Name: Microfluïdische Pneumatische Cages: een nieuwe benadering voor de In-chip Crystal Trapping, manipulatie en gecontroleerde chemische behandeling (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2016-07-12T15:00:00.000+00:00
Duration: 9 min 34 s
Description: Leer hoe je een dubbellaags PDMS-microfluïdische pneumatische cage fabriceert voor het vangen en manipuleren van kristallijne moleculaire materialen. Deze methode maakt gecontroleerde chemische behandeling van op de chip gevangen structuren mogelijk.

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

De auteurs willen de financiële steun bedanken van de Swiss National Science Foundation (SNF) via het projectnr. 200021_160174.

Opmerking: Twee lagen van een dubbellaags microfluïdische apparaat zijn ontworpen met behulp van een tekenprogramma, bijvoorbeeld AutoCAD en afgedrukt hoge resolutie film maskers vormen met een functie precisiegrens van 5 urn. Master mallen worden gecreëerd door SU-8 lithografie on 4 &quot;silicon wafers, waardoor de productie van structuren 50 urn hoog. 1. Master Mold Fabrication Met behulp van SU-8 fotolithografie <ol><li> Plaats de siliciumwafel op een hete plaat ingesteld op 200 ° C gedurende 10 minuten te drogen. Opmerking: silicium wafer dehydratie biedt een beter contact en zorgt voor de verspreiding van de SU-8 tijdens de spincoating stap. </li><li> Koel het gedehydrateerde wafer tot kamertemperatuur gedurende een periode van 3 min. </li><li> Laad de wafer op een spin coater en borg 4 ml SU-8 (ongeveer 1 ml SU-8 per inch substraat) in het midden van de wafel. <ol><li> Ten eerste, de verspreiding van de afgezette SU-8 langzaam bij 500 Revolutions per minuut (rpm) gedurende 10 sec. Dergelijke rotatiesnelheid zodat SU-8 dekking verhoogd over het gehele wafeloppervlak. </li><li> Ten tweede, de controle van de dikte van de SU-8 door het draaien van het substraat bij hogere snelheden. In de huidige experimenten, gebruik dan een toerental van 3000 rpm gedurende 30 seconden voor het genereren van SU-8 is voorzien van 50 micrometer hoog. </li></ol></li><li> Veeg de rand kraal van de wafel voorzichtig met een katoenen veeg tijdens het draaien bij een laag toerental (meestal 100 rpm). </li><li> Verhit de spin beklede wafer op een hete plaat bij 95 ° C gedurende 15 minuten om resterend oplosmiddel uit de SU-8 (dwz &quot;soft bake&quot;) te verwijderen. Opmerking: De aanwezigheid van patronen of &quot;rimpels&quot; in de resistlaag geeft de onvolledige verwijdering van het oplosmiddel. </li><li> Koel de gebakken wafer terug naar kamertemperatuur en contact emulsie bedrukte zijde van het fotomasker met de wafer voorafgaand aan blootstelling. </li><li> Zet de UV-lamp en belichtingseenheid en laat het stabiliseren gedurende 10 min. Meet de lamp intensiteit bij 365 nm met behulp van een UV-Optometer, en schat de benodigde belichtingstijd (afhankelijk van periode = blootstelling energie / intensiteit bij 365 nm). Opmerking: De belichtingsenergie in de huidige experimenten werd berekend op 250 mJ / cm2. </li><li> Expose het fotomasker op het roterend bedekken wafel UV licht gedurende de geschatte tijd in de vorige stap. Hier, bloot voor 79,6 sec. </li><li> Direct na blootstelling bakken de blootgestelde wafer op een hete plaat bij 65 ° C gedurende 1 minuut en vervolgens bij 95 ° C gedurende 5 minuten. In deze stap wordt de reactie geïnitieerd door UV-licht en voltooid na het bakken. </li><li> Laat de nagebakken wafer afkoelen tot kamertemperatuur gedurende een periode van 3 min. </li><li> Ontwikkelen de niet-verknoopte SU-8 op de schijf door het oplossen in de SU-8 ontwikkelaar dan 8 min. Om volledige verwijdering van niet-verknoopte SU-8 waarborgen, splitsing van de werkwijze in twee stappen. <ol><li> In de eerste, dompel de wafer in de ontwikkelaaroplossing voor 5 min, reverplaatsen van de meeste niet-verknoopte SU-8. </li><li> Dompel vervolgens de wafel in een verse oplossing van ontwikkelaar 3 min aan de resterende niet-verknoopte SU-8 te (gewoonlijk opgesloten tussen verknoopte structuren). </li></ol></li><li> Spoel de ontwikkelde wafer met isopropanol en laat de wafer met een patroon structuren (hierna te noemen &quot;master mal&quot;) staan ​​om uitdrogen. Waarneming van een melkachtige residu op het spoelen van de meester mal geeft aan dat de ontwikkeling onvolledig is. </li><li> Verwarm de gedroogde meester schimmel op een hete plaat bij 200 ° C gedurende 2-5 min tot &quot;hard bakken&quot; het substraat en gloeien mogelijke scheuren in de lak. </li><li> Laat de gefabriceerde meester mal afkoelen tot kamertemperatuur. </li><li> Plaats de master schimmel in een exsiccator (verbonden met een vacuümpomp) in een zuurkast. </li><li> Giet 100 pi van trimethylsilylchloride (TMCS) in een bekerglas en plaats deze in de exsiccator. LET OP: TMCS is ontvlambaar, corrosievee en giftig; dus moet hanteren stappen worden uitgevoerd onder een zuurkast, waarbij de gebruiker het dragen van beschermende handschoenen, bril en een laboratoriumjas. </li><li> Zet de exsiccator onder vacuüm en wacht tenminste 1 uur om de TMCS damp te deponeren op de master matrijsoppervlak. </li><li> Na 1 uur, langzaam evenwicht de druk binnen exsiccator en open naar de atmosfeer. LET OP: Kijk niet rechtstreeks inademen boven de open exsiccator. </li><li> Verwijder de gesilaniseerde meester en sluit de exsiccator. </li></ol> 2. Fabricage van Double-layer microfluïdische apparaten Opmerking: Het protocol is bijzonder gevoelig voor de tijd en temperatuur. Het niet volgen, het tijdschema en de temperatuur kan leiden tot de fabricage van niet-gebonden, en dus niet-functionele apparaten. <ol><li> Giet een mengsel van PDMS elastomeer en verharder (5: 1 in gewicht) in een wegwerp weegschaal en intensief vermengt met een kunststof spatel. In het huidige experiments Gebruik 50 g elastomeer en 10 g hardingsmiddel een PDMS laagje van ongeveer 5 mm hoog 19,26 vormen. </li><li> Plaats de goed gemengd PDMS in een exsiccator onder vacuüm ontgassen en verwijderen van ingesloten bellen voor 15 min. </li><li> Meng PDMS elastomeer en verharder (20: 1 in gewicht) in een wegwerp droogschaal (bijvoorbeeld 10 g elastomeer en 0,5 g verharder) 19,26. </li><li> Bevestig de &quot;control layer&quot; meester schimmel in een frame (in de huidige experimenten, een 11 mm rond polytetrafluorethyleen (PTFE) ring). </li><li> Na 15 minuten, plaats de 20: 1 PDMS mengsel in de exsiccator onder vacuüm ontgassen. </li><li> Op hetzelfde moment als de vorige stap, neem de 5: 1 PDMS mengsel uit de exsiccator en giet dit op de &quot;control layer&quot; master schimmel die bevindt zich in het ronde frame. Plaats het frame met het PDMS en meester schimmel in de exsiccator onder vacuüm ook. Houd het overschot PDMS. </li><li> Na 45 min (30 min en na putting zowel PDMS mengsels in de exsiccator), nemen zowel PDMS mengsels uit