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

Ogólnym celem tego podejścia jest zademonstrowanie potencjału tego urządzenia w zakresie wychwytywania, kierowania ścieżką koordynacji krystalicznego materiału molekularnego oraz kontrolowania reakcji chemicznych w strukturach wychwyconych na chipie. Metoda ta może pomóc w udzieleniu odpowiedzi na kluczowe pytania w dziedzinie nauki o materiałach, takie jak wpływ kontrolowanych zabiegów chemicznych na właściwości struktur samoorganizujących się. Należy podkreślić, że liczba technologii umożliwiających kontrolowaną obróbkę chemiczną w warunkach dynamicznych jest obecnie bardzo ograniczona, co czyni to podejście niezwykle atrakcyjnym w obszarze badań nad materiałami.

Na początek należy przygotować silanizowaną formę główną z wykorzystaniem fotolitografii SU8. Cząstka zanieczyszczająca jest szczególnie wrażliwa zarówno na czas, jak i temperaturę. Jakikolwiek błąd w przestrzeganiu opisanego harmonogramu czasowego i temperatury może doprowadzić do wytworzenia urządzenia niewiązanego, a tym samym niefunkcjonalnego.

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

Podczas odgazowywania pierwszej partii PDMS, przygotuj drugą partię, mieszając 10 g elastomeru i 0,5 g utwardzacza. Następnie zamocuj matrycę główną zawierającą warstwę kontrolną w okrągłej ramce PTFE o średnicy 11 mm. Po odgazowaniu mieszaniny PDMS w stosunku pięć do jednego, wyjmij ją z komory próżniowej.

Teraz wlej mieszaninę PDMS w proporcji pięć do jednego na matrycę warstwy kontrolnej, aż mieszanina osiągnie poziom prostej pionowej ścianki ramy z PTFE. Następnie umieść ją w eksykatore. Jednocześnie umieść w eksykatore również mieszaninę PDMS w proporcji 20 do jednego i ponownie wytwórz próżnię.

Odgazuj zarówno pokrytą formę matkę, jak i PDMS w stosunku 20:1 przez dodatkowe 30 minut. Następnie wyjmij oba elementy z deskryptora i umieść formę matkę warstwy kontrolnej w piekarniku uprzednio rozgrzanym do 80 °C. Podczas wypiekania warstwy kontrolnej umieść formę matkę warstwy fluidycznej na powlekaczu wirówkowym.

Wlej około 4 mililitrów mieszaniny PDMS w stosunku 20:1 na matrycę główną warstwy fluidycznej i poddaj wafelek obróbce w wirówce przez 40 sekund przy 1200 rpms, aby uzyskać warstwę o grubości 60 mikrometrów. Po upływie godziny całkowitego czasu otwórz piec, umieść wafelek z naniesioną warstwą obok warstwy kontrolnej i wypalaj je razem przez dodatkowe 15 minut w temperaturze 80 stopni Celsjusza. Następnie, po upływie łącznie 75 minut, wyjmij oba wafelkii z pieca.

Najpierw odwarstw warstwę kontrolną z mieszaniny PDMS w stosunku pięć do jednego. Wytnij chipy za pomocą żyletki. Następnie wykonaj otwory wlotowe, używając bioptera o średnicy 1 mm.

Następnie za pomocą taśmy klejącej usuń wszelkie zanieczyszczenia z pociętych chipów warstwy kontrolnej. Po oczyszczeniu chipów użyj stereomikroskopu, aby wyrównać chip warstwy kontrolnej na wierzchu formy głównej warstwy fluidycznej. Następnie wlej i rozprowadź pozostałe PDMS wokół zmontowanych chipów.

Następnie umieść cały układ w piecu w temperaturze 80 °C. Wypalaj zmontowane urządzenia przez noc. Następnego dnia wyjmij utwardzony zestaw z pieca i pozwól mu ostygnąć do temperatury pokojowej.

Następnie oddziel zespół PDMS od formy matrycy warstwy płynowej. Po oddzieleniu od formy matrycy, potnij wykonane dwuwarstwowe urządzenia za pomocą skalpela i użyj wycinaka do biopsji o średnicy 1,5 millimeter, aby utworzyć wloty i wyloty płynowe. Następnie poddaj szkiełka podstawowe oraz warstwę płynową zmontowanego urządzenia działaniu wyładowania koronowego przez jedną minutę lub zastosuj plazmę tlenową, a następnie niezwłocznie połącz obie powierzchnie, aby ukończyć budowę urządzenia mikroprzepływowego.

