Name: 미세 유체 압축 공기를 넣은 케이지 : A의 칩 크리스탈 트래핑, 조작에 대한 새로운 접근 방식 및 제어 화학 처리 (동영상) | JoVE Journal
Uploaded: 2016-07-12T15:00:00.000+00:00
Duration: 9 min 34 s
Description: 배우세요 이중층 PDMS 마이크로유체 장치를 사용하여 결정 분자 재료를 트래핑하고 화학 반응을 제어하는 방법을. 이 기술은 재료 과학 분야에서 동적 조건 하의 정밀 화학 처리 연구에 활용됩니다.

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저자는 프로젝트 번호 200021_160174를 통해 스위스 국립 과학 재단(SNF)의 재정적 지원에 감사드립니다.

주 : 이중층 미세 유체 소자의 두 개의 층은 5 ㎛의 형상 정밀도를 제한하여, 드로잉 소프트웨어를 사용 예 AutoCAD의 설계 및 고해상도 필름 마스크를 형성하기 위해 출력된다. 마스터 몰드는 구조물 높이가 50 μm의 생산을 허용, 4 &quot;실리콘 웨이퍼에 SU-8 리소그래피에 의해 만들어집니다. SU-8 포토 리소그래피를 사용하여 1. 마스터 금형 제작 <ol><li> 탈수 10 분 동안 200 ℃로 설정된 핫 플레이트상에서 실리콘 웨이퍼를 배치했다. 참고 : 실리콘 웨이퍼 탈수 더 나은 접촉을 제공하고, 스핀 코팅 공정 중에 SU-8 포토 레지스트의 확산 보장한다. </li><li> 3 분에 걸쳐 실온까지 탈수 웨이퍼를 쿨. </li><li> 스핀 코터와 입금 SU-8 포토 레지스트 4 ㎖ (약 1 mL의 SU-8 기판 per inch)의 웨이퍼의 중심에 웨이퍼를 적재. <ol><li> 첫째, 500 revoluti에 증착 된 SU-8 서서히 확산10 초 동안 분 (RPM) 당 기능. 이러한 회전 속도는 SU-8에 따르면 전체 웨이퍼 표면에 걸쳐 증가되는 것을 보장한다. </li><li> 둘째, 더 높은 속도로 상기 기판을 회전하여 SU-8의 두께를 제어한다. 현재 실험에서, SU-8은 50 μm의 높은 기능을 생성하기 위해 30 초 동안 3,000 rpm의 회전 속도를 사용합니다. </li></ol></li><li> 낮은 회전 수 (일반적으로 100 RPM)에서 회전하는 동안주의 깊게면으로 닦아 웨이퍼의 에지 비드를 닦습니다. </li><li> 15 분은 SU-8 (즉, &quot;소프트 베이킹&quot;)에서 잔류 용매를 제거하기 위해 95 ℃의 핫 플레이트상에서 스핀 - 코팅 된 웨이퍼를 가열한다. 주 : 레지스트 층의 패턴 또는 &quot;주름&quot;의 존재는 용매의 불완전한 제거를 나타낸다. </li><li> 다시 아래로 실온에 구운 웨이퍼를 냉각 및 노출하기 전에 웨이퍼와 포토 마스크의 유화 인쇄 된면에 문의하십시오. </li><li> 자외선 램프와 노출 장치를 켜고 시스템이 10m의 기간 동안 안정화하자한다. (365 nm에서의 시간 = 노광량 / 강도에 따라) 필요한 노출 시간을 자외선 - 시력 측정계를 사용하여 365 nm에서의 램프 강도를 측정하고 추정된다. 주 : 현재 실험의 노광 에너지가 250 mJ의 / cm 2로 계산되었다. </li><li> 이전 단계에서 추정 된 시간 동안 UV 광에 스핀 - 코팅 된 웨이퍼에 포토 마스크를 노출시킨다. 여기에, 79.6 초 동안 노출. </li><li> 노광 직후, 1 분 동안 및이어서 5 분 동안 95 ° C에서 65 ° C에서 핫 플레이트상에서 노광 된 웨이퍼를 굽는다. 이 단계에서, 반응은 자외선 - 빛에 의해 개시되고, 소성 후에 완료했다. </li><li> 3 분에 걸쳐 실온까지 냉각 후 베이킹 웨이퍼를 떠난다. </li><li> 비 - 가교 된 SU-8을 프로그래밍 웨이퍼에 8 분에 걸쳐 SU-8 현상액에 용해. 비가 교 SU-8의 완전한 제거를 보장하기 위해, 두 단계로 공정을 분할. <ol><li> 처음에, 다시 5 분 동안 현상액에 웨이퍼를 몰입비가 교 SU-8의 대부분을 이동. </li><li> 다음 나머지 비 - 가교 된 SU-8을 용해 3 분간 현상 제의 신규 용액에서 웨이퍼를 몰입 (전형적으로 가교 구조 사이에 갇혀). </li></ol></li><li> 이소프로판올 개발 웨이퍼를 세척하여 (이하, &quot;마스터 주형」이라고도 함) 패턴 화 된 구조를 갖는 웨이퍼를 건조 서서하자. 마스터 금형 세척시 우유 잔류의 관측은 개발이 완료되지 않았 음을 나타냅니다. </li><li> &quot;하드 베이킹&quot;레지스트에서 기판 전위 어닐링 균열 2-5 분 동안 200 ℃의 핫 플레이트상에서 건조 마스터 주형을 가열한다. </li><li> 제작 된 마스터 주형을 실온으로 냉각 할 수있다. </li><li> 흄 후드 안쪽 (진공 펌프에 연결된) 데시 케이 터에서 마스터 주형을 놓는다. </li><li> 유리 비커에 트리메틸 실릴 클로라이드 (TMCS)의 100 μl를 붓고 데시 케이 터 안에이 배치합니다. 