de exsiccator en plaats het frame met 5: 1 PDMS en de &quot;control layer&quot; master schimmel in een oven op 80 ° C. </li><li> Tegelijkertijd beginnen te draaien bekleden van de &quot;vloeibare layer&quot; master mal met het 20: 1 mengsel PDMS. De rotatiesnelheid spincoating is bepaald gebaseerd op de gewenste hoogte, en is elders 27 vermeld. Doel om spin-coating te beëindigen op 60 min en houden de resterende PDMS. </li><li> Na 60 min, zet de &quot;vloeibare laag&quot; Master Mold gespincoate met 20: 1 PDMS in een oven bij 80 ° C. </li><li> Op 75 min, nemen zowel de master mallen uit de oven. </li><li> Haal alleen de 5: 1 PDMS van de &quot;control layer&quot; master schimmel, snijd de ondergrond met een mes en punch de gaten voor de controle lagen met een 1 mm biopsie puncher op de inlaten posities vastgesteld in het ontwerp. Hier, de besturingslaag is 24 mm lang en 24 mm breed. </li><li> Remove puin van in blokjes gesneden chips met plakband. </li><li> Handmatig monteren van de blokjes en geponste besturingslaag chips bovenop de 20: 1 PDMS gespincoat op de &quot;vloeibare laag&quot; meester mal met behulp van een stereomicroscoop met de vergroting van 500X (figuur 1). </li><li> Giet en teken de resterende PDMS rond de gemonteerde chips om een ​​dikkere laag PDMS te maken en daarmee het verwijderen van de gebonden vloeibare en controle lagen aan het eind te vergemakkelijken. </li><li> Plaats de &quot;vloeibare laag&quot; meester mal die de twee lagen inrichtingen in een oven bij 80 ° C en bewaar overnacht. </li><li> De volgende dag, neem de uitgeharde montage uit de oven en laat het afkoelen tot kamertemperatuur. </li><li> Verwijder de PDMS vergadering van de &quot;vloeibare laag&quot; meester schimmel, dobbelstenen de gefabriceerde double-layer-apparaten met een mes (24 mm in lengte en 24 mm in de breedte) en punch vloeibare inlaten / uitlaten met een 1,5 mm biopsie puncher. </li><li> Behandel het oppervlak van chips met open kanalen en dekglaasjes (24 mm x 40 mm) met een corona-ontlading en direct hechten ze aan elkaar. Behandel door het bewegen van de corona-ontlading over de PDMS plaat en glas dekglaasje meer dan 1 min. U kunt ook gebruik maken van een benchtop plasma systeem om binding te vergemakkelijken. </li><li> Bewaar de gebonden dubbellaagse chips in een oven bij 70-80 ° C gedurende ten minste 4 uur. </li></ol> 3. microfluïdische System Assembly <ol><li> Na de microfluïdische apparaat is gemonteerd, sluit u de vloeibare laag inlaten van de chip naar de vloeibare reservoirs (spuiten) met behulp van polytetrafluorethyleen (PTFE) buis (0,8 mm id). </li><li> Sluit de bron druktoevoer naar de besturingslaag inlaten middels siliconenrubber buizen en metalen verbindingen met een buitendiameter van 1,6 mm. </li><li> Open de afsluiters door toepassing van perslucht bij 3 bar met een drukbron die met de hand wordt bediend. Supply vloeistoffen de kanalen met een reeks computergestuurde spuitpompen. </li><li> Visualiseren bediening van kleppen en werking van het apparaat met een hoge resolutie camera gemonteerd op een omgekeerde microscoop. Gebruik 5X tot 63x vergroting. </li></ol> 4. Manipulatie van de laminaire stroming Regime door pneumatische Cage Aansturing Opmerking: De vloeibare laag bestaat uit twee convergerende inlaat kanalen, die 150 pm breed, een bredere hoofdkanaal 300 urn breed. En de besturing laag een reeks identieke rechthoekige kleppen (250 um x 200 um) die bovenop de belangrijkste vloeibare kanaal. <ol><li> Zodra de opstelling is verbonden met de injectiepomp en pneumatische regelsystemen, introduceren een waterige kleurstof stroom via een van de inlaatkanalen van de stroomsnelheid van 20 pl / min. </li><li> Sluit het ventiel door het bedienen van het op 3 bar. </li><li> Wees ervan bewust dat de vloeistof nog steeds kan stromen rond de klep. Deze functie is van belang bij het ​​bereiken van gecontroleerde chemische behandeling van gevangen structuren 18,25 &lt;/ Sup&gt;. </li><li> Open de klep door het vrijgeven van de druk. </li><li> Terwijl de kleurstofoplossing door het eerste kanaal stroomt, injecteert een waterige fluïdum in het tweede inlaatkanaal 20 pl / min. Een interface tussen twee waterige stromen wordt gevormd door het laminaire stromingsregime in de microfluïdische apparaat. </li><li> Sluit het ventiel door het bedienen van het op 3 bar. In dit geval, het bedienen van de klep verandert het grensvlak van de twee waterige stromen; een resultaat dat kan worden gebruikt om de synthetische route in de vorming van een CP (vide infra) 18,28 wijzigen. </li><li> Verander de vloeistof debieten tot 30 pl / min en 10 pl / min en let op de down- en up-verschoven begeleiden van de interface gegenereerd tussen de twee vloeistoffen. </li></ol> 5. Lokalisatie van microdeeltjes <ol><li> Sluit de gefabriceerde double-layer-chip aan de spuit pomp en pneumatische controller systemen. </li><li> Bereid een waterige oplossing die 10 gew.% Polystyreenfluorescerende deeltjes (5 urn in diameter, excitatie en emissie max bij 468 nm en 508 nm respectievelijk). </li><li> Met laser excitatie bron werkt bij een golflengte van 488 nm. </li><li> Introduceer de deeltjes beladen vloeistof in de twee inlaatkanalen met een totale stroomsnelheid van 20 pl / min. </li><li> Wacht 2 min totdat een stabiele stroom is vastgesteld. </li><li> Ventiel bij 3 bar om te sluiten. Meerdere deeltjes worden gevangen onder de klep en gelokaliseerd op het oppervlak terwijl de stroming wordt gehandhaafd. </li></ol> 6. Generation en Controlled Reductie van een Coordination Polymer (CP) <ol><li> Bereid een 2,5 mM waterige oplossing van zilvernitraat (AgNO 3). </li><li> Bereid een 2,5 mM waterige oplossing van cysteïne (Cys). </li><li> Bereid een verzadigde oplossing van ascorbinezuur in ethanol 18. </li><li> Gebruik dezelfde dubbellagige chip en injecteer de twee reagentia in de beide inlaatkanalen (een reagens per ingang) elk bij een stroomsnelheid van50 pl / min. </li><li> Let op de vorming van zilver en cysteïne (Ag (I) Cys) CP&#39;s op het grensvlak van twee co-stromende dampen. </li><li> Bedien de klep bij 3 bar te vangen de gevormde Ag (I) Cys CP onder de klep. </li><li> Spoelen gedestilleerd water in de inlaatkanalen met een stroomsnelheid van 50 pl / min wegspoelen de overtollige reagentia die tijdens de synthesewerkwijze. </li><li> Laat de druk en open de klep. De gegenereerde CP blijven onder de klep onder gestopte stroming condities. </li><li> Om een ​​gecontroleerde chemische reductie van ingesloten Ag (I) voeren Cys CP, laat de klep druk 1 bar en spoel de verzadigde ascorbinezuuroplossing in ethanol bij een stroomsnelheid van 10 pl / min. </li><li> Observeren namelijk kleurverandering die is toegeschreven aan de reductie van Ag (I) tot metallisch zilver (Ag (0)) van het ascorbinezuur 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>

