Name: Gaiolas pneumáticas microfluídicos: uma nova abordagem para In-chip de cristal Trapping, Manipulação e controlada Tratamento Químico (Vídeo) | JoVE Journal
Uploaded: 2016-07-12T15:00:00.000+00:00
Duration: 9 min 34 s
Description: Aprenda a fabricar dispositivos microfluídicos de dupla camada em PDMS para aprisionar materiais cristalinos e controlar reações químicas em chip. Este método avança pesquisas em ciência dos materiais.

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Os autores gostariam de agradecer o apoio financeiro da Swiss National Science Foundation (SNF) através do projeto nº 200021_160174.

Nota: Duas camadas de um dispositivo microfluídico de camada dupla são projetados usando um software de desenho, por exemplo, AutoCAD e impresso para formar máscaras de filmes de alta resolução, com um limite de precisão recurso de 5 mm. moldes mestres são criados por SU-8 litografia em 4 &quot;bolachas de silício, o que permite a produção de estruturas de 50 um em altura. 1. fabricação de moldes Mestre Usando SU-8 fotolitografia <ol><li> Coloque a bolacha de silício sobre uma placa quente a 200 ° C durante 10 min para se desidratar. Nota: Silicon wafer desidratação proporciona um contato melhor e garante a difusão do SU-8 fotorresiste durante a etapa de revestimento por rotação. </li><li> Arrefece-se a bolacha desidratado até à temperatura ambiente ao longo de um período de 3 min. </li><li> Carregar a bolacha sobre um revestidor de rotação e depósito 4 ml de SU-8 fotorresistente (aproximadamente 1 ml de SU-8 por polegada do substrato), no centro da bolacha. <ol><li> Em primeiro lugar, espalhar o SU-8 depositado lentamente em 500 Revolutions por minuto (rpm) durante 10 seg. Tal velocidade de rotação assegura que a cobertura SU-8 é aumentada através da superfície inteira da bolacha. </li><li> Por outro lado, controlar a espessura da SU-8 por rotação do substrato a velocidades mais elevadas. Nos experimentos atuais, use uma velocidade de centrifugação de 3000 rpm durante 30 segundos para gerar SU-8 possui 50 mm de altura. </li></ol></li><li> Limpe o talão borda do wafer cuidadosamente com um algodão limpe enquanto girando em baixa rotação (tipicamente 100 rpm). </li><li> Aquece-se a bolacha revestidos por rotação sobre um placa quente a 95 ° C durante 15 min para remover o solvente residual do SU-8 (ou seja, &quot;cozer macia&quot;). Nota: A presença de padrões ou &quot;rugas&quot; na camada de resistir indica a remoção incompleta de solvente. </li><li> Arrefece-se a bolacha de volta para baixo até à temperatura ambiente e contactar o lado da emulsão de impresso a foto-mascara com a bolacha antes da exposição. </li><li> Ligue a unidade de lâmpada UV e exposição e deixe o sistema estabilizar durante um período de 10 mno. medir a intensidade da lâmpada a 365 nm usando um UV-optómetro e estimar o tempo de exposição necessário (em função do tempo de exposição = energia / intensidade a 365 nm). Nota: A exposição a energia nas experiências actuais foi calculada como sendo de 250 mJ / cm 2. </li><li> Expor o fotomáscara sobre a pastilha revestida por rotação à luz UV durante o tempo estimado na etapa anterior. Aqui, expor para 79,6 seg. </li><li> Imediatamente após a exposição, cozer a bolacha exposta numa placa quente a 65 ° C durante 1 min e, subsequentemente, a 95 ° C durante 5 min. Neste passo, a reacção é iniciada pela -Luz UV e completada após a cozedura. </li><li> Deixar a bolacha pós-cozido a arrefecer até à temperatura ambiente ao longo de um período de 3 min. </li><li> Desenvolver o SU-8 não reticulado sobre a bolacha, dissolvendo-o no revelador SU-8 ao longo de 8 min. Para assegurar a remoção completa de SU-8 não reticulado, dividir o processo em duas etapas. <ol><li> No primeiro, mergulhar a bolacha na solução reveladora durante 5 min, removendo a maioria dos não reticulado SU-8. </li><li> Em seguida, mergulhar a bolacha numa solução de revelador fresco durante 3 min para dissolver o restante não reticulado SU-8 (tipicamente preso entre as estruturas de ligação cruzada). </li></ol></li><li> Lavar a bolacha desenvolvido com isopropanol e deixar a bolacha ter estruturas modeladas (a seguir referida como &quot;molde mestre&quot;) ficar a secar. Observação de um resíduo leitoso Com a sua remoção do molde mestre indica que o desenvolvimento é incompleta. </li><li> Aquecer o molde mestre seca sobre uma placa quente a 200 ° C durante 2-5 min para &quot;cozer duro&quot; o substrato e recozimento potenciais fendas no resistir. </li><li> Permitir que o molde mestre fabricado a arrefecer até à temperatura ambiente. </li><li> Coloque o molde mestre num exsicador (ligada a uma bomba de