주의 : TMCS는 가연성, corrosiv전자 및 독성; 따라서, 처리 단계는 보호 장갑, 고글 및 실험실 코트를 입고 사용자와, 흄 후드에서 수행되어야한다. </li><li> 진공하에 데시 케이 터를 넣고 TMCS 증기가 마스터 금형 표면에 증착 할 수 있도록 적어도 1 시간을 기다립니다. </li><li> 1 시간 후, 천천히 대기로 데시 케이 터 내의 압력과 개방을 평형. 주의 : 열려있는 데시 케이 터 위에 직접 흡입하지 말 것. </li><li> 실란 마스터를 제거하고 데시 케이 터를 닫습니다. </li></ol> 더블 레이어 미세 유체 장치 2. 제작 참고 : 프로토콜은 시간과 온도에 특히 민감하다. 모든 실패는 기간에 따라하고 온도가 결합 비, 따라서, 비 기능 장치의 제조 발생할 수 있습니다. <ol><li> 일회용 칭량 접시로 (중량 1~5) 완전히 플라스틱 주걱으로 혼합 PDMS 엘라스토머와 경화제의 혼합물을 붓는다. 현재 실험에서S는 PDMS 층 높이 19,26 약 5mm를 형성하는 엘라스토머 50g 및 경화제 10g을 사용한다. </li><li> 탈기에 진공 데시 케이 터에 잘 혼합 PDMS를 놓고 15 분 동안 갇혀있는 거품을 제거합니다. </li><li> PDMS 엘라스토머 경화제 (20 : 1 중량)을 섞어 일회용 칭량 접시에서 (예를 들면 10 g 엘라스토머 0.5 g 경화제) 19,26. </li><li> (현재 실험에서, 11mm 라운드 폴리 테트라 플루오로 에틸렌 (PTFE) 링) 프레임에서 &quot;제어 계층&quot;마스터 금형을 수정합니다. </li><li> 가스 제거를 위해 진공하에 데시 케이 터 1 PDMS 혼합물 : 15 분 후, 20 놓습니다. </li><li> 데시 케이 터에서 1 PDMS 혼합물 둥근 프레임 안에있는 &quot;제어 층&quot;마스터 주형에이를 부어 : 이전 단계와 동시에, 5 꺼내. 뿐만 아니라 진공 데시 케이 터에 PDMS 마스터 몰드를 포함하는 프레임을 배치합니다. 잉여 PDMS를 유지합니다. </li><li> 45 분 (30 분 후의 후 퍼모두) 데시 케이 터로 혼합물 PDMS 보내고, 모두 건조기에서 혼합물 PDMS 가지고 5 포함한 프레임 배치 1 PDMS를 80 ° C의 오븐에서 &quot;제어 층&quot;마스터 몰드. </li><li> 한 PDMS 혼합물 : 동시에 20 코트에게 &#39;유체 층 &quot;마스터 몰드를 회전하기 시작한다. 스핀 코팅의 회전 수는 원하는 높이에 기초하여 결정되고, 다른 27보고되었다. 60 분에 스핀 코팅을 종료하고 잔류 PDMS를 유지하는 것을 목표로하고 있습니다. </li><li> 80 ° C의 오븐에 1 PDMS : 60 분 후, 20로 코팅 된 &quot;유체 층&quot;마스터 몰드 스핀을 넣어. </li><li> 75 분에, 오븐에서 모두 마스터 금형을. </li><li> 필 오프 만 5 : &quot;제어 층&quot;마스터 몰드 1 PDMS는 블레이드와 기판 주사위 설계에 결정된 입구 위치에서 1mm 생검 펀치로 제어 층에 대한 펀치 구멍. 여기서, 상기 제어 층은 길이 24mm, 폭 24mm이다. </li><li> 아르 자형접착 테이프를 사용하여 다이 싱 칩에서 가져 가십시오 파편. </li><li> 수동 다이 싱을 조립하고 (20)의 상부에 제어 층 칩 펀칭 : 500X의 배율의 입체 현미경을 사용하여 &quot;유체 층&quot;매스터 주형 (도 1) 상에 도포 한 PDMS 스핀. </li><li> 붓고 두꺼운 PDMS 층을하여 끝에 접합 유체 제어 층의 제거를 용이하게 조립 된 칩 주위에 잔류 PDMS를 그린다. </li><li> 80 ° C의 오븐에서 두 층 장치를 포함하는 &quot;유체 층&quot;마스터 몰드를 놓고 밤새 저장한다. </li><li> 다음 날, 오븐에서 경화 어셈블리를 가지고 실온까지 냉각 할 수있다. </li><li> 은 &quot;유체 층&quot;마스터 몰드에서 PDMS 어셈블리 오프 껍질, 주사위 1.5 mm 생검 구멍을 뚫는로 제작 된 더블 레이어 블레이드와 장치 (길이 24 mm 폭 24 mm)와 펀치 유체 입구 / 출구. </li><li> OPE와 칩의 표면을 처리N 채널과 코로나 방전와 커버 글라스 (24mm × 40mm) 바로이 둘을 결합. 1 분 동안 PDMS 슬래브 유리 커버 슬립 위에 코로나 방전을 이동시킴으로써 처리한다. 