De auteurs hebben niets te onthullen.

De gerapporteerde aanpak kan eenvoudig worden aangepast om verschillende klepvormen te maken voor andere toepassingen zoals vloeistofbeveiliging. Inderdaad, de flexibiliteit van dit protocol maakt ook aanpassing van de dikte van de onderlaag mogelijk, en daarmee van de PDMS-membraan, van enkele tientallen tot enkele honderden micrometer om aan elke toepassing van belang te voldoen. Bovendien kunnen de afmetingen van structuren in elke laag van het apparaat worden geoptimaliseerd voor de gewenste toepassing en verschillende hoogten van structuren op de mastermalen eenvoudig worden bereikt door de fotoresistor met verschillende snelheden te draaien. Het draaien van de fotoresistor met een hogere snelheid resulteert in dunnere structuren.
Om het protocol beter te implementeren, is een schone ruimteomgeving voor de fabricage van de mastermalen essentieel; anders zal de fabricageprocedure leiden tot defecte mastermalen en daarmee tot onbruikbare microfluïdische apparaten. Twee kritieke aspecten moeten in dit protocol worden benadrukt: i) de constante temperatuur van de oven die moet worden ingesteld op 80 °C en ii) de geprogrammeerde tijdsperiode tussen processen die nauwkeurig moet worden nageleefd. Elke wijziging van temperatuur en tijdsbestek in het protocol kan leiden tot niet-gebonden chips, en dus tot niet-functionele apparaten.
De "turbulentievrije" omstandigheden die typisch worden aangetroffen in microfluïdische systemen, zijn onlangs gebruikt voor de generatie van microstructuren of moleculaire materialen binnen30 en buiten eenlags microfluïdische chips31. In dubbellags microfluïdische chips kan het laminare stromingsregime, en dus het gegenereerde grensvlak tussen continue co-stromingen, worden gemanipuleerd met behulp van pneumatische kooien18,28. Deze apparaten bieden ook effectieve controle over de synthetische route, wat op zijn beurt leidt tot nauwkeurige lokalisatie en opsluiting op oppervlakken18.
Zoals eerder vermeld, is pneumatische activering in dubbellags microfluïdische chips eerder gebruikt voor verschillende toepassingen zoals celopsluiting20, enzymactiviteitsstudies21 en eiwitkristallisatie24. Het hoofddoel van de gerapporteerde aanpak is echter om een platform voor te stellen dat kan worden gebruikt voor het opsluiten en leiden van de coördinatieroute van een kristallijn moleculair materiaal en het regelen van chemische reacties op op het chip opgesloten structuren18,25.
De beschreven methode maakt niet alleen het opsluiten van anisotrope structuren mogelijk, maar kan ook worden gebruikt om deeltjes op oppervlakken te lokaliseren. Toekomstige studies kunnen effectief worden gericht op het ontwerpen van nieuwe klepvormen voor aanvullende toepassingen in de biologie, materiaalkunde en sensortechnologieën. De combinatie van verschillende klepvormen, evenals gewijzigde kanaalhoogten en membraandiktes, kan worden gebruikt om specifieke toepassingen te realiseren, zoals chemische studies op basis van diffusiemix en de lokalisatie van materiaalgroei.
Een verdere toepassing van de beschreven microfluïdische platformen is in de gecontroleerde chemische doping van kristallen, wat kan leiden tot een gerationaliseerde vorming van interfaces in kristallijne structuren19. Deze aanpak biedt ook een breed scala aan post-behandelingen van op het chip opgesloten structuren; een methodologie die ongetwijfeld nieuwe horizonten zal openen in materiaalkunde.
Het is belangrijk om te benadrukken dat het aantal technologieën dat gecontroleerde chemische reacties onder dynamische omstandigheden en op kristallijne materie mogelijk maakt, op dit moment zeer beperkt is, waardoor deze aanpak zeer aantrekkelijk is op het gebied van materialen. Een grote beperking van deze technologie is echter het gebruik van PDMS. PDMS-elastomeer is onverenigbaar met veel organische oplosmiddelen, wat het aantal reacties dat in deze microfluïdische chips kan worden uitgevoerd, beperkt. In de toekomst zal de ontwikkeling van andere elastomeren die bestand zijn tegen een groter aantal organische oplosmiddelen zeer vereist zijn om dit onderzoeksgebied uit te breiden naar andere materialen en chemieën.