vácuo) dentro de um extractor de fumo. </li><li> Pour 100 ul de cloreto de trimetilsililo (TMCS) para uma proveta de vidro e coloque este no interior do exsicador. CUIDADO: TMCS é inflamável, corrosivE e tóxicos; Assim, etapas de manipulação deve ser realizada sob um exaustor, com o usuário com luvas de protecção, óculos e um casaco de laboratório. </li><li> Coloque o secador sob vácuo e aguarde pelo menos 1 hora para permitir que o vapor TMCS para depositar na superfície do mestre molde. </li><li> Após 1 h, equilibrar lentamente a pressão dentro do exsicador e aberto para a atmosfera. CUIDADO: Não respirar diretamente acima do secador aberto. </li><li> Remover o mestre silanizada e fechar o exsicador. </li></ol> 2. Fabricação de dupla camada microfluídicos Nota: O protocolo é particularmente sensível para o tempo e a temperatura. Qualquer falha em seguir para o período de tempo e temperatura pode levar à fabricação de dispositivos não-ligado, e, portanto, não-funcionais. <ol><li> Pour uma mistura de PDMS elastómero e agente de cura (5: 1 em peso) em um prato de pesagem e completamente descartável misturar com uma espátula de plástico. Na experiência actuals, utilizar 50 g de elastómero e 10 g de agente de cura para formar uma camada de PDMS de aproximadamente 5 mm de altura de 19,26. </li><li> Coloque o PDMS bem misturados num exsicador sob vácuo para desgaseificar e remover bolhas de ar durante 15 min. </li><li> Misture PDMS elastómero e agente de cura (20: 1 em peso) em um prato de pesagem descartável (por exemplo, 10 g de elastómero e 0,5 g de agente de cura) 19,26. </li><li> Fixar a &quot;camada de controle&quot; molde mestre em um quadro (nas experiências atuais, um anel de 11 milímetros rodada de politetrafluoretileno (PTFE)). </li><li> Após 15 minutos, colocar a mistura 20: 1 de PDMS no exsicador sob vácuo durante a desgaseificação. </li><li> Ao mesmo tempo que a etapa anterior, tirar a 5: 1 mistura de PDMS do exsicador e despeje esta na &quot;camada de controlo de&quot; molde mestre que está localizado no interior da estrutura redonda. Coloque o quadro contendo o PDMS e molde mestre em exsicador sob vácuo também. Mantenha o PDMS excedente. </li><li> Depois de 45 minutos (e 30 min após putting tanto PDMS misturas em exsicador), levar tanto PDMS misturas para fora do exsicador e colocar a moldura contendo 5: 1 PDMS e a &quot;camada de controlo de&quot; molde mestre num forno a 80 ° C. </li><li> Ao mesmo tempo, começam a girar o revestimento &quot;camada fluidificada&quot; molde mestre com o 20: 1 mistura de PDMS. A velocidade de rotação para revestimento por rotação é determinada com base na altura desejada, e tem sido relatada noutro local 27. Destinam-se a pôr termo spin coating a 60 min e manter os PDMS residuais. </li><li> Após 60 min, colocou o &quot;fluidic camada de&quot; mestre molde rodada revestido com 20: 1 PDMS em um forno a 80 ° C. </li><li> Aos 75 min, tome ambos os moldes mestres de sair do forno. </li><li> Retire apenas as 5: PDMS 1 da &quot;camada de controle&quot; molde mestre, dados do substrato com uma lâmina e perfurar os orifícios para níveis de controlo com um perfurador de biópsia 1 mm nas posições enseadas determinados no design. Aqui, a camada de controlo é de 24 mm de comprimento e 24 mm de largura. </li><li> Rdetritos emove a partir de lascas em cubos com fita adesiva. </li><li> Montar manualmente os cubos perfurados e camada de controlo de fichas no topo do 20: 1 rotação PDMS revestido sobre o molde mestre &quot;camada fluidificada&quot; usando um estereomicroscópio com a ampliação de 500X (Figura 1). </li><li> Pour e desenhar o PDMS residuais em torno das fichas montados para fazer uma camada de PDMS mais grosso e, assim, facilitar a remoção das camadas de fluidos e de controlo ligados no final. </li><li> Coloque a &quot;camada fluidificada&quot; molde mestre contendo os dois dispositivos de camada num forno a 80 ° C e armazenar durante a noite. </li><li> No dia seguinte, tomar o conjunto curado de sair do forno e deixe esfriar à temperatura ambiente. </li><li> Retire o conjunto do PDMS da &quot;camada fluídica&quot; molde mestre, dados os fabricados dispositivos de dupla camada com uma lâmina (24 mm de comprimento e 24 mm de largura) e socos fluídicos entradas / saídas com um perfurador de biópsia de 1,5 mm. </li><li> Trate a superfície de chips com open canais e lamelas de vidro (24 mm x 40 mm) com uma descarga de coroa e imediatamente ligar-los juntos. Trate movendo a descarga de coroa sobre a laje e vidro lamela PDMS mais de 1 min. Como alternativa, use um sistema de plasma de bancada para facilitar a ligação. </li><li> Armazenar as fichas de camada dupla ligação