선택적으로, 접합을 용이하게하기 위해 벤치 탑 플라즈마 시스템을 사용한다. </li><li> 적어도 4 시간 동안 70 ~ 80 ° C의 오븐에서 접합 이중층 칩을 저장한다. </li></ol> 3. 미세 유체 시스템 조립 <ol><li> 미세 유동 장치가 조립 된 후, 폴리 테트라 플루오로 에틸렌 (PTFE) 튜브 (0.8 mm ID)를 이용하여 유체 저장조 (주사기)에 칩의 유체 층의 입구를 연결한다. </li><li> 1.6 mm의 외부 직경을 갖는 실리콘 고무 튜브 및 금속 커넥터를 사용하여 제어 층 입구에 압력 공급원을 연결한다. </li><li> 열고 수동으로 작동되는 압력 소스를 사용하여 3 바에서 가압 공기를 적용하여 밸브를 닫는다. 컴퓨터 제어 시린지 펌프의 시리즈를 사용하여 채널에 공급 유체. </li><li> 거꾸로 현미경에 장착 된 고해상도 카메라 밸브 구동 장치 및 작동을 시각화. 63X 배율 5 배를 사용합니다. </li></ol> 공압 케이지 개폐에 의한 층류 정권의 4 조작 참고 : 유체 층은 넓은 메인 채널 폭 300 μm의에있는 폭 150 μm의 두 입구 수렴 채널로 구성되어 있습니다. 상기 제어 계층은 메인 유체 채널의 상부에있는 동일한 직사각형 밸브 (250 μm의 × 200 μm의) 시리즈가있다. <ol><li> 셋업은 시린지 펌프 및 공압 제어 시스템에 연결되면 / 분 20 μL의 유량으로 유입 채널들 중 하나를 통해 수성 염료 흐름을 소개한다. </li><li> 3 줄에 그것을 작동하여 밸브를 닫습니다. </li><li> 유체가 여전히 밸브 주위에 흐를 수 있음을 유의하십시오. 이 기능은 갇혀 구조 18,25을의 제어 화학 처리를 달성 중요하다 &lt;/ SUP&gt;. </li><li> 압력을 해제하여 밸브를 엽니 다. </li><li> 염료 용액은 제 채널을 통해 흐르는 동안, / 분, 20 ㎕의 상기 제 2 인렛 채널에 다른 수성 유체를 주입. 수성 두 흐름 사이의 계면으로 인해 미세 유동 장치 내의 층류 정권 본로 형성된다. </li><li> 3 줄에 그것을 작동하여 밸브를 닫습니다. 이 경우, 밸브의 작동은 두 수성 흐름의 인터페이스를 변경; CP (보라 적외선) 18, 28의 형성 동안 합성 경로를 수정하는 데 사용될 수있는 결과. </li><li> 30 μL / 분 및 10 μL / 분 유체 유량을 변경하고 하향 관찰 또는 두 유체 사이에서 발생하는 계면의 안내 업 시프트. </li></ol> 미세 입자의 5 현지화 <ol><li> 주사기 펌프 및 공압 제어 시스템으로 제작 된 더블 레이어 칩을 연결합니다. </li><li> 10 중량. % 폴리스티렌을 함유하는 수용액을 제조형광 입자 (각각 468 nm 내지 508 nm에서 직경, 여기 및 방출 최대 5 μm의). </li><li> 488 nm의 파장에서 동작하는 레이저의 여기 원을 사용한다. </li><li> / 분, 20 ㎕의 총 유량이 유입 채널로 입자 함유 유체를 소개한다. </li><li> 안정적인 흐름이 설정 될 때까지 2 분 동안 기다립니다. </li><li> 를 닫 3 바에서 밸브를 작동. 몇몇 입자는 밸브의 아래에 갇혀 흐름이 유지되는 동안 표면 상에 집중 될 것이다. </li></ol> 6. 생성 및 조정 폴리머의 제어 감소 (CP) <ol><li> 질산은 2.5 mM의 수용액을 제조 (AGNO 3). </li><li> 시스테인 2.5 mM의 수용액 (시스테인)를 준비한다. </li><li> 에탄올 (18)을 포화 아스코르브 산 용액을 제조 하였다. </li><li> 유속 각각 동일한 이중층 칩을 사용하여 두 개의 인렛 채널로 (입구 하나씩 시약) 두 시약 주입50 μL / 분. </li><li> 이 공동 흐르는 스팀의 인터페이스에서은과 시스테인은 (Ag (I) 시스테인) 공산당의 형성을 관찰한다. </li><li> 를 작동 트랩에 3 줄 형성된 AG (I) 밸브 아래 시스테인 공산당의 밸브. </li><li> 50 μL 유속 입구 채널로 세척, 증류수 / 분, 합성 공정 중에 사용 과잉 시약을 씻어. </li><li> 압력을 해제하고 밸브를 엽니 다. 생성 된 CPS는 정지 유동 조건에서 밸브 아래에 남아있다. </li><li> , Cys 또는 CPS를 포획 AG (I)의 제어 된 화학적 환원을 수행 한 바 상기 밸브의 압력을 해제하고 10 μL / 분의 유속으로 에탄올 포화 아스코르브 산 용액을 세척하기 위해. </li><li> ((0)의 Ag) 아스코르브 산 (18)에 의해 금속은에 AG (I)의 감소에 기인하는 명확한 색상 변화를 관찰한다. </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>