Moleculaire materialen zijn al lang bestudeerd in de wetenschappelijke gemeenschap vanwege hun brede aantal toepassingen op gebieden zoals moleculaire elektronica, optica en sensoren 1-4. Onder deze organische geleiders zijn een bijzonder spannende klasse van moleculaire materialen vanwege hun centrale rol in flexibele displays en geïntegreerde functionele apparaten 5,6. Echter, methoden gebruikt om elektronische ladingstransport in moleculaire materialen op basis van in staat zijn beperkt tot de vorming van ladingstransport complexen (CTC&#39;s) en ladingstransport zouten (CTSS) 7-10. Vaak CTCs en CTSS worden gegenereerd door elektrochemische methoden of door directe chemische redoxreacties; processen die een gecontroleerde transformatie van de donor of acceptor groepen belemmeren om meer complexe architecturen, waar multifunctionaliteit gedacht kan worden. Dienovereenkomstig, de opheldering van nieuwe systematische methoden voor de regelbare opwekking en manipulatie van moleculaire basend materialen blijft een belangrijke uitdaging op het gebied van materiaalkunde en moleculaire technologie, en, indien succesvol zal ongetwijfeld leiden tot nieuwe functies en nieuwe technologische toepassingen. In dit verband hebben microfluidic technologieën onlangs gebruikt om moleculaire synthetiseren gebaseerde materialen vanwege hun vermogen tot warmte- en massaoverdracht en de reactie-diffusie hoeveelheid reagentia regelen tijdens een synthesewerkwijze 11,12. Eenvoudig gezegd continu stromen en bij lage Reynoldsgetallen een stabiel raakvlak van twee of meer reagentia stromen kunnen worden bereikt, die de vorming van een goed gecontroleerde reactiezone in de stroombaan, waarbij het ​​mengen alleen plaatsvindt door diffusie 13-16 verschaft. Inderdaad hebben we eerder werkzaam laminaire stroom naar de syntheseroute van kristallijne moleculaire materialen zoals coördinatie polymeren (CP) in microkanalen 17 lokaliseren. Hoewel deze methode is gebleken great belofte realiseren nieuwe CP nanostructuren, de directe integratie van dergelijke structuren op oppervlakken, alsmede gecontroleerde chemische behandeling na maar hun formatie in situ 18 worden gerealiseerd. Om deze beperking te overwinnen, hebben we onlangs aangetoond dat de activering van microfluïdische pneumatische kooien (of kleppen) opgenomen in tweelaags microfluïdische inrichtingen met voordeel kunnen worden gebruikt in dit opzicht. Aangezien het pionierswerk van groep beving 19 zijn microfluïde pneumatische kleppen vaak gebruikt voor eencellige trapping en isolatie 20, enzymatische activiteit onderzoeken 21, vangen van kleine fluïdumvolumes 22, lokalisatie van functionele materialen op oppervlakken 23 en eiwitkristallisatie 24. Wij hebben echter aangetoond dat dubbellaags microfluïdische inrichtingen kunnen worden gebruikt voor het vangen, lokaliseren en te integreren in situ gevormde structuren uitlezen componenten en op oppervlakken 18. Verder hebben we ook aangetoond dat dergelijke technologie kan worden gebruikt om gecontroleerde chemische behandelingen uitvoeren op opgesloten structuren, zodat beide, &#39;microfluïdische ondersteunde ligand uitwisseling &quot;18 en gecontroleerde chemische dotering van organische kristallen 18,25. In beide gevallen kan CTCs worden gesynthetiseerd onder gecontroleerde omstandigheden microfluïdische en in de meest recente studie konden multifunctionaliteit in hetzelfde materiaaldeel worden beschreven. Hierin tonen we de prestaties van deze dubbellaagse microfluïdische elementen die gebruikmaken kleurstof beladen stromen genereren en controleren van de coördinatie route van een CP en de lokalisatie op het oppervlak van een microfluïde kanaal en uiteindelijk beoordelen gecontroleerde chemische behandelingen op on-chip ingesloten structuren.