num forno a 70-80 ° C durante pelo menos 4 h. </li></ol> 3. Montagem do Sistema Microfluidic <ol><li> Depois de o dispositivo de microfluidos foi montado, ligar as entradas camada fluídicos do chip para os reservatórios de fluidos (seringas), utilizando tubos de politetrafluoroetileno (PTFE) de 0,8 mm (ID). </li><li> Ligue a fonte de alimentação de pressão para as entradas de camada de controle que usam tubos de borracha de silicone e conectores metálicos que têm um diâmetro externo de 1,6 mm. </li><li> Abrir e fechar as válvulas através da aplicação de ar pressurizado a 3 bar usando uma fonte de pressão que é operado manualmente. fluidos de abastecimento para os canais usando uma série de bombas de seringa controlada por computador. </li><li> Visualizar a actuação de válvulas e o funcionamento do dispositivo com uma câmara de alta resolução montada num microscópio invertido. Use 5X a 63X de ampliação. </li></ol> 4. A manipulação do regime de fluxo laminar por pneumático gaiola de atuação Nota: A camada fluidificada é composto por dois canais de entrada de ar convergentes, que são de 150 um de largura, para um canal principal mais largo 300 um de largura. E a camada de controlo tem uma série de válvulas rectangulares idênticas (250 um x 200 fim) que estão localizados na parte superior do canal principal fluídica. <ol><li> Uma vez que o set-up está ligado à bomba de seringa e sistemas controlador pneumático, introduzir um fluxo de corante aquosa através de um dos canais de entrada de ar a um caudal de 20 ul / min. </li><li> Fechar a válvula acionando-o a 3 bar. </li><li> Esteja ciente de que o fluido pode ainda fluir ao redor da válvula. Esta característica é importante na obtenção de tratamento químico controlado das estruturas presas 18,25 &lt;/ Sup&gt;. </li><li> Abrir a válvula, liberando a pressão. </li><li> Enquanto a solução corante flui através do primeiro canal, injectar um outro fluido aquoso para dentro do segundo canal de entrada em 20 ul / min. Uma interface entre dois fluxos aquosos é formada devido ao regime de fluxo laminar presente no dispositivo de microfluidos. </li><li> Fechar a válvula acionando-o a 3 bar. Neste caso, o accionamento da válvula muda a interface dos dois fluxos aquosos; um resultado que pode ser usado para modificar a via de síntese durante a formação de um CP (vide infra) 18,28. </li><li> Mudar as taxas de fluxo de fluido a 30 ul / min e 10 mL / min e observar a jusante ou se deslocada para guiamento da interface gerada entre os dois fluidos. </li></ol> 5. Localização dos Micropartículas <ol><li> Ligue o chip de dupla camada fabricada para a bomba de seringa e sistemas de controle pneumáticas. </li><li> Preparar uma solução aquosa contendo 10 wt.% De poliestirenopartículas fluorescentes (5 um de diâmetro, de excitação e de emissão máxima em 468 nm e 508 nm, respectivamente). </li><li> Use fonte de excitação de laser operando a um comprimento de onda de 488 nm. </li><li> Introduzir o fluido de partículas carregadas para os dois canais de entrada de ar a um caudal total de 20 ul / min. </li><li> Esperar por 2 min, até que um fluxo estável é estabelecida. </li><li> Actua a válvula a 3 bar para a fechar. Vários partículas vai ser preso debaixo da válvula e localizadas na superfície, enquanto o fluxo é mantida. </li></ol> 6. Geração e redução controlada de um polímero de Coordenação (CP) <ol><li> Prepara-se uma solução aquosa de nitrato de prata 2,5 mM (AgNO3). </li><li> Prepara-se uma solução aquosa 2,5 mM de cisteína (Cys). </li><li> Prepara-se uma solução saturada de ácido ascórbico em 18 etanol. </li><li> Utilizar o mesmo chip de camada dupla e injectar os dois reagentes para os dois canais de entrada de ar (um reagente por entrada) cada com um caudal de50 ul / min. </li><li> Observar a formação de prata e CPs cisteína (Ag (I) Cys) na interface de duas vapores co-corrente. </li><li> Accionar a válvula de 3 bar para interceptar o Ag formado (I) Cys CPs debaixo da válvula. </li><li> água destilada nivelado para os canais de entrada de ar a um caudal de 50 ul / min para lavar os reagentes excedentários utilizados durante o processo de síntese. </li><li> Libertar a pressão e abre a válvula. Os CPs gerados permanecem debaixo da válvula sob condições de fluxo interrompido. </li><li> A fim de realizar uma redução química controlada de Ag preso (I) Cys cps, libertar a pressão da válvula a 1 bar e lavar a solução de ácido ascórbico saturado em etanol, a uma taxa de fluxo de 10 ul / min. </li><li> Observar uma mudança de cor clara, que é atribuído à redução de Ag (I) de prata metálica (Ag (0)) pelo ácido ascórbico 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>