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보고된 접근 방식은 유체 감금과 같은 다른 응용 분야를 제공하기 위해 다양한 밸브 모양을 제작하도록 쉽게 수정할 수 있습니다. 실제로, 이 프로토콜의 유연성은 또한 바닥층의 두께를 수십 미크론에서 수백 미크론으로 수정하여 관심 있는 응용 분야를 충족할 수 있습니다. 또한, 장치의 각 층에 있는 구조의 치수는 원하는 응용 분야에 맞게 최적화될 수 있으며, 마스터 몰드의 다양한 높이의 구조는 포토레지스트를 다양한 속도로 회전시켜 간단히 달성할 수 있습니다. 포토레지스트를 더 빠른 속도로 회전시키면 구조가 더 얇아집니다. 
프로토콜을 더 잘 구현하려면 마스터 금형 제작을 위한 클린룸 환경이 필수적입니다. 그렇지 않으면 제조 절차로 인해 마스터 금형에 결함이 생겨 미세유체 장치를 사용할 수 없게 됩니다. 이 프로토콜에서는 두 가지 중요한 측면을 강조해야 합니다: i) 80°C로 조정해야 하는 오븐의 일정한 온도와 ii) 정확하게 준수해야 하는 공정 사이의 프로그래밍된 기간. 프로토콜의 온도와 시간 프레임을 수정하면 칩이 결합되지 않아 작동하지 않는 장치가 발생할 수 있습니다.
미세유체 시스템에서 일반적으로 발생하는 "난류가 없는" 조건은 최근에 단층 미세유체 칩(31) 내부(30) 및 외부의 미세 구조 또는 분자 물질의 생성에 사용되었다. 이중층 미세유체 칩에서, 층류 체제, 따라서 연속 동류 사이에 생성된 계면은 공압 케이지를 사용하여 조작될 수 있다(18,28). 이러한 장치는 또한 합성 경로에 대한 효과적인 제어를 제공하여 표면에 대한 정확한 위치 파악 및 트래핑으로 이어집니다18.
앞서 언급한 바와 같이, 이중층 미세유체 칩의 공압 작동은 이전에 세포 트래핑(20), 효소 활성 연구(21 ) 및 단백질 결정화(24)와 같은 다양한 응용 분야에 사용되었습니다. 그러나, 보고된 접근법의 주요 목적은 결정질 분자 물질의 배위 경로를 포획 및 지시하고 온칩 트랩 구조에 대한 화학 반응을 제어하는 데 사용되는 플랫폼을 제안하는 것입니다18,25. 
설명된 방법은 이방성 구조의 트래핑을 허용할 뿐만 아니라 입자를 표면에 국소화하는 데 사용할 수 있습니다. 향후 연구는 생물학, 재료 과학 및 센서 기술에 추가로 적용하기 위한 새로운 밸브 모양의 설계로 효과적으로 전달될 수 있습니다. 다양한 밸브 모양과 변경된 채널 높이 및 멤브레인 두께의 조합을 사용하여 확산 혼합을 기반으로 한 화학 연구 및 재료 성장의 국소화와 같은 특정 응용 분야를 수행할 수 있습니다.
설명된 미세유체 플랫폼의 추가 적용은 결정의 제어된 화학적 도핑에 있으며, 이는 결정 구조에서 계면의 합리화된 형성으로 이어질 수 있습니다19. 이 접근 방식은 또한 온칩 트랩 구조의 광범위한 후처리를 제공합니다. 의심할 여지 없이 재료 공학의 새로운 지평을 열어줄 방법론입니다.
동적 조건과 결정질 물질에 대한 제어된 화학 반응을 가능하게 하는 기술의 수는 현재 매우 제한적이므로 이 접근 방식은 재료 관련 분야에서 매우 매력적이라는 점을 강조하는 것이 중요합니다. 그러나 이 기술의 주요 한계는 PDMS를 사용한다는 것입니다. PDMS 엘라스토머는 많은 유기 용매와 호환되지 않으므로 이러한 미세유체 칩 내부에서 수행할 수 있는 반응 수가 제한됩니다. 앞으로는 이 연구 분야를 다른 재료 및 화학 물질로 확장하기 위해 더 많은 수의 유기 용매에 대해 견딜 수 있고 안정적일 수 있는 다른 엘라스토머의 개발이 매우 필요할 것입니다.