<table><tbody><tr><td>High resolution film masks</td><td>Microlitho, UK</td><td>-</td><td>Features down to 5 &#956;m</td></tr><tr><td>SU8 photoresist</td><td>MicroChem Corp., USA</td><td>SU8-3050</td><td>-</td></tr><tr><td>Silicon wafers</td><td>Silicon Materials Inc., Germany</td><td>4" Silicon Wafers</td><td>Front surface: polished, Back surface: etched</td></tr><tr><td>Silicone Elastomer KIT (PDMS)</td><td>Dow Corning, USA</td><td>Sylgard&reg; 184</td><td>-</td></tr><tr><td>Spinner</td><td>Suiss MicroTech, Germany</td><td>Delta 80 spinner</td><td>-</td></tr><tr><td>UV-Optometer</td><td>Gigahertz-Optik Inc., USA</td><td>X1-1</td><td>-</td></tr><tr><td>Mask Aligner</td><td>Suiss MicroTech, Germany</td><td>Karl Suss MA/BA6&nbsp;</td><td>-</td></tr><tr><td>SU8 developer</td><td>Micro resist technology GmbH, Germany</td><td>mr-Dev 600</td><td>-</td></tr><tr><td>Trimethylsilyl chloride&nbsp;</td><td>Sigma-Aldrich, Switzerland</td><td>386529</td><td>&ge;97%, CAUTION: Handle it only under fume hood.</td></tr><tr><td>Biopsy puncher</td><td>Miltex GmBH, Germany</td><td>33-31AA-P/25</td><td>1 mm</td></tr><tr><td>Biopsy puncher</td><td>Miltex GmBH, Germany</td><td>33-31A-P/25</td><td>1.5 mm</td></tr><tr><td>Glass coverslip</td><td>Menzel-Glaser, Germany</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 tubing</td><td>PKM SA, Switzerland</td><td>AWG-TFS-XXX</td><td>AWG 20TFS, roll of 100&nbsp;m</td></tr><tr><td>Silicone rubber tubing</td><td>Hi-Tek Products, UK</td><td>-</td><td>1 mm I.D.</td></tr><tr><td>neMESYS Syringe Pumps</td><td>Cetoni GmbH, Germany</td><td>Low Pressure (290N)</td><td>-</td></tr><tr><td>High resolution camera</td><td>Zeiss, Germany</td><td>Axiocam MRc 5</td><td>-</td></tr><tr><td>Fluorescent inverted microscope</td><td>Zeiss, Germany</td><td>Axio Observer A1</td><td>Operable at two wavelengths, i.e., 350 nm and 488 nm</td></tr><tr><td>Green polystyrene fluorescent particles</td><td>Fisher Scientific, Switzerland</td><td>11523363</td><td>Size: 5.0 &#956;m, solid content: 1%</td></tr><tr><td>Silver nitrate (AgNO3)</td><td>Sigma-Aldrich, Switzerland</td><td>209139</td><td>&ge;99.0%</td></tr><tr><td>L-Cysteine (Cys)</td><td>Sigma-Aldrich, Switzerland</td><td>W326305</td><td>&ge;97.0%</td></tr><tr><td>Disposable weighing dish</td><td>Sigma-Aldrich, Switzerland</td><td>Z154881</td><td>L &times; W &times; H : 86&nbsp;mm &times; 86&nbsp;mm &times; 25&nbsp;mm</td></tr><tr><td>Disposable weighing dish</td><td>Sigma-Aldrich, Switzerland</td><td>Z708593</td><td>Hexagonal, Size XL</td></tr><tr><td>Plastic spatula</td><td>Semadeni, Switzerland</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>Disposable scalpels</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>

microfluïdische pneumatische cages: een nieuwe benadering voor de in-chip crystal trapping, manipulatie en gecontroleerde chemische behandeling

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

De precieze lokalisatie en gecontroleerde chemische behandeling van structuren op een oppervlak zijn belangrijke uitdagingen voor gangbare laboratoriumtechnologieën. Hier introduceren we een op microfluïdica gebaseerde technologie, die gebruikmaakt van een dubbellaags microfluïdisch apparaat, dat zowel in situ als ex situ gesynthetiseerde structuren op oppervlakken van microfluïdische kanalen kan vastleggen en lokaliseren. Cruciaal is dat we laten zien hoe een dergelijk apparaat kan worden gebruikt om gecontroleerde chemische reacties uit te voeren op structuren die op het chipoppervlak zijn vastgelegd en we demonstreren hoe de syntheseroute van een kristallijn moleculair materiaal en de plaatsing ervan in een microfluïdisch kanaal nauwkeurig kunnen worden gemodificeerd met deze technologie. Deze aanpak biedt nieuwe mogelijkheden voor de gecontroleerde assemblage van structuren op oppervlakken en voor hun verdere behandeling.