Os autores não têm nada a divulgar.

A abordagem relatada pode ser facilmente modificada para fabricar diferentes formas de válvulas para permitir outras aplicações, como confinamento de fluidos. De fato, a flexibilidade deste protocolo também permite a modificação da espessura da camada inferior e, portanto, da membrana PDMS, de algumas dezenas para algumas centenas de mícrons para atender a qualquer aplicação de interesse. Além disso, as dimensões das estruturas em cada camada do dispositivo podem ser otimizadas para a aplicação desejada e várias alturas de estruturas nos moldes mestres podem ser simplesmente alcançadas girando o fotorresistente em diferentes velocidades. Girar o fotorresistente em uma velocidade mais alta resulta em estruturas mais finas. 
Para melhor implementar o protocolo, um ambiente de sala limpa para a fabricação dos moldes mestres é substancialmente essencial; caso contrário, o procedimento de fabricação levará a moldes mestres defeituosos e, portanto, a dispositivos microfluídicos inutilizáveis. Dois aspectos críticos devem ser enfatizados neste protocolo: i) a temperatura constante do forno que precisa ser ajustada para 80 °C e ii) o período de tempo programado entre os processos que deve ser cumprido com precisão. Qualquer modificação de temperatura e período de tempo no protocolo pode levar a chips não ligados e, portanto, a dispositivos não funcionais.
As condições "livres de turbulência" normalmente encontradas em sistemas microfluídicos foram recentemente empregadas para a geração de microestruturas ou materiais molecularesdentro e fora de chips microfluídicos de camada única31. Em chips microfluídicos de camada dupla, o regime de fluxo laminar e, portanto, a interface gerada entre cofluxos contínuos podem ser manipulados usando gaiolas pneumáticas18,28. Esses dispositivos também fornecem controle efetivo sobre a via sintética, o que, por sua vez, leva à localização precisa e ao aprisionamento nas superfícies18. 
Como mencionado anteriormente, a atuação pneumática em chips microfluídicos de camada dupla foi empregada anteriormente para várias aplicações, como aprisionamento celular20, estudos de atividade enzimática21 e cristalização de proteínas24. No entanto, o principal objetivo da abordagem relatada é propor uma plataforma a ser usada para capturar e direcionar a via de coordenação de um material molecular cristalino e controlar reações químicas em estruturas presas no chip18,25. 
O método descrito não permite apenas o aprisionamento de estruturas anisotrópicas, mas também pode ser usado para localizar partículas em superfícies. Estudos futuros podem ser efetivamente direcionados para o projeto de novas formas de válvulas para aplicação adicional em biologia, ciência dos materiais e tecnologias de sensores. A combinação de diferentes formas de válvulas, bem como alturas de canal e espessuras de membrana alteradas, pode ser empregada para atender a aplicações específicas, como estudos químicos baseados em mistura difusional e localização do crescimento do material.
Uma outra aplicação das plataformas microfluídicas descritas é na dopagem química controlada de cristais, o que pode levar a uma formação racionalizada de interfaces em estruturas cristalinas19. Essa abordagem também fornece uma ampla gama de pós-tratamentos de estruturas presas no chip; uma metodologia que, sem dúvida, abrirá novos horizontes na engenharia de materiais.
É importante sublinhar que o número de tecnologias que permitem reações químicas controladas sob condições dinâmicas e em matéria cristalina é muito limitado atualmente, tornando essa abordagem muito atraente em campos relacionados a materiais. No entanto, uma grande limitação dessa tecnologia é o uso do PDMS. O elastômero PDMS é incompatível com muitos solventes orgânicos, o que limita o número de reações que podem ser conduzidas dentro desses chips microfluídicos. No futuro, o desenvolvimento de outros elastômeros que possam tolerar e ser estáveis contra um número mais amplo de solventes orgânicos será altamente necessário para expandir esse campo de pesquisa para outros materiais e produtos químicos.