분자 물질은 긴 때문에 이러한 분자 전자 공학, 광학 및 센서 1-4 등의 분야에서 응용 프로그램을 자신의 다양한 수의 과학계에서 연구되고있다. 이 사이에, 유기 전도체 때문에 플렉시블 디스플레이 및 통합 기능 장치 5,6에서의 중심적인 역할의 고분자 재료의 특히 흥미로운 클래스입니다. 그러나, 고분자 계 재료의 전자 전하 수송을 가능하게하기 위해 사용 된 방법론은 전하 수송 착물 (CTCS) 및 전하 수송 염 (CTSS) 7-10의 형성에 제한된다. 자주, CTCS 및 CTSS는 전기 화학적 방법에 의해 또는 직접 화학적 산화 환원 반응에 의해 생성된다; 다 기능성이 생각 할 수 있습니다 더 복잡한 구조에 기증자 또는 수용체 부분의 제어 변환을 방해 처리합니다. 제어 가능한 생성 및 분자 기반의 조작을위한 새로운 체계적인 방법에 따라서, 해명D 재료는 재료 과학 및 분자 공학의 분야에서 중요한 과제로 남아, 성공할 경우 의심 할 여지없이 새로운 기능과 새로운 기술의 응용으로 이어질 것입니다. 이러한 맥락에서, 미세 유체 기술은 최근에 의한 합성 방법 (11, 12) 중 열 및 물질 전달과 시약의 반응 확산 량을 제어 할 수있는 능력에 대한 분자 계 재료를 합성하기 위해 사용되었다. 혼합 만 확산 13-16 통해 발생 유로 안에 잘 제어 된 반응 구역의 형성을 수득 달성 될 수있는 둘 이상의 반응물 스트림 사이의 안정적인 계면 연속 흐름의 저 레이놀즈 수에 단순히 넣는다. 사실, 우리는 이전에 이러한 미세 유체 채널 (17) 내부 조정 폴리머 (CPS) 등의 결정질 물질의 합성 경로를 국산화 층류 흐름을 사용했다. 이 방법이 표시되었지만 g그 형성이 아직 신규 한 후 CP의 나노 구조 표면 상에 이러한 구조의 직접적인 통합뿐만 아니라 제어 된 화학적 처리를 실현 reat 약속 시츄 (18)에 실현된다. 이러한 한계를 극복하기 위해 최근 이중층 미세 유동 장치에 통합 마이크로 유체 압 케이지 (또는 밸브)의 작동은 바람직하게는 이러한 측면에서 사용할 수 있음을 보여 주었다. 지진의 그룹 (19)의 선구적인 작업 때문에, 미세 유체 공압 밸브 자주 단일 셀 트래핑 및 격리 (20), 효소 활성 조사 (21), 작은 유체 볼륨 (22)의 트래핑, 표면 (23)과 단백질 결정화 (24)에 기능성 재료의 국산화를 위해 사용되어왔다. 그러나 이중층 미세 유동 장치가 지역화 형성된 현장에서 구성 요소를 판독하는 구조를 통합하고 표면 (18)에 트랩을 사용할 수 있음을 보여 주었다. 더욱이, 우리는 모두 가능 이러한 기술은 트래핑 구조를 제어 화학 치료를 수행 할 수 있음을 입증 한 유기 결정 18,25의 &quot;미세 유체 보조 된 리간드 교환&quot;(18) 및 제어 된 화학적 도핑. 두 경우 CTCS 제어 미세 유동 조건에서 합성 할 수 있고, 가장 최근의 연구에서, 다 기능성은 동일한 재료 부분에서 설명 될 수있다. 여기서, 우리는 염료 함유 흐름을 이용하는 이러한 이중층 미세 유체 장치의 성능을 입증 생성 코디 A를 CP의 경로뿐만 아니라, 미세 유체 채널의 표면에 현지화를 제어하고, 최종적 칩 상에 제어 된 화학 치료 평가 갇혀 구조.