De dubbellaag microfluïdische inrichtingen bestaan ​​uit twee gebonden microfluïdische chips gestructureerd PDMS zie figuur 1. De eerste laag, die tevens verbonden aan een oppervlak wordt gebruikt om vloeistoffen (vloeistoflaag) stroomt, terwijl de tweede laag, die direct is gebonden aan de eerste laag PDMS wordt gebruikt om gas (controlelaag) stromen. <img alt="Figuur 1" src="/files/ftp_upload/54193/54193fig1.jpg" /> Figuur 1. Double-layer microfluïdische apparaat. (A) Schematische weergave en (B) microfoto van de double-layer microfluïdische apparaat gebruikt in ons onderzoek. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/54193/54193fig1large.jpg" target="_blank">Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.</a> Injectie van gas via kanalen inde besturingslaag knijpt de vloeistoflaag naar het oppervlak (Figuur 2A en Figuur 2B), waardoor vangen en lokalisatie van structuren op de microfluïde kanaal oppervlak. PDMS membraan bediening kan worden gebruikt om pneumatische kooien en / of micro-kleppen die worden bestuurd door een pneumatische regelaar genereren. Als voorbeeld modellen van membraan bediening, laten we zien hoe de volledige uitslag van de vloeistof laag vermijdt een kleurstof beladen stroom te laten circuleren onder de klep na de bediening (figuur 2C) en de vangst van fluorescerende microdeeltjes op het microkanaal oppervlak (figuur 2D en 2E) . <img alt="Figuur 2" src="/files/ftp_upload/54193/54193fig2.jpg" /> Figuur 2. Membraan bediening en de vangst van structuren. (A) Side en (B) bovenaanzicht illustraties die de double-layer microfluïdische apparaatvoorstuk (boven) en na (onder) bediening van het pneumatisch ventiel. (C) microfoto van een dubbellaags microfluïdische apparaat voor (boven) en na knijpen van de vloeistoflaag (onder). In bodempaneel, wordt de vloeistoflaag gevuld met een waterige oplossing van rhodamine kleurstof voor een betere beleving van het membraan bediening. (D) Helder-veld microfoto van een dubbellaags microfluïdische apparaat voor (boven) en na (onder) bediening van de klep met een vloeiende waterige oplossing die polystyreen fluorescerende deeltjes (10 gew.%). (E) TL-beelden van de optische microscoop beelden getoond in D. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/54193/54193fig2large.jpg" target="_blank">Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.</a> Figuur 3A illustreert het vangen van in situ gegenereerde CP&#39;s in een double-layer microfluïdische apparaat door middel van actuation van een pneumatische kooi. Merk op dat een nieuwe afstemming route wordt gegenereerd na de bediening van de eerste klep. De klepbediening zorgt het vangen van de Ag (I) Cys CP gegenereerd op het grensvlak van de twee reagentia stromen en vergemakkelijkt de vorming van een nieuwe afstemming route (Figuur 3A). Een gedetailleerde chemische karakterisering van de Ag (I) Cys CP gegenereerd op het grensvlak van de twee reagentia stromen vindt in eerdere studies 17,18. Bovendien, en na verwijdering van de overtollige reagentia oplossingen met een stroom zuiver water (figuur 3B), een verzadigde ascorbinezuur in ethanol kan worden aan de microfluïdische kanaal voor gecontroleerde chemische reductie van on-chip gevangen structuren (Figuur 3C) toegevoegd. Verminderen de klep druk van 3 bar tot 1 bar begunstigt een gecontroleerde chemische behandeling van de gevangen Ag (I) Cys CP onder het geklemde gebied 18. De kleurverandering van gevangen Ag (I) Cys CP tot donkerbruin is eenttributed de vermindering van eenwaardige zilver metaal, in overeenstemming met eerdere waarnemingen 18,29. <img alt="figuur 3" src="/files/ftp_upload/54193/54193fig3.jpg" /> Figuur 3. Trapping van Ag (I) Cys CP en gecontroleerde chemische reductie. (A) image optische microscoop toont het vangen van een in situ gesynthetiseerd Ag (I) Cys CP en het genereren van een nieuwe coördinatie route. (B) Deze coupe van de gevangen CP onder de geklemde gebied na het verwijderen van overtollige reagentia oplossingen met een waterstroom, en (C), microfoto van hetzelfde micro-ventiel na de verlaging reactie proces. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/54193/54193fig3large.jpg" target="_blank">Klik hier om een grotere versie te bekijken dit figuur.</a>

Hier beschrijven we de fabricage en werking van een dubbellaags microfluïdisch systeem gemaakt van polydimethylsiloxaan (PDMS). We tonen het potentieel van dit apparaat aan voor het vangen, richten van de coördinatieroute van een kristallijn moleculair materiaal en het controleren van chemische reacties op in chip gevangen structuren.

Microfluïdische Pneumatische Cages: een nieuwe benadering voor de In-chip Crystal Trapping, manipulatie en gecontroleerde chemische behandeling