Materiais moleculares têm sido muito estudada na comunidade científica devido ao seu amplo número de aplicações em campos como a eletrônica molecular, óptica e sensores 1-4. Entre estes, os condutores orgânicos são uma classe especialmente excitante de materiais moleculares por causa de seu papel central na displays flexíveis e dispositivos funcionais integradas 5,6. No entanto, as metodologias utilizadas para permitir o transporte de carga electrónica em materiais de base molecular estão restritas à formação de complexos de transporte de carga (CTCs) e sais de transporte de carga (CTSS) 7-10. Frequentemente, CTCs e CTSS são gerados por métodos electroquímicos, ou por reações redox químicos diretos; processos que dificultam uma transformação controlada de doadores ou aceitadores porções de arquiteturas mais complexas onde multifuncionalidade pode ser concebido. Assim, a elucidação dos novos métodos sistemáticos para a geração e manipulação de base molecular controlávelmateriais d continua a ser um desafio significativo nos campos da ciência de materiais e engenharia molecular, e se for bem sucedida, sem dúvida, levar a novas funções e novas aplicações tecnológicas. Neste contexto, as tecnologias de microfluidos foram recentemente utilizados para sintetizar materiais de base molecular devido à sua capacidade para controlar a transferência de calor e massa, bem como o volume da reacção em difusão dos reagentes durante um processo sintético 11,12. Simplificando, em fluxos contínuos e em baixos números de Reynolds uma interface estável entre dois ou mais fluxos de reagentes pode ser alcançado, o que origina a formação de uma zona de reacção bem controlado no interior do percurso de escoamento, em que a mistura só ocorre através da difusão 13-16. Com efeito, temos utilizado anteriormente fluxos laminares para localizar a via de síntese dos materiais moleculares cristalinos, tais como polímeros de coordenação (CPS) dentro de canais de microfluidos 17. Embora esta metodologia revelou gpromessa reat na realização de nanoestruturas romance CP, a integração directa de tais estruturas em superfícies, bem como tratamento químico controlada após a sua formação tem ainda a ser realizado in situ 18. Para superar esta limitação, temos mostrado recentemente que a actuação de gaiolas de microfluidos pneumático (ou válvulas) incorporadas em dispositivos de microfluidos de duas camadas pode ser vantajosamente utilizado a este respeito. Desde o trabalho pioneiro de grupo 19 de Quake, válvulas pneumáticas microfluídicos têm sido frequentemente utilizada para interceptação de uma única célula e isolamento 20, as investigações de atividade enzimática 21, captura de pequenos volumes de fluido 22, a localização de materiais funcionais em superfícies 23 e cristalização de proteínas 24. No entanto, temos mostrado que os dispositivos microfluídicos camada dupla pode ser usado para armadilha, localizar e integrar in situ formado estruturas para ler componentes e em superfícies 18. Além disso, também têm demonstrado que tal tecnologia pode ser usada para realizar tratamentos químicos controlados em estruturas presas, permitindo que ambos, &quot;troca de ligantes assistida microfluídico&quot; 18 e doping química controlada de cristais orgânicos 18,25. Em ambos os casos, CTC pode ser sintetizado sob condições controladas de microfluidos, e no estudo mais recente, a multifuncionalidade poderia ser descrito na mesma peça de material. Aqui, demonstramos o desempenho destes dispositivos de microfluidos de camada dupla que empregam os fluxos de corante carregado, gerar e controlar a via de coordenação de um PC, e também a sua localização na superfície de um canal microfluídico e finalmente avaliar controlada tratamentos químicos para on-chip estruturas preso.

<table><tbody><tr><td>Máscaras de filme de alta resolução</td><td>Microlitho, Reino Unido</td> <td>-</td> <td>Características até 5 &#956; m</td></tr><tr><td>SU8 fotorresistente</td><td>MicroChem Corp., EUA</td><td>SU8-3050-Bolachas</td> <td>de</td></tr> <tr><td>silício</td><td>Silicon Materials Inc., Alemanha</td><td>4" Bolachas de silício</td><td>Superfície frontal: polida, Superfície traseira: gravado</td></tr><tr><td>Kit de elastômero de silicone (PDMS)</td> <td>Dow Corning, EUA</td><td>Sylgard&reg; 184-Spinner</td><td></td></tr> <tr><td></td><td>Suiss MicroTech, Alemanha</td><td>Delta 80 spinner</td><td>-</td></tr><tr><td>Optômetro UV</td><td>Gigahertz-Optik Inc., EUA</td><td>X1-1-Máscara</td><td></td></tr> <tr><td>Aligner</td><td>Suiss MicroTech, Alemanha</td><td>Karl Suss MA/BA6&nbsp;</td><td>-</td></tr><tr><td>Desenvolvedor SU8</td><td>Micro resist technology GmbH, Alemanha</td><td>mr-Dev 600-Trimethylsilyl</td><td></td></tr> <tr><td>chloride&nbsp;</td><td>Sigma-Aldrich, Suíça</td><td>386529</td><td>&ge; 97%, CUIDADO: Manuseie-o apenas sob a hotte.</td></tr><tr><td>Perfurador de biópsia</td><td>Miltex GmBH, Alemanha</td><td>33-31AA-P/25</td><td>1 mm</td></tr><tr><td>Perfurador de biópsia</td><td>Miltex GmBH, Alemanha</td><td>33-31A-P/25</td><td>1,5 mm</td></tr><tr><td>Lamínula de vidro</td><td>Menzel-Glaser, Alemanha</td><td>BB024040SC</td><td>24 mm &vezes; 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>Tubulação de PTFE</td><td>PKM SA, Suíça</td><td>AWG-TFS-XXX</td><td>AWG 20TFS, rolo de 100&nbsp; m</td></tr><tr><td>Tubos de borracha de silicone</td><td>Hi-Tek Products,</td> <td>UK-1</td> <td>mm I.D.</td></tr><tr><td>neMESYS Bombas de seringa</td><td>Cetoni GmbH, Alemanha</td><td>Câmera de baixa pressão (290N)</td> <td>-</td></tr> <tr><td>Alta resolução</td><td>Zeiss, Alemanha</td><td>Axiocam MRc</td><td></td></tr> <tr><td>Microscópio invertido de 5 fluorescências</td><td>Zeiss, Alemanha</td><td>Axio Observer A1</td><td>Operável em dois comprimentos de onda, ou seja, 350 nm e 488 nm</td></tr><tr><td>Partículas fluorescentes de poliestireno verde</td><td>Fisher Scientific, Suíça</td><td>11523363</td><td>Tamanho: 5.0 &#956; m, teor sólido: 1%</td></tr> <tr><td>de nitrato de prata (AgNO3)</td><td>Sigma-Aldrich, Suíça</td><td>209139</td><td>&ge; 99,0%</td></tr> <tr><td>L-cisteína (Cys)</td> <td>Sigma-Aldrich, Suíça</td><td>W326305</td><td>&ge; 97,0%</td></tr><tr><td>Prato de pesagem descartável</td><td>Sigma-Aldrich, Suíça</td><td>Z154881</td><td>L &times; W &vezes; H : 86&nbsp; mm e vezes; 86&nbsp; mm e vezes; 25&nbsp; mm</td></tr><tr><td>Prato de pesagem descartável</td><td>Sigma-Aldrich, Suíça</td><td>Z708593</td><td>Hexagonal, Tamanho XL</td></tr><tr><td>Espátula de plástico</td><td>Semadeni, Suíça</td><td>3340</td><td>L &times; W : 135 mm x 14 mm</td></tr><tr><td>Corante, Bemacron ROT E-G</td><td>Bezema, Suíça</td><td>BZ 911.231</td><td></td></tr><tr><td>Estereomicroscópio</td> Vermelho <td>Wild Heerbrugg, Suíça</td><td>Wild M8</td><td>Ampliação de 500x</td></tr><tr><td>Bisturis descartáveis</td><td>B. Braun, Suíça</td><td>233-5320</td><td>Nr. 20</td></tr><tr><td>Ácido L-ascórbico</td><td>Sigma-Aldrich, Suíça</td><td>A4403</td><td>-</td></tr></tbody></table>