<table><tbody><tr><td>고해상도 필름 마스크</td><td>Microlitho, 영국-</td><td></td><td>5 & # 956까지 기능; m</td></tr><tr><td>SU8 포토레지스트</td><td>MicroChem Corp., 미국</td><td>SU8-3050</td><td>-</td></tr><tr><td>실리콘 웨이퍼</td><td>Silicon Materials Inc., 독일</td><td>4" 실리콘 웨이퍼</td><td>앞면: 광택, 뒷면: 에칭</td></tr><tr><td>실리콘 엘라스토머 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-Optometer</td><td>Gigahertz-Optik Inc., 미국</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 현상액</td><td>Micro resist technology GmbH, 독일</td><td>mr-Dev 600-Trimethylsilyl</td><td></td></tr> <tr><td>chloride&nbsp;</td><td>시그마-알드리치, 스위스</td><td>386529</td><td>&ge; 97%, 주의: 흄 후드 아래에서만 취급하십시오.</td></tr><tr><td>생검 펀처</td><td>Miltex GmBH, 독일</td><td>33-31AA-P/25</td><td>1 mm</td></tr><tr><td>생검 펀처</td><td>Miltex GmBH, 독일</td><td>33-31A-P/25</td><td>1.5 mm</td></tr><tr><td>유리 커버슬립</td><td>Menzel-Glaser, 독일</td><td>BB024040SC</td><td>24 mm &times; 60 mm, #5</td></tr><tr><td>Laboratory Corona Treater</td><td>Electro-Technic Products, 미국</td><td>BD-20ACV&nbsp;</td><td>-</td></tr><tr><td>PTFE 튜빙</td><td>PKM SA, 스위스</td><td>AWG-TFS-XXX</td><td>AWG 20TFS, 100개 목록&nbsp; m</td></tr><tr><td>실리콘 고무 튜브</td><td>Hi-Tek 제품, 영국</td><td>-</td><td>1mm I.D.</td></tr><tr><td>neMESYS 주사기 펌프</td><td>Cetoni GmbH, 독일</td><td>저압(290N)</td><td>-</td></tr><tr><td>고해상도 카메라</td><td>Zeiss, 독일</td><td>Axiocam MRc 5</td><td>-</td></tr><tr><td>형광 도립 현미경</td><td>Zeiss, 독일</td><td>Axio Observer A1</td><td>i.e., 350nm 및 488nm의 두 가지 파장에서 작동 가능</td></tr><tr><td>녹색 폴리스티렌 형광 입자</td><td>Fisher Scientific, 스위스</td><td>11523363</td><td>크기: 5.0 &#956; m, 고체 함량 : 1 %</td></tr> <tr><td>질산은 (AgNO3)</td> <td>Sigma-Aldrich, 스위스</td><td>209139</td><td>&ge; 99.0%</td></tr><tr><td>L-시스테인 (Cys)</td><td>Sigma-Aldrich, 스위스</td><td>W326305</td><td>&ge; 97.0%</td></tr><tr><td>일회용 계량 접시</td><td>시그마-알드리치, 스위스</td><td>Z154881</td><td>L &times; W &타임스; 높이 : 86&nbsp; mm &시간; 86&nbsp; mm &시간; 25&nbsp; mm</td></tr><tr><td>일회용 계량 접시</td><td>시그마-알드리치, 스위스</td><td>Z708593</td><td>육각형, 사이즈 XL</td></tr><tr><td>플라스틱 주걱</td><td>Semadeni, 스위스</td><td>3340</td><td>L &times; W : 135 mm x 14</td></tr><tr><td>mm 염료, 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 배율</td></tr><tr><td>일회용 메스</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>