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

Het algemene doel van deze benadering is om het potentieel van dit apparaat aan te tonen voor het vangen van, het sturen van het coördinatiepad van een kristallijn moleculair materiaal en het beheersen van chemische reacties op on-chip gevangen structuren. Deze methode kan helpen bij het beantwoorden van kernvragen in het veld van de materiaalkunde, zoals het effect van gecontroleerde chemische behandelingen op de eigenschappen van zelfgeassembleerde structuren. Bovendien is het belangrijk te benadrukken dat het aantal technologieën dat gecontroleerde chemische behandeling onder dynamische omstandigheden mogelijk maakt momenteel zeer beperkt is, waardoor deze benadering zeer aantrekkelijk is in materiaalkundige vakgebieden.Bereid eerst een gesilaniseerde mastermal voor met behulp van SU8-fotolithografie. Het vervuilende partikel is bijzonder gevoelig voor zowel tijd als temperatuur. Elke afwijking van het beschreven tijdsbestek en de temperatuur kan leiden tot de fabricage van een niet-gebonden en dus niet-functioneel apparaat.Bereid het PDMS-mengsel voor door 50 gram van het elastomeer en 10 gram van het uithardingsmiddel in een wegwerpschaaltje te combineren. Meng de componenten volledig met een plastic spatel. Plaats het goed gemengde PDMS vervolgens gedurende 15 minuten in een vacuümdessicator om het mengsel te ontgassen en de ingesloten luchtbellen te verwijderen.Terwijl de eerste batch PDMS wordt ontgast, mengt u een tweede batch met 10 gram elastomeer en 0,5 gram van het uithardingsmiddel. Bevestig vervolgens de mastermold die de controllaag bevat in een rond PTFE-frame van 11 millimeter. Zodra het PDMS-mengsel van vijf-op-één is ontgast, haalt u het uit de vacuümkamer.Giet nu het mengsel van PDMS in een verhouding van vijf op één over de mastermold van de controllaag tot het mengsel het niveau van de rechte verticale wand van het PTFE-frame bereikt. Plaats het vervolgens in de vacuümexsiccator. Plaats tegelijkertijd ook het mengsel van PDMS in een verhouding van 20 op één in de vacuümexsiccator en trek opnieuw een vacuüm.Ontgas zowel de gecoate mastermold als de PDMS met een verhouding van 20 op één gedurende nog eens 30 minuten. Haal ze vervolgens beide uit de desiccator en plaats de mastermold voor de controllaag in een oven die is voorverwarmd tot 80 °C. Terwijl de controllaag bakt, plaatst u de mastermold voor de vloeistoflaag op een spincoater.Giet ongeveer 4 milliliters van het PDMS-mengsel in een verhouding van 20 op één op de mastermold voor de fluidische laag en spin-coat de wafer gedurende 40 seconden bij 1200 rpms om een laag van 60 micrometers dik te verkrijgen. Open na een totale verstreken tijd van één uur de oven, plaats de spin-gecoate wafer naast de controllaag en bak ze samen nog 15 minuten bij 80 graden Celsius. Verwijder vervolgens beide wafers na een totale verstreken tijd van 75 minuten uit de oven.Pel eerst het PDMS-mengsel met een verhouding van vijf op één af voor de controllaag. Snijd de chips uit met een scheermesje. Pons vervolgens de gaten voor de inlaatopeningen met een biopsiepons van 1 mm.Gebruik vervolgens plakband om eventuele resten te verwijderen van de gesneden chips van de controllaag. Zodra de chips schoon zijn, gebruikt u een stereomicroscoop om de chip van de controllaag bovenop de mastermold van de vloeistoflaag uit te lijnen. Giet vervolgens de resterende PDMS rondom de geassembleerde chips en trek deze gelijk.Plaats vervolgens de gehele opstelling in een oven bij 80 °C. Bak de geassembleerde apparaten een nacht lang. Haal de volgende dag de uitgeharde assemblage uit de oven en laat deze afkoelen tot kamertemperatuur.Pel vervolgens de PDMS-assemblage van de mastermold van de vloeistoflaag af. Zodra deze is losgemaakt van de mastermold, worden de vervaardigde dubbellaagse apparaten met een mesje in stukken gesneden en wordt er een biopsiepons van 1,5 millimeter gebruikt om de vloeistofin- en uitlaten te vormen. Behandel vervolgens glazen dekglasjes en de vloeistoflaag van het geassembleerde apparaat gedurende één minuut met een corona-ontlading of gebruik zuurstofplasma, en bond daarna onmiddellijk de twee oppervlakken aan elkaar om het microfluïdische apparaat te voltooien.Bak de gebonden dubbellaagse chips in een oven bij 70 tot 80 graden Celsius gedurende ten minste vier uur. Om het stromingsregime te manipuleren met behulp van een spuitenpomp en een pneumatische controller, sluit u eerst de eerder gevulde spuiten in de spuitenpomp aan op de fluïdische inlaatpoorten van het microfluïdische apparaat en het pneumatische controllersysteem op de controle-inlaatpoorten van het microfluïdische apparaat. Om de stroming te visualiseren, vult u een van de spuiten met een waterige kleurstof en laat u deze met een stroomsnelheid van 20 microliters per minuut in de kamer stromen.Gebruik vervolgens het pneumatische controllersysteem om de klep te sluiten door deze bij drie bar aan te sturen. Het is belangrijk om op te merken dat de vloeistof nog steeds rond de klep kan stromen zodra deze gesloten is; deze eigenschap is essentieel voor het bewerkstelligen van een gecontroleerde chemische behandeling van de ingesloten structuur, zoals coördinatiepolymeren. Om de klep te openen, gebruikt u eenvoudig het controllersysteem om de druk te ontlasten.Terwijl de kleuroplossing door het eerste kanaal stroomt, wordt er een andere waterige vloeistof met dezelfde stroomsnelheid in het tweede inlaatkanaal geïnjecteerd om een interface tussen de twee waterige stromen te vormen. Sluit vervolgens het ventiel door dit bij drie bar te activeren. De activering van het ventiel tijdens de dubbele stroming verandert de interface van de twee waterige stromen.Wijzig vervolgens de vloeistofstroomsvoeten van de twee spuiten naar respectievelijk 30 µL/min en 10 µL/min om de interface tussen de twee vloeistoffen te verschuiven. Om de eigenschap van de klep om microdeeltjes vast te leggen te visualiseren, dient eerst een waterige oplossing te worden bereid die 10% polystyreen fluorescerende microdeeltjes naar gewicht bevat. Voer de vloeistof met de deeltjes in de twee inlaatkanalen in bij een totale stroomsnelheid van 20 µL/min.Wacht twee minuten tot een stabiele stroom is vastgesteld. Exciteer vervolgens de fluorescente beads met een bron met een golflengte van 488 nanometers om de beads optimaal te kunnen bekijken. Sluit de klep vervolgens door deze bij drie bar te activeren.Beeld het gebied van de klep af om verschillende deeltjes te zien die onder de klep gevangen zitten en gelokaliseerd zijn op het oppervlak terwijl de stroming wordt gehandhaafd. De injectie van gas via kanalen in de controllaag perst de vloeistoflaag naar het oppervlak. Dit kan worden gebruikt om vloeistoffen weg te buigen van de regio die wordt aangestuurd door de actuator, hier aangegeven door de afwezigheid van een rhodaminekleurstof.Deze pneumatische actuatoren kunnen ook worden gebruikt om deeltjes of cellen vast te leggen, zoals deze fluorescerende microdeeltjes die op het oppervlak van het microkanaal zijn vastgelegd. Een andere eigenschap van dit apparaat is de mogelijkheid om NC2-gegenereerde coördinatiepolymeren vast te leggen door middel van de activering van de pneumatische kooi. Voor deze opstelling worden twee reagensstromen gebruikt en vindt er een gecontroleerde chemische reactie plaats op de interface van de twee vloeistoffen in de laminaire stroming.Zodra de coördinatiepolymeren zijn vastgelegd, kunnen deze op een gecontroleerde manier chemisch worden behandeld door gebruik te maken van de pneumatische kleppen. Als u deze video bekijkt, moet u een goede basiskennis hebben over hoe u effectief een dubbellaags microfluïdisch apparaat kunt fabriceren, dat kan worden gebruikt om gecontroleerde chemische reacties uit te voeren op diverse buisstructuren. Tijdens het uitvoeren van deze procedure is het belangrijk om u te houden aan het tijdsbestek en de temperatuur die in het huidige protocol worden vermeld.Anders kan deze inspanning leiden tot de fabricage van niet-gebonden of defecte en daardoor niet-functionele apparaten. Na de ontwikkeling heeft deze techniek de weg vrijgemaakt voor onderzoekers in het veld van de materiaalkunde om verschillende soorten in-tube gecontroleerde chemische behandelingen met hoge precisie te verkennen met behulp van een dubbellaags microfluidisch platform.