gaiolas pneumáticas microfluídicos: uma nova abordagem para in-chip de cristal trapping, manipulação e controlada tratamento químico

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

A localização precisa e o tratamento químico controlado de estruturas em uma superfície são desafios significativos para as tecnologias laboratoriais comuns. Aqui, apresentamos uma tecnologia baseada em microfluídica, empregando um dispositivo microfluídico de camada dupla, que pode capturar e localizar estruturas sintetizadas in situ e ex situ em superfícies de canais microfluídicos. Crucialmente, mostramos como tal dispositivo pode ser usado para conduzir reações químicas controladas em estruturas presas no chip e demonstramos como o caminho sintético de um material molecular cristalino e seu posicionamento dentro de um canal microfluídico podem ser modificados com precisão com essa tecnologia. Essa abordagem oferece novas oportunidades para a montagem controlada de estruturas na superfície e para seu tratamento subsequente.

Os dispositivos de microfluidos de camada dupla consistem em dois chips de microfluidos ligados estruturados em PDMS, como mostrado na Figura 1. A primeira camada, que é, ao mesmo tempo ligado a uma superfície, é usado para o fluxo de fluidos (camada de fluido), enquanto que a segunda camada, que é directamente ligado à primeira camada de PDMS, é usado para o fluxo (camada de controlo) de gás. <img alt="figura 1" src="/files/ftp_upload/54193/54193fig1.jpg" /> Figura 1. De camada dupla dispositivo microfluídico. (A) Ilustração esquemática e (B) micrografia do dispositivo microfluídico de camada dupla usada em nossas investigações. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/54193/54193fig1large.jpg" target="_blank">Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.</a> A injecção de gás através de canais ema camada de controlo aperta a camada de fluido em direcção à superfície (Figura 2A e Figura 2B), permitindo a captura e localização das estruturas sobre a superfície do canal microfluídico. actuação membrana PDMS pode ser usado para gerar gaiolas pneumáticos e / ou micro-válvulas que são controlados por um controlador pneumático. Como modelos exemplo de actuação da membrana, que mostram como a deflexão completa da camada de fluido evita um fluxo de corante carregado para circular por baixo da válvula após a sua actuação (Figura 2C) e aprisionamento de micropartículas fluorescentes na superfície do microcanal (Figura 2D e 2E) . <img alt="Figura 2" src="/files/ftp_upload/54193/54193fig2.jpg" /> Figura 2. atuação Membrana e aprisionamento de estruturas. (A) Side e (B) vista superior ilustrações mostrando o dispositivo microfluídico de camada dupla sertona (em cima) e após (em baixo) de actuação da válvula pneumática. (C) As micrografias de um dispositivo de microfluidos de camada dupla antes (em cima) e após apertar da camada de fluido (em baixo). No painel inferior, a camada de fluido é enchido com uma solução aquosa de corante rodamina para uma melhor percepção da actuação da membrana. (D) micrografias-campo claro de um dispositivo de microfluidos de camada dupla antes (em cima) e após (em baixo) de actuação da válvula com uma fluidas partículas de poliestireno fluorescentes de soluções aquosas contendo (10 wt.%). Imagens (E) fluorescentes das imagens de microscopia óptica mostradas em D. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/54193/54193fig2large.jpg" target="_blank">Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.</a> Figura 3A ilustra a captura de in situ gerado CPs dentro de um dispositivo microfluídico de camada dupla por meio actuatde iões de uma gaiola de pneumático. Note-se que uma nova via de coordenação é gerado depois da actuação da primeira válvula. A actuação da válvula assegura a retenção do Ag (I) CP Cys gerada na interface das duas correntes de reagentes e facilita a formação de uma nova via de coordenação (Figura 3A). Uma caracterização química detalhada do Ag (I) CP Cys gerada na interface das duas correntes de reagentes pode ser encontrado em estudos anteriores 17,18. Além disso, e após a remoção do excesso dos reagentes soluções com um fluxo de água pura (Figura 3B), uma solução de ácido ascórbico saturado em etanol podem ser adicionadas ao canal de microfluidos para a redução química controlada de estruturas em chip interceptadas (Figura 3C). Reduzir a pressão da válvula de 3 bares para 1 bar favorece um tratamento químico controlada do preso Ag (I) Cys CP debaixo da área pinçada 18. A mudança de cor dos presos CPs Ag (I) Cys ao marrom escuro é umattributed para a redução da prata monovalente ao metal, de acordo com observações anteriores 18,29. <img alt="Figura 3" src="/files/ftp_upload/54193/54193fig3.jpg" /> Figura 3. Interceptação de Ag (I) Cys CPs e redução química controlada. (A) imagem do microscópio óptico que mostra a captura de um in situ sintetizado Ag (I) Cys CP e da geração de uma nova via de coordenação. (B) Micrografia de CPs preso debaixo da área pinçada após a remoção de soluções reagentes excedentes com um fluxo de água, e em (C), micrografia do mesmo micro-válvula após o processo de reação de redução. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/54193/54193fig3large.jpg" target="_blank">Por favor clique aqui para ver uma versão maior esta figura.</a>