미세 유체 압축 공기를 넣은 케이지 : a의 칩 크리스탈 트래핑, 조작에 대한 새로운 접근 방식 및 제어 화학 처리

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

표면 구조물의 정확한 위치 파악 및 제어된 화학적 처리는 일반적인 실험실 기술의 중요한 과제입니다. 여기에서, 우리는 미세유체 채널 표면에 제자리와 제자리에서 합성한 구조를 포획하고 국소화할 수 있는 이중층 미세유체 장치를 사용하는 미세유체 기반 기술을 소개합니다. 결정적으로, 우리는 이러한 장치를 사용하여 온칩 포획 구조에 제어된 화학 반응을 수행하는 방법을 보여주고 결정 분자 물질의 합성 경로와 미세유체 채널 내부의 위치를 이 기술로 정밀하게 수정할 수 있는 방법을 보여줍니다. 이 접근 방식은 표면에서 구조물의 통제된 조립과 후속 처리를 위한 새로운 기회를 제공합니다.

도 1에 도시 한 바와 같이 이중층 미세 유동 장치는 PDMS 구조화 결합한 2 개의 마이크로 유체 칩으로 이루어져있다. 표면에 결합 동시에 첫 번째 층은, 상기 제 층 동안, 유체 (유체 층)을 흐르게하는 데 사용되는, 직접 제 PDMS 층에 결합 된 가스 (제어 층)를 흐르게하는 데 사용된다. <img alt="그림 1" src="/files/ftp_upload/54193/54193fig1.jpg" /> 그림 1. 더블 레이어 미세 유체 소자. (A) 도식 그림과 우리의 조사에 사용 된 더블 레이어 미세 유체 장치 (B) 현미경 사진. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/54193/54193fig1large.jpg" target="_blank">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.</a> 의 채널을 통해 가스의 주입제어 층은 상기 미세 유체 채널 상에 트래핑 구조 및 위치 파악을 가능 표면 (도 2a 및도 2b)를 향해 상기 유체 층을 압착. PDMS 막 작동 압은 케이지 및 / 또는 공압 제어기에 의해 제어되는 마이크로 밸브를 생성하는데 사용될 수있다. 멤브레인 작동의 모형 모델로, 우리는 유체 층의 전체 편향이 작동 (도 2C) 및 미세 표면에 형광 미립자 포집 후의 밸브 아래 순환 염료 함유 흐름을 방지하는 방법을 보여준다 (도 2D 및 2E) . <img alt="그림 2" src="/files/ftp_upload/54193/54193fig2.jpg" /> 구조 그림 2. 막 작동 및 트래핑. (A)면과 (B) 더블 레이어 미세 유체 장치가 될 나타내는 평면도 그림앞 (위)와 공압 밸브 (아래) 작동 후. (위) 전 및 유동층 (아래)의 압착 후 이중층 미세 유체 소자의 (C) 현미경 사진. 바닥 패널에서, 유체 층은 멤브레인 작동을 더 잘 인식에 대한 로다 민 염료 수용액으로 채워진다. (D) (위) 전에 이중층 미세 유동 장치의 명 시야 현미경 및 유동 수용액 함유 폴리스티렌 형광체 입자 밸브의 후 (아래) 작동 (10 중량. %). D.에 도시 된 광학 현미경 이미지 (E) 형광 영상 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/54193/54193fig2large.jpg" target="_blank">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.</a> 도 3a는 현장에서의 트래핑 actuat 통해 이중층 미세 유체 소자 내부에서 생성 된 CPS를 도시공기 케이지의 이온. 새로운 조정 경로는 제 1 밸브의 작동 후 생성되는 것을 알 수 있습니다. 상기 밸브 작동은 두 반응물 스트림의 계면에서 발생하는 AG (I)의 Cys CP의 트래핑을 보장하고 새로운 조정 경로 (도 3a)의 형성을 용이하게한다. 두 반응물 스트림의 계면에서 발생하는 AG (I)의 Cys CP의 구체적인 화학적 특성은 이전의 연구 (17, 18)에서 찾을 수있다. 잉여 제거한 순수 (도 3b)의 흐름 솔루션 시약 후에 부가하고, 에탄올 포화 아스코르브 산 용액 온칩 트래핑 구조 (도 3c)의 제어 된 화학적 환원을위한 미세 유체 채널에 추가 할 수있다. 클램핑 영역 (18) 아래에 갇힌 AG (I)의 Cys CP 제어 된 화학적 처리 1 바 내지 3 바의 압력 밸브 호의 감소시킨다. 어두운 갈색 포획 AG (I)의 Cys cp 나 색상 변화가있는이전의 관찰 18,29에 있던 금속 가의 실버의 감소에 ttributed. <img alt="그림 3" src="/files/ftp_upload/54193/54193fig3.jpg" /> AG (I) 시스테인 공산당 및 제어 화학 감소 그림 3. 트래핑. (A) 광학 현미경 이미지를 새로운 조정 경로의 AG (I) 시스테인의 CP 및 생성 synthetized 현장에서의 트래핑을 표시합니다. (B)는 물 흐름 잉여 시약 용액의 제거 후 클램핑 영역 아래에 갇힌 cp 나 현미경 사진 및 (c)에서, 환원 반응 처리 후의 동일한 마이크로 밸브의 현미경 사진. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/54193/54193fig3large.jpg" target="_blank">의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하세요 이 그림.</a>

