Mikroprzepływowe klatki pneumatyczne: nowatorskie podejście do wychwytywania kryształów w chipach, manipulacji i kontrolowanej obróbki chemicznej

Tutaj opisujemy wytwarzanie i działanie dwuwarstwowego systemu mikroprzepływowego wykonanego z polidimetylosiloksanu (PDMS). Pokazujemy potencjał tego urządzenia w zakresie wychwytywania, kierowania szlakiem koordynacyjnym krystalicznego materiału molekularnego i kontrolowania reakcji chemicznych na uwięzionych strukturach na chipie.

Ogólnym celem tego podejścia jest zademonstrowanie potencjału tego urządzenia w zakresie wychwytywania, kierowania szlakiem koordynacyjnym krystalicznego materiału molekularnego i kontrolowania reakcji chemicznych na strukturach uwięzionych na chipie. Metoda ta może pomóc odpowiedzieć na kluczowe pytania w dziedzinie materiałoznawstwa, takie jak wpływ kontrolowanych zabiegów chemicznych na właściwości samoorganizujących się konstrukcji. Należy podkreślić, że liczba technologii umożliwiających kontrolowaną obróbkę chemiczną w warunkach dynamicznych jest obecnie bardzo ograniczona, co czyni to podejście bardzo atrakcyjnym w dziedzinie materiałów.

Na początek przygotuj silanizowaną formę wzorcową za pomocą fotolitografii SU8. Cząstka zanieczyszczenia jest szczególnie wrażliwa zarówno na czas, jak i temperaturę. Nieprzestrzeganie opisanych ram czasowych i temperatur może prowadzić do wytworzenia niepołączonego, a zatem niefunkcjonalnego urządzenia.

Przygotuj mieszaninę PDMS, łącząc 50 gramów elastomeru i 10 gramów utwardzacza w jednorazowym naczyniu wagowym. Całkowicie wymieszaj składniki za pomocą plastikowej szpatułki. Następnie umieść dobrze wymieszany PDMS w eksykatorze pod próżnią na 15 minut, aby odgazować mieszaninę i usunąć uwięzione pęcherzyki.

Podczas odgazowywania pierwszej partii PDMS należy wymieszać drugą partię za pomocą 10 gramów elastomeru i 0,5 grama utwardzacza. Następnie zamocuj formę wzorcową zawierającą warstwę kontrolną w okrągłej ramie z PTFE o grubości 11 milimetrów. Po odgazowaniu mieszaniny PDMS w proporcji pięć do jednego, wyjmij ją z komory próżniowej.

Teraz wlej mieszaninę PDMS pięć do jednego na formę główną warstwy kontrolnej, aż mieszanina osiągnie poziom prostej pionowej ścianki ramy PTFE. A następnie umieść go w eksykatorze. W tym samym czasie należy również umieścić mieszaninę PDMS w proporcji 20 do jednego w eksykatorze i ponownie uruchomić próżnię.

Odgazowuje zarówno powlekaną formę główną, jak i stosunek 20 do jednego PDMS przez dodatkowe 30 minut. Następnie wyjmij oba z eksykatora i umieść formę wzorcową warstwy kontrolnej w piekarniku nagrzanym do 80 stopni Celsjusza. Podczas pieczenia warstwy kontrolnej umieść formę wzorcową warstwy płynnej na powlekarce wirowej.

Wlej około 4 mililitrów 20 do jednej mieszaniny PDMS na formę główną dla warstwy płynnej i obracaj płytkę przez 40 sekund przy 1200 obr./min, aby uzyskać warstwę o grubości 60 mikrometrów. Po upływie godziny otwórz piekarnik, umieść wirową wafel obok warstwy kontrolnej i piecz je razem przez dodatkowe 15 minut w temperaturze 80 stopni Celsjusza. Następnie, po upływie 75 minut, wyjmij obie wafle z piekarnika.

Najpierw oderwij mieszaninę PDMS pięć do jednego na warstwę kontrolną. Wytnij wióry za pomocą żyletki. A następnie przebij otwory na wloty za pomocą jednomilimetrowego stempla do biopsji.

Następnie użyj taśmy klejącej, aby usunąć wszelkie zanieczyszczenia z pokrojonych w kostkę wiórów warstwy kontrolnej. Gdy wióry są czyste, użyj mikroskopu stereoskopowego, aby wyrównać chip warstwy kontrolnej na górze formy głównej warstwy płynowej. Następnie wlej i narysuj resztki PDMS wokół zmontowanych chipów.

I wstaw cały zestaw do piekarnika nagrzanego do 80 stopni Celsjusza. Zmontowane urządzenia upiecz przez noc. Następnego dnia wyjmij utwardzony zestaw z piekarnika i pozwól mu ostygnąć do temperatury pokojowej.