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

Research

JoVE Journal

Chemistry

Scheikunde

Tonen we protocollen voor de productie en het automatiseren van elastomeer polydimethylsiloxaan (PDMS) op basis van microklep arrays dat er geen extra energie nodig te sluiten en zijn voorzien van photolithographically gedefinieerd precieze volumes. Een parallel subnanoliter-volume mixer en een geïntegreerd microfluïdische perfusie-systeem worden gepresenteerd.

Microfluïdische Chips Gecontroleerde met elastomeer microklep Arrays

In dit artikel presenteren we een microfluïdisch-gebaseerde methode voor deeltjesfysica opsluiting op basis van hydrodynamische stroming. Tonen we stabiel deeltje trapping in op een vloeiende stagnatie punt met behulp van een feedback control mechanisme, waardoor opsluiting en micromanipulatie van willekeurige deeltjes in een geïntegreerde microdevice.

Een Microfluïdische-gebaseerde Hydrodynamische Trap voor Single Particles

In dit artikel presenteren we een microfluïdische chip voor single cell analyse. Het maakt de kwantificering van intracellulaire eiwitten, enzymen, cofactoren, en tweede boodschappers via fluorescentie assays of immunoassays.

Een Microfluïdische Chip voor de Versatile chemische analyse van enkele cellen

Millifluidic apparaten worden gebruikt voor gecontroleerde synthese van nanomaterialen tijdsopgeloste analyse van reactiemechanismen als continu katalyse.

Millifluidics voor chemische synthese en Tijdopgeloste mechanistische studies

We presenteren een methode voor een snelle, omkeerbare immobilisatie van kleine moleculen en gefunctionaliseerde nanodeeltjes assemblages voor Surface Plasmon Resonance (SPR) studies, met behulp van sequentiële on-chip bioorthogonal cycloadditiereactie chemie en antilichaam-antigen capture.

Microfluïdische On-chip Capture-cycloadditiereactie omkeerbaar Immobiliseer Small Molecules of Multi-component Structuren voor biosensortoepassingen

Dit protocol beschrijft een systeemarchitectuur voor het uitvoeren van geautomatiseerde scheidingen van kleine volumes (0,15–1,5 ml) deeltjes met behulp van een microfluïdisch apparaat, en bespreekt methoden om de prestaties en werking van acoustofluïdische apparaten te optimaliseren.

Een microfluïdische platform voor Precision Small-volume monster verwerking en het gebruik ervan te Grootte Aparte Biologische Deeltjes met een akoestische microdevice

Dit protocol beschrijft in detail hoe te fabriceren en te exploiteren van microfluidic apparaten voor röntgendiffractie gegevensverzameling bij kamertemperatuur. Bovendien, het beschrijft hoe eiwitten kristallisatie controleren door Dynamische lichtverstrooiing en hoe om te verwerken en analyseren diffractie gegevens verkregen.

Microfluidic Chips voor In Situ Crystal röntgendiffractie en In Situ Dynamische lichtverstrooiing voor seriële kristallografie

Dit artikel beschrijft het fabricageprotocol van microfluïdische chips ontwikkeld voor on-chip eiwitkristallisatie met de dialysemethode en in situ röntgendiffractie-experimenten. Het microfabricatieproces maakt het mogelijk om een semipermeabel geregenereerd cellulosedialysemembraan te integreren met elke moleculaire gewichtsafsnijd, tussen twee lagen van de chip.

Kristallisatie van eiwitten op chip door microdialyse voor in Situ röntgendiffractiestudies

Het huidige protocol beschrijft een pneumatisch microfluïdisch platform dat kan worden gebruikt voor een efficiënte microdeeltjesconcentratie.

Pneumatisch aangedreven microfluïdisch platform voor microdeeltjesconcentratie

Microfluïdica is een krachtig hulpmiddel voor de ontwikkeling van diagnostische tests. Dure apparatuur en materialen, evenals bewerkelijke fabricage- en handlingtechnieken, zijn echter vaak vereist. Hier beschrijven we het fabricageprotocol van een acryl microfluïdisch apparaat voor magnetische micro- en nanodeeltjesgebaseerde immunoassays in een goedkope en eenvoudig te gebruiken omgeving.

Computer numerieke controle Micromilling van een microfluïdisch acrylapparaat met een gespreide beperking voor magnetische immunoassays op basis van nanodeeltjes

Het huidige protocol beschrijft de kristallisatie van microscopische ijskristallen en clathraathydraten in microfluïdische apparaten, waardoor vloeistofuitwisseling rond de gevormde kristallen mogelijk wordt. Dit biedt ongeëvenaarde mogelijkheden om het kristallisatieproces en de bindingsmechanismen van de remmers te onderzoeken.

Een microfluïdische benadering voor de studie van ijs- en clathraathydraatkristallisatie

Leer hoe je een dubbellaags PDMS-microfluïdische pneumatische cage fabriceert voor het vangen en manipuleren van kristallijne moleculaire materialen. Deze methode maakt gecontroleerde chemische behandeling van op de chip gevangen structuren mogelijk.

Microfluïdische Pneumatische Cages: een nieuwe benadering voor de In-chip Crystal Trapping, manipulatie en gecontroleerde chemische behandeling (Video) | JoVE Journal

Microfluïdische Pneumatische Cages: een nieuwe benadering voor de In-chip Crystal Trapping, manipulatie en gecontroleerde chemische behandeling

Meer video's verkennen