여기에서는 폴리디메틸실록산(PDMS)으로 만들어진 이중층 미세유체 시스템의 제조 및 작동에 대해 설명합니다. 우리는 트래핑을 위한 이 장치의 잠재력을 보여주고, 결정질 분자 물질의 배위 경로를 지시하고, 온칩 트랩 구조에 대한 화학 반응을 제어합니다.

미세 유체 압축 공기를 넣은 케이지 : A의 칩 크리스탈 트래핑, 조작에 대한 새로운 접근 방식 및 제어 화학 처리

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

이 접근법의 전반적인 목표는 결정성 분자 물질의 포획, 배위 경로의 유도, 그리고 칩 상의 포획 구조 내에서 화학 반응을 제어하는 이 장치의 잠재력을 입증하는 것입니다. 이 방법은 제어된 화학적 처리가 자기 조립 구조의 특성에 미치는 영향과 같이 재료 과학 분야의 핵심적인 질문들에 답하는 데 도움을 줄 수 있습니다. 또한, 동적 조건 하에서 제어된 화학적 처리를 가능하게 하는 기술이 현재 매우 제한적이라는 점을 강조하는 것이 중요하며, 따라서 이 접근법은 재료 관련 분야에서 매우 매력적입니다.먼저, SU8 포토리소그래피를 사용하여 실란화된 마스터 몰드를 준비합니다. 파울링 입자는 시간과 온도 모두에 특히 민감합니다. 기술된 시간 범위와 온도를 준수하지 않을 경우, 접합되지 않아 기능하지 않는 소자가 제작될 수 있습니다.일회용 칭량 접시에 엘라스토머 50 grams와 경화제 10 grams를 혼합하여 PDMS 혼합물을 준비합니다. 플라스틱 스파툴라를 사용하여 성분들을 완전히 섞어줍니다. 다음으로, 잘 섞인 PDMS를 진공 데시케이터에 15분 동안 두어 혼합물을 탈기시키고 갇힌 기포를 제거합니다.첫 번째 PDMS 배치를 탈기하는 동안, 엘라스토머 10 g과 경화제 0.5 g을 사용하여 두 번째 배치를 혼합합니다. 그런 다음, 대조군 층이 포함된 마스터 몰드를 지름 11 mm의 원형 PTFE 프레임에 고정합니다. 5:1 비율로 혼합된 PDMS의 탈기가 완료되면 진공 챔버에서 꺼냅니다.이제 PDMS의 5:1 혼합물을 컨트롤 층 마스터 몰드에 PTFE 프레임의 수직 벽 높이까지 붓습니다. 그런 다음 이를 데시케이터에 넣습니다. 동시에 PDMS의 20:1 혼합물도 데시케이터에 넣고 다시 진공을 겁니다.코팅된 마스터 몰드와 20:1 비율로 혼합한 PDMS를 30분 동안 추가로 탈기합니다. 그런 다음, 데시케이터에서 두 항목을 꺼내어 80°C로 예열된 오븐에 컨트롤 레이어 마스터 몰드를 넣습니다. 컨트롤 레이어가 베이킹되는 동안, 유체 레이어용 마스터 몰드를 스핀 코터 위에 올립니다.유체층용 마스터 몰드 위에 20:1로 혼합된 PDMS 약 4 milliliters를 붓고, 60 micrometers 두께의 층을 형성하기 위해 웨이퍼를 1200 rpms에서 40초 동안 스핀 코팅합니다. 총 1시간이 경과한 후, 오븐을 열어 스핀 코팅된 웨이퍼를 컨트롤 층 옆에 배치하고 80 degrees Celsius에서 15분 더 함께 베이킹합니다. 그 후, 총 75분이 경과하면 두 웨이퍼를 모두 오븐에서 꺼냅니다.먼저, 대조군 층을 위해 5:1 비율로 혼합된 PDMS를 박리합니다. 면도날을 사용하여 칩을 잘라냅니다. 그런 다음 1 mm 바이옵시 펀치를 사용하여 입구용 구멍을 뚫습니다.다음으로, 접착 테이프를 사용하여 절단된 제어층 칩에서 모든 이물질을 제거합니다. 칩이 깨끗해지면 실체 현미경을 사용하여 제어층 칩을 유체층 마스터 몰드 위에 정렬합니다. 그런 다음, 조립된 칩 주변에 잔여 PDMS를 붓고 끌어당겨 채웁니다.전체 장치를 80 °C 오븐에 넣습니다. 조립된 소자들을 하룻밤 동안 굽습니다. 다음 날, 경화된 조립체를 오븐에서 꺼내 실온까지 식힙니다.그런 다음 유체층 마스터 몰드에서 PDMS 어셈블리를 떼어냅니다. 마스터 몰드에서 분리되면, 제작된 이중층 장치를 칼로 절단하고 1.5 millimeter 생검 펀치를 사용하여 유체 유입구와 유출구를 형성합니다. 다음으로, 유리 커버슬립과 조립된 장치의 유체층을 코로나 방전으로 1분 동안 처리하거나 산소 플라스마를 사용한 후, 즉시 두 표면을 서로 접합하여 미세유체 장치를 완성합니다.접합된 이중층 칩을 70~80 °C의 오븐에서 최소 4시간 동안 굽습니다. 시린지 펌프와 공압 컨트롤러를 사용하여 흐름 체제를 조절하려면, 먼저 시린지 펌프에 장착된 시린지들을 미세유체 장치의 유체 입구에 연결하고, 공압 컨트롤러 시스템을 미세유체 장치의 제어 입구에 연결하십시오. 흐름을 시각화하기 위해 시린지 중 하나에 수성 염료를 채우고 20 µL/min의 유량으로 챔버 내에 흘려줍니다.그런 다음 공압 제어 시스템을 사용하여 3 bar에서 작동시켜 밸브를 닫습니다. 밸브가 닫힌 후에도 유체가 밸브 주변으로 계속 흐를 수 있다는 점에 유의하는 것이 중요하며, 이러한 특징은 배위 고분자와 같은 포획된 구조의 제어된 화학적 처리를 달성하는 데 중요합니다. 밸브를 열려면 제어 시스템을 사용하여 압력을 해제하면 됩니다.염색액이 첫 번째 채널을 통해 흐르는 동안, 동일한 유량으로 두 번째 입구 채널에 다른 수성 액체를 주입하여 두 수성 흐름 사이에 계면을 형성합니다. 그런 다음 3 bar에서 밸브를 작동시켜 닫습니다. 이중 흐름 중에 밸브를 작동시키면 두 수성 흐름의 계면이 변화합니다.다음으로, 두 유체 사이의 계면을 이동시키기 위해 두 시린지의 유체 유량을 각각 30 µL/min과 10 µL/min으로 변경합니다. 밸브의 미세 입자 포집 능력을 시각화하기 위해, 먼저 중량 기준 10%의 폴리스티렌 형광 미세 입자가 포함된 수용액을 준비합니다. 입자가 포함된 유체를 두 입구 채널로 총 20 µL/min의 유량으로 주입합니다.안정적인 흐름이 형성될 때까지 2분 동안 기다립니다. 그런 다음, 비드를 가장 잘 관찰하기 위해 488 nanometers 파장의 광원을 사용하여 형광 비드를 들뜨게 합니다. 준비가 되면 3 bar의 압력으로 밸브를 작동시켜 닫습니다.유동이 유지되는 동안 밸브 영역을 이미지화하여, 밸브 아래에 갇혀 있거나 표면에 국소화된 여러 입자들을 확인합니다. 제어층의 채널을 통해 가스를 주입하면 유체층이 표면 쪽으로 압착됩니다. 이는 로다민 염료의 부재로 표시된 액추에이터 제어 영역 주변으로 유체를 편향시키는 데 사용할 수 있습니다.이러한 공압 액추에이터는 마이크로채널 표면에 포집된 형광 미세 입자와 같이 입자나 세포를 포집하는 데에도 사용할 수 있습니다. 이 장치의 또 다른 특징은 공압 케이지의 작동을 통해 NC2에서 생성된 배위 고분자를 포집할 수 있다는 점입니다. 이 설정에서는 두 가지 시약 흐름이 사용되며, 층류 내의 두 액체 계면에서 제어된 화학 반응이 일어납니다.배위 고분자가 포획되면 공압 밸브를 사용하여 제어된 방식으로 화학적 처리를 할 수 있습니다. 이 영상을 시청하시는 분들은 다양한 튜브 구조상에서 제어된 화학 반응을 수행하는 데 사용할 수 있는 이중층 미세유체 장치를 효과적으로 제작하는 방법에 대해 충분히 이해하고 계실 것입니다. 이 절차를 시도할 때는 본 프로토콜에 보고된 시간 범위와 온도를 엄격히 준수하는 것이 중요합니다.그렇지 않으면, 이러한 노력으로 인해 비결합 또는 결함이 있는, 따라서 기능하지 않는 소자가 제작될 수 있습니다. 이 기술의 개발 이후, 재료 과학 분야의 연구자들은 이중층 미세유체 플랫폼을 사용하여 높은 정밀도로 다양한 유형의 튜브 내 제어 화학 처리를 탐구할 수 있는 길이 열렸습니다.

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화학

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