込み、吸い出します。そして、セットアップ全体を80 °Cのオーブンに入れます。組み立てたデバイスを一晩焼成します。翌日、硬化したアセンブリをオーブンから取り出し、室温まで冷却させます。次に、流体層マスターモールドからPDMSアセンブリを剥がします。マスターモールドから剥がした後、作製した二層デバイスをブレードでダイシングし、1.5 mmのバイオプシーパンチを用いて流体入口および出口を形成します。次に、ガラスカバースリップと組み立てたデバイスの流体層に1分間コロナ放電処理を行うか、または酸素プラズマ処理を行い、直ちに2つの表面を接合してマイクロ流体デバイスを完成させます。接合した2層構造のチップを、70〜80°Cのオーブンで少なくとも4時間焼成します。シリンジポンプとニューマチックコントローラーを用いて流路制御を行うため、まず、あらかじめ試料を充填してシリンジポンプにセットしたシリンジをマイクロ流体デバイスの流体入口に接続し、ニューマチックコントローラーシステムをマイクロ流体デバイスの制御入口に接続します。流れを可視化するために、シリンジの一つに水性染料を充填し、20 µL/minの流速でチャンバー内に流します。次に、空気圧コントローラーシステムを用いて、3 barで駆動させてバルブを閉じます。バルブを閉じた後も、流体がバルブの周囲を流動し得ることに注意してください。この特性は、配位ポリマーなどのトラップされた構造に対して、制御された化学処理を行うために重要です。バルブを開くには、コントローラーシステムを使用して圧力を解除します。ダイ溶液が最初のチャネルを流れている間に、別の水相液体を2番目の入口チャネルに同じ流量で注入し、2つの水相の流れの間に界面を形成させます。その後、3 barでバルブを作動させて閉じます。デュアルフロー中にバルブを作動させることで、2つの水相の流れの界面が変化します。次に、2つの流体の界面を移動させるため、2本のシリンジの流速をそれぞれ30 microliters per minuteと10 microliters per minuteに変更します。バルブのマイクロ粒子トラップ能を可視化するために、まず重量比10%のポリスチレン蛍光マイクロ粒子を含む水溶液を調製します。この粒子含有流体を、合計流速20 microliters per minuteで2つの入口チャネルに導入します。安定した流れが形成されるまで2分間待ちます。次に、ビーズを最適に観察するため、波長488 nanometersの光源を用いて蛍光ビーズを励起させます。準備ができたら、バルブに3 barの圧力をかけて閉じます。流動を維持した状態でバルブ領域をイメージングし、バルブの下および表面に局在してトラップされた複数の粒子を確認します。コントロール層のチャネルを通じてガスを注入すると、流体層が表面に向かって圧縮されます。これにより、ここでのローダミン色素の不在で示されるアクチュエータ制御領域の周囲に流体を偏向させることができます。これらの空気圧アクチュエータは、マイクロチャネル表面にトラップされたこれらの蛍光マイクロパーティクルのように、粒子や細胞をトラップするためにも使用できます。このデバイスのもう一つの特徴は、空気圧ケージを作動させることで、NC2で生成された配位ポリマーをトラップできることです。このセットアップでは2つの試薬流が使用され、層流における2つの液体の界面で制御された化学反応が行われます。捕捉された配位ポリマーは、空気圧バルブを用いることで、制御された手法で化学的処理を行うことができます。このビデオを視聴されている方は、チューブ上の様々な構造に対して制御された化学反応を行うために使用できる、二層構造のマイクロ流体デバイスの効果的な作製方法を十分に理解しているはずです。この手順を試みる際は、本プロトコルに記載されている時間枠および温度を厳守することが重要です。さもなければ、接合されていない、あるいは欠陥のある非機能的なデバイスが作製される可能性があります。本手法の開発により、材料科学分野の研究者が、二層マイクロフルイディクスプラットフォームを用いて、チューブ内でのさまざまな化学的処理を高精度に探索することが可能となりました。

microfluidic-pneumatic-cages-novel-approach-for-chip-crystal-trapping

Research

JoVE Journal

Chemistry

化学

我々は、エラストマーポリジメチルシロキサン（PDMS）ベースのフォトリソグラフィにより定義された正確なボリュームを閉じて、特色にする余分なエネルギーを必要としないマイクロバルブの配列を製造し、自動化するためのプロトコルを示す。並列subnanoliter...