Następnie odklej zespół PDMS od formy głównej warstwy płynu. Po uwolnieniu z głównej formy pokrój w kostkę wyprodukowane dwuwarstwowe urządzenia za pomocą ostrza i użyj 1,5-milimetrowego stempla biopsyjnego, aby uformować wloty i wyloty płynu. Następnie potraktuj szklane szkiełka nakrywkowe i warstwę płynną zmontowanego urządzenia wyładowaniem koronowym przez jedną minutę lub użyj plazmy tlenowej, a następnie natychmiast połącz obie powierzchnie ze sobą, aby ukończyć urządzenie mikroprzepływowe.

Piecz połączone dwuwarstwowe frytki w piekarniku w temperaturze od 70 do 80 stopni Celsjusza przez co najmniej cztery godziny. W celu manipulowania przepływem za pomocą pompy strzykawkowej i sterownika pneumatycznego, należy najpierw podłączyć strzykawki wcześniej załadowane i umieszczone w pompie strzykawkowej do wlotów płynów urządzenia mikroprzepływowego i pneumatyczny układ sterowania do wlotów sterujących urządzenia mikroprzepływowego. Aby zobrazować przepływ, załaduj jedną ze strzykawek wodnym barwnikiem i wlej ją do komory z natężeniem przepływu 20 mikrolitrów na minutę.

Następnie użyj pneumatycznego układu sterowania, aby zamknąć zawór, uruchamiając go przy trzech barach. Ważne jest, aby pamiętać, że płyn może nadal przepływać wokół zaworu po jego zamknięciu, a ta cecha jest ważna dla uzyskania kontrolowanej obróbki chemicznej uwięzionych struktur, takich jak polimery koordynacyjne. Aby otworzyć zawór, wystarczy użyć systemu sterownika, aby zwolnić ciśnienie.

Podczas gdy roztwór matrycy przepływa przez pierwszy kanał, wstrzyknij inny płyn wodny do drugiego kanału wlotowego o tym samym natężeniu przepływu, aby utworzyć granicę faz między dwoma przepływami wodnymi. Następnie zamknij zawór, uruchamiając go przy trzech barach. Uruchomienie zaworu podczas podwójnego przepływu zmienia granicę faz dwóch przepływów wodnych.

Następnie zmień natężenie przepływu płynu w obu strzykawkach odpowiednio na 30 mikrolitrów na minutę i 10 mikrolitrów na minutę, aby przesunąć granicę faz między dwoma płynami. Aby zobrazować zdolność zaworu do wychwytywania mikrocząstek, należy najpierw przygotować roztwór wodny zawierający wagowo 10% polistyrenowych mikrocząstek fluorescencyjnych. Wprowadź płyn obciążony cząstkami do dwóch kanałów wlotowych z łącznym natężeniem przepływu 20 mikrolitrów na minutę.

Odczekaj dwie minuty, aż ustabilizuje się przepływ. Następnie wzbudz koraliki fluorescencyjne za pomocą źródła o długości fali 488 nanometrów, aby jak najlepiej zobaczyć koraliki. Gdy będziesz gotowy, uruchom zawór przy trzech barach, aby go zamknąć.

Wyobraź sobie obszar zaworu, aby zobaczyć kilka cząstek uwięzionych pod zaworem i zlokalizowanych na powierzchni, podczas gdy przepływ jest utrzymywany. Wtryskiwanie gazu przez kanały w warstwie kontrolnej ściska warstwę płynu w kierunku powierzchni. Można to wykorzystać do odchylania płynów w obszarze kontrolowanym przez siłownik, na co wskazuje brak barwnika rodaminy.

Te siłowniki pneumatyczne mogą być również używane do wychwytywania cząstek lub komórek, takich jak te fluorescencyjne mikrocząstki, które zostały uwięzione na powierzchni mikrokanału. Kolejną cechą tego urządzenia jest jego zdolność do wychwytywania polimerów koordynacyjnych generowanych przez NC2 poprzez uruchamianie klatki pneumatycznej. Do tej konfiguracji używane są dwa strumienie odczynników, a kontrolowana reakcja chemiczna zachodzi na granicy dwóch cieczy w przepływie laminarnym.

Po uwięzieniu polimery koordynacyjne mogą być poddawane kontrolowanej obróbce chemicznej za pomocą zaworów pneumatycznych. Jeśli oglądasz ten film, powinieneś dobrze wiedzieć, jak skutecznie wytworzyć dwuwarstwowe urządzenie mikroprzepływowe, które może być używane do przeprowadzania kontrolowanych reakcji chemicznych na różnych strukturach rurowych. Próbując wykonać tę procedurę, ważne jest, aby być ograniczonym do ram czasowych i temperatury zgłoszonych w niniejszym protokole.

W przeciwnym razie Twój wysiłek może doprowadzić do wytworzenia niezwiązanych lub wadliwych, a tym samym niefunkcjonalnych urządzeń. Po opracowaniu, technika ta utorowała drogę naukowcom w dziedzinie materiałoznawstwa do badania różnych rodzajów kontrolowanych w rurach zabiegów chemicznych z dużą precyzją przy użyciu dwuwarstwowej platformy mikroprzepływowej.