Wypiekaj złączone dwuwarstwowe chipy w piekarniku w temperaturze od 70 do 80 stopni Celsjusza przez co najmniej cztery godziny. Aby manipulować reżimem przepływu za pomocą pompy strzykawkowej i kontrolera pneumatycznego, najpierw podłącz wcześniej napełnione i umieszczone w pompie strzykawki do wlotów płynowych urządzenia mikrofluidycznego, a system kontrolera pneumatycznego do wlotów sterujących urządzenia mikrofluidycznego. Aby zwizualizować przepływ, napełnij jedną ze strzykawek wodnym barwnikiem i wprowadź go do komory z prędkością przepływu 20 µL na minutę.

Następnie należy użyć pneumatycznego systemu sterowania, aby zamknąć zawór, aktywując go przy ciśnieniu trzech barów. Należy zauważyć, że po zamknięciu zaworu płyn może nadal przepływać wokół niego, co jest istotne dla zapewnienia kontrolowanej obróbki chemicznej uwięzionej struktury, takiej jak polimery koordynacyjne. Aby otworzyć zawór, wystarczy użyć systemu sterowania w celu zwolnienia ciśnienia.

Podczas przepływu roztworu barwnika przez pierwszy kanał, wstrzyknij inny płyn wodny do drugiego kanału wlotowego z taką samą prędkością przepływu, aby utworzyć granicę między dwoma strumieniami wodnymi. Następnie zamknij zawór, uruchamiając go pod ciśnieniem trzech bar. Uruchomienie zaworu podczas podwójnego przepływu zmienia granicę między dwoma strumieniami wodnymi.

Następnie zmień szybkości przepływu cieczy w dwóch strzykawkach odpowiednio na 30 µL/min oraz 10 µL/min, aby przesunąć granicę między obiema cieczami. W celu zwizualizowania zdolności zaworu do wychwytywania mikrocząstek, przygotuj najpierw wodny roztwór zawierający 10% wagowych fluorescencyjnych mikrocząstek polistyrenu. Wprowadź ciecz z zawiesiną cząstek do dwóch kanałów wlotowych z całkowitą szybkością przepływu 20 µL/min.

Odczekaj dwie minuty do czasu ustabilizowania przepływu. Następnie wzbudź fluorescencyjne kuleczki za pomocą źródła o długości fali 488 nanometrów, aby uzyskać najlepszą widoczność kuleczek. Po przygotowaniu zamknij zawór, przykładając ciśnienie trzech barów.

Obrazuj obszar zaworu, aby zaobserwować kilka cząstek uwięzionych pod zaworem oraz zlokalizowanych na powierzchni podczas utrzymywania przepływu. Wtryskiwanie gazu przez kanały w warstwie sterującej ściska warstwę cieczy w kierunku powierzchni. Można tego użyć do odchylenia płynów wokół obszaru kontrolowanego przez aktuator, co w tym przypadku jest wskazane przez brak barwnika rhodaminy.

Te pneumatyczne siłowniki mogą być również wykorzystywane do wychwytywania cząsteczek lub komórek, takich jak te fluorescencyjne mikrocząstki, które zostały zatrzymane na powierzchni mikrokanału. Inną cechą tego urządzenia jest zdolność do wychwytywania generowanych wewnątrz NC2 polimerów koordynacyjnych poprzez aktywację pneumatycznej klatki. W tej konfiguracji wykorzystuje się dwa przepływy reagentów, a kontrolowana reakcja chemiczna zachodzi na granicy dwóch cieczy w przepływie laminarnym.

Po uwięzieniu polimery koordynacyjne mogą być poddawane obróbce chemicznej w sposób kontrolowany przy użyciu zaworów pneumatycznych. Oglądając ten film, powinieneś posiadać biegłą wiedzę na temat efektywnego wytwarzania dwuwarstwowego urządzenia mikroprzepływowego, które może być wykorzystywane do przeprowadzania kontrolowanych reakcji chemicznych w różnych strukturach rurek. Podczas wykonywania tej procedury ważne jest przestrzeganie ram czasowych oraz temperatury opisanych w niniejszym protokole.

W przeciwnym razie podjęte działania mogą doprowadzić do wytworzenia urządzeń niewiązanych lub wadliwych, a w konsekwencji niefunkcjonalnych. Po opracowaniu technika ta otworzyła badaczom z dziedziny nauki o materiałach drogę do precyzyjnego eksplorowania różnych rodzajów kontrolowanych obróbek chemicznych wewnątrz kanałów z wykorzystaniem dwuwarstwowej platformy mikroprzepływowej.