Aqui, descrevemos a fabricação e operação de um sistema microfluídico de camada dupla feito de polidimetilsiloxano (PDMS). Demonstramos o potencial deste dispositivo para aprisionamento, direcionando a via de coordenação de um material molecular cristalino e controlando reações químicas em estruturas presas no chip.

Gaiolas pneumáticas microfluídicos: uma nova abordagem para In-chip de cristal Trapping, Manipulação e controlada Tratamento Químico

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

O objetivo geral desta abordagem é demonstrar o potencial deste dispositivo para aprisionar, direcionar o caminho de coordenação de um material molecular cristalino e controlar reações químicas em estruturas aprisionadas em chip. Este método pode ajudar a responder perguntas fundamentais na área de ciência dos materiais, como o efeito de tratamentos químicos controlados sobre as propriedades de estruturas auto-organizadas. E é importante enfatizar que o número de tecnologias que permitem tratamentos químicos controlados sob condições dinâmicas é atualmente muito limitado, tornando assim esta abordagem muito atrativa na área de materiais.Para começar, prepare um molde-mestre silanizado utilizando fotolitografia com SU8. A partícula antiaderente é particularmente sensível ao tempo e à temperatura. Qualquer falha em seguir o intervalo de tempo e a temperatura descritos pode levar à fabricação de um dispositivo não ligado e, portanto, não funcional.Prepare a mistura de PDMS combinando 50 gramas do elastômero e 10 gramas do agente de cura em um recipiente descartável para pesagem. Misture completamente os componentes usando uma espátula de plástico. Em seguida, coloque o PDMS bem misturado em um dessecador sob vácuo por 15 minutos para desgaseificar a mistura e remover as bolhas aprisionadas.Enquanto o primeiro lote de PDMS está sendo desgaseificado, misture um segundo lote usando 10 gramas de elastômero e 0,5 gramas do agente de cura. Em seguida, fixe o molde-mestre contendo a camada de controle em uma moldura redonda de PTFE de 11 milímetros. Uma vez que a mistura de PDMS na proporção de cinco para um tenha sido desgaseificada, remova-a da câmara de vácuo.Agora, despeje a mistura de cinco para um de PDMS sobre o molde mestre da camada de controle até que a mistura atinja o nível da parede vertical reta da estrutura de PTFE. Em seguida, coloque-a no dessecador. Ao mesmo tempo, coloque também a mistura de vinte para um de PDMS no dessecador e novamente aplique vácuo.Desgase o molde-mestre revestido e a proporção de 20 para 1 de PDMS por mais 30 minutos. Em seguida, retire ambos do dessecador e coloque o molde-mestre da camada de controle em uma estufa previamente aquecida a 80 graus Celsius. Enquanto a camada de controle é aquecida, coloque o molde-mestre da camada fluidica em um espalhador rotativo.Despeje cerca de 4 mililitros da mistura de 20 para 1 de PDMS sobre o molde mestre para a camada fluidica e faça o spin coating da pastilha por 40 segundos a 1200 rpm para obter uma camada com 60 micrômetros de espessura. Após uma hora de tempo total decorrido, abra o forno, coloque a pastilha com revestimento por spin ao lado da camada de controle e aqueça-as juntas por mais 15 minutos a 80 graus Celsius. Em seguida, após 75 minutos de tempo total decorrido, retire as duas pastilhas do forno.Primeiro, retire a mistura cinco para um de PDMS para a camada de controle. Recorte os chips usando uma lâmina de barbear. Em seguida, faça os orifícios para as entradas utilizando um furador de biópsia de um milímetro.Em seguida, utilize fita adesiva para remover qualquer resíduo das pastilhas cortadas da camada de controle. Uma vez que as pastilhas estejam limpas, use um microscópio estéreo para alinhar a pastilha da camada de controle sobre o molde mestre da camada fluidica. Depois, despeje e distribua o PDMS residual ao redor das pastilhas montadas.E coloque todo o conjunto em um forno a 80 graus Celsius. Asse os dispositivos montados durante a noite. No dia seguinte, retire o conjunto curado do forno e deixe esfriar até a temperatura ambiente.Em seguida, retire o conjunto de PDMS do molde mestre da camada fluidica. Uma vez liberado do molde mestre, corte os dispositivos fabricados de dupla camada com uma lâmina e use um