エラストマーのマイクロバルブの配列で制御マイクロ流体チップ

この記事では、流体力学的流れに基づいて粒子の閉じ込めのためのマイクロ流体ベースの手法を提案する。我々はそれによって統合されたマイクロデバイスの任意の粒子の閉じ込めとマイクロマニピュレーションを可能にする、フィードバック制御のメカニズムを使用して流体よどみ点での安定した粒子のトラッピングを示しています。...

単一粒子のためのマイクロ流体ベースの流体力学的トラップ

この記事では、単一細胞解析のためのマイクロ流体チップを提示する。これは、蛍光アッセイまたはイムノアッセイによって細胞内タンパク質、酵素、補因子、およびセカンドメッセンジャーの定量化を可能にする。...

単一細胞の多彩な化学分析マイクロ流体チップ

ミリ流体デバイスは、ナノ材料、反応機構および連続流触媒の時間分解解析の制御された合成のために利用される。...

化学合成時間分解機構の研究のためのMillifluidics

我々は、順次、オンチップバイオ直交環化学と抗体抗原取り込みを使用して、低分子の急速な可逆固定化および表面プラズモン共鳴（SPR）の研究のための官能化ナノ粒子集合体のための手法を提案する。...

可逆小分子またはバイオセンサー応用のためのマルチコンポーネント構造を固定化するために、マイクロ流体オンチップキャプチャ - 環化反応

このプロトコルは、マイクロ流体デバイスを使用して自動化された小容量(0.15–1.5...

マイクロ流体精密小容量サンプル処理のためのプラットフォームとアコースティックマイクロデバイスで区切り生物学的粒子サイズのためのその使用

このプロトコルでは、作製し、室温での x...

シリアル結晶の結晶 x 線回折その場その場での動的光散乱のためのマイクロ流体チップ

本論文では、透析法とX線回折実験を用いて、オンチップタンパク質結晶化のために開発されたマイクロ流体チップの製造プロトコルについて詳しく述べる。微細加工プロセスにより、半透膜再生可能なセルロース透析膜を、チップの2層間の任意の分子量カットオフと統合することが可能になります。...

In Situ X線回折研究のためのマイクロダイアルシスによるチップ上のタンパク質の結晶化

本プロトコルは、効率的な微粒子濃縮に使用できる空気圧マイクロ流体プラットフォームを記述している。...

微粒子濃度のための空気圧駆動マイクロ流体プラットフォーム

マイクロフルイディクスは、診断テストを開発するための強力なツールです。ただし、高価な機器と材料、および面倒な製造と取り扱い技術がしばしば必要とされます。ここでは、低コストで使いやすい設定での磁気マイクロおよびナノ粒子ベースのイムノアッセイ用のアクリルマイクロ流体デバイスの製造プロトコルについて詳しく説明します。...

磁気ナノ粒子を用いたイムノアッセイのための千鳥制限を有するマイクロ流体アクリルデバイスのコンピュータ数値制御マイクロミリング

本プロトコルは、マイクロ流体デバイスにおける微視的な氷結晶および包接水和物の結晶化を記述し、形成された結晶の周りの液体交換を可能にする。これにより、阻害剤の結晶化プロセスと結合メカニズムを調べるための比類のない可能性がもたらされます。...

氷およびクラスレート水和物結晶化の研究のためのマイクロ流体アプローチ

学ぶ マイクロ流体デバイスを用いた結晶性分子材料のトラッピングと化学反応制御。PDMS二層構造で動的条件での精密な化学処理を実現し、材料科学の研究に新たな可能性を提供する。

マイクロ流体空気圧ケージ：インチップクリスタルトラッピング、操作のための新しいアプローチと管理化学治療

さらに動画を探す