furador de biópsia de 1,5 milímetro para formar as entradas e saídas fluidicas. A seguir, trate lâminas de vidro e a camada fluidica do dispositivo montado com descarga por corona por um minuto ou use plasma de oxigênio e, em seguida, una imediatamente as duas superfícies para completar o dispositivo microfluídico.Asse os chips duplos laminados em um forno a 70 a 80 graus Celsius por pelo menos quatro horas. Para manipular o regime de fluxo usando uma bomba de seringa e um controlador pneumático, conecte primeiro as seringas previamente carregadas e colocadas na bomba de seringa às entradas fluidicas do dispositivo microfluídico e o sistema do controlador pneumático às entradas de controle do dispositivo microfluídico. Para visualizar o fluxo, carregue uma das seringas com um corante aquoso e faça-o fluir para a câmara a uma taxa de fluxo de 20 microlitros por minuto.Em seguida, utilize o sistema controlador pneumático para fechar a válvula atuando-a a três bar. É importante observar que o fluido ainda pode fluir ao redor da válvula após seu fechamento, e essa característica é fundamental para alcançar um tratamento químico controlado da estrutura aprisionada, como polímeros de coordenação. Para abrir a válvula, basta utilizar o sistema controlador para liberar a pressão.Enquanto a solução desmoldante flui pelo primeiro canal, injete outro fluido aquoso no segundo canal de entrada à mesma taxa de fluxo, formando uma interface entre os dois fluxos aquosos. Em seguida, feche a válvula atuando-a a três bar. A atuação da válvula durante o fluxo duplo altera a interface entre os dois fluxos aquosos.A seguir, altere as taxas de fluxo dos dois êmbolos para 30 microlitros por minuto e 10 microlitros por minuto, respectivamente, a fim de deslocar a interface entre os dois fluidos. Para visualizar a capacidade da válvula de aprisionar micropartículas, prepare primeiro uma solução aquosa contendo 10% de micropartículas fluorescentes de poliestireno em peso. Introduza o fluido carregado com partículas nos dois canais de entrada a uma taxa de fluxo total de 20 microlitros por minuto.Aguarde dois minutos até que um fluxo estável seja estabelecido. Em seguida, excite as microesferas fluorescentes utilizando uma fonte com comprimento de onda de 488 nanômetros para visualizá-las da melhor forma. Quando estiver pronto, acione a válvula a três bar para fechá-la.Imagem a área da válvula para observar várias partículas aprisionadas sob a válvula e localizadas na superfície enquanto o fluxo é mantido. A injeção de gás através dos canais na camada de controle comprime a camada de fluido em direção à superfície. Isso pode ser usado para desviar os fluidos ao redor da região controlada pelo atuador, aqui indicada pela ausência de um corante de rodamina.Esses atuadores pneumáticos também podem ser usados para aprisionar partículas ou células, como essas micropartículas fluorescentes que foram aprisionadas na superfície do microcanal. Outra característica deste dispositivo é sua capacidade de aprisionar polímeros de coordenação gerados por NC2 por meio da ativação da gaiola pneumática. Para esta configuração, são utilizados dois fluxos de reagentes e uma reação química controlada ocorre na interface entre os dois líquidos no fluxo laminar.Uma vez aprisionados, os polímeros de coordenação podem ser tratados quimicamente de maneira controlada utilizando as válvulas pneumáticas. Se você está assistindo a este vídeo, deve ter um bom entendimento de como fabricar efetivamente um dispositivo microfluídico de dupla camada, que pode ser usado para conduzir reações químicas controladas em várias estruturas tubulares. Ao tentar este procedimento, é importante respeitar o intervalo de tempo e a temperatura relatados no presente protocolo.Caso contrário, seu esforço pode resultar na fabricação de dispositivos não ligados, defeituosos e, portanto, não funcionais. Após seu desenvolvimento, essa técnica abre caminho para pesquisadores na área de ciência dos materiais explorarem diversos tipos de tratamentos químicos controlados dentro de tubos, com alta precisão, utilizando uma plataforma microfluídica de dupla camada.

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Chemistry

Química

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