Cages pneumatiques microfluidiques: Une nouvelle approche pour In-chip Cristal Piégeage, Manipulation et traitement chimique contrôlée

Introduction

Matériaux moléculaires ont longtemps été étudiés dans la communauté scientifique en raison de leur large nombre d'applications dans des domaines tels que l' électronique moléculaire, optique et des capteurs ^1-4. Parmi ceux - ci, les conducteurs organiques sont une classe particulièrement intéressante de matériaux moléculaires en raison de leur rôle central dans les écrans flexibles et dispositifs fonctionnels intégrés ^5,6. Cependant, les méthodes utilisées pour permettre le transport de charge électronique dans les matériaux moléculaires à base sont limités à la formation de complexes de transport de charge (CTC) et des sels de transport de charge (CTSS) ^7-10. Fréquemment, CTC et CTS sont générés par des procédés électrochimiques ou par des réactions redox chimiques directes; processus qui entravent une transformation contrôlée du donneur ou accepteur fragments d'architectures plus complexes où multifonctionnalité peut être conçu. En conséquence, l'élucidation de nouvelles méthodes systématiques pour la génération et la manipulation de la base moléculaire contrôlablematériaux d reste un défi important dans les domaines de la science des matériaux et de l'ingénierie moléculaire, et sans doute en cas de succès conduira à de nouvelles fonctions et applications technologiques nouvelles.

Dans ce contexte, les technologies microfluidiques ont récemment été utilisées pour synthétiser des matériaux à base moléculaire en raison de leur capacité de contrôler les transferts de chaleur et de masse, ainsi que le volume de réaction-diffusion des réactifs au cours d' un procédé de synthèse ^11,12. En d'autres termes, des flux continus et à faible nombre de Reynolds d' une interface stable entre deux ou plusieurs courants de réactifs peuvent être obtenus, ce qui permet la formation d'une zone de réaction bien contrôlée à l' intérieur du trajet d'écoulement, où le mélange ne ​​se produit que par diffusion ^13-16. En effet, nous avons déjà utilisé des écoulements laminaires pour localiser la voie de synthèse des matériaux moléculaires cristallins tels que les polymères de coordination (CP) à l' intérieur des canaux microfluidiques ^17. Bien que cette méthode a montré gpromesse reat dans la réalisation de nanostructures roman CP, l'intégration directe de ces structures sur des surfaces, ainsi que le traitement chimique contrôlée après leur formation doit encore être réalisé in situ ^18. Pour surmonter cette limitation, nous avons récemment montré que l'actionnement des cages microfluidiques pneumatiques (ou des vannes) sont intégrés dans des dispositifs microfluidiques à deux couches peut être avantageusement utilisée à cet égard. Depuis les travaux pionniers du groupe Quake ^19, vannes pneumatiques microfluidiques ont souvent été utilisés pour piéger une seule cellule et d' isolement ^20, les enquêtes d'activité enzymatique ^21, le piégeage de petits volumes de fluide ^22, la localisation de matériaux fonctionnels sur les surfaces ²³ et la cristallisation des protéines ^24. Cependant, nous avons montré que des dispositifs microfluidiques double couche peuvent être utilisés pour piéger, localiser et d' intégrer formé in situ des structures à lire sur les composants et sur ​​les surfaces ¹⁸. En outre, nous avons également démontré que cette technologie peut être utilisée pour effectuer des traitements chimiques contrôlées sur les structures piégées, permettant à la fois, "microfluidique échange de ligand assisté" ¹⁸ et contrôlé le dopage chimique des cristaux organiques ^18,25. Dans les deux cas, les CTC peuvent être synthétisés dans des conditions contrôlées microfluidiques, et dans l'étude la plus récente, multifonctionnalité pourraient être décrits dans la même pièce de matériau. Ici, nous démontrons la performance de ces dispositifs microfluidiques double couche utilisant des flux de colorant chargé, de générer et de contrôler la voie de la coordination d'un CP, ainsi que sa localisation sur la surface d'un canal microfluidique et enfin évaluer contrôlé des traitements chimiques sur la puce structures piégées.

Protocol

Note: Deux couches d'un dispositif microfluidique double couche sont conçus en utilisant un logiciel de dessin, par exemple, AutoCAD et imprimés pour former à haute résolution des masques de film, avec une limite caractéristique de précision de 5 pm. des moules maîtres sont créés par SU-8 sur la lithographie 4 "wafers de silicium, ce qui permet la production de structures de 50 um de hauteur.

1. Maître Mold Fabrication Utilisation SU-8 photolithographie

1. Placez la plaquette de silicium sur une plaque chauffante réglée à 200 ° C pendant 10 min à déshydrater.
   Remarque: la plaquette de silicium déshydratation fournit un meilleur contact et assure la diffusion de la résine photosensible SU-8 pendant l'étape de revêtement par centrifugation.
2. Refroidir la tranche déshydratée jusqu'à la température ambiante sur une période de 3 min.
3. Charger la tranche sur une tournette et le dépôt 4 ml de SU-8 (environ 1 ml de SU-8 par pouce de substrat) au centre de la plaquette.
   1. Tout d'abord, étaler le SU-8 déposé lentement à 500 Revolutions par minute (rpm) pendant 10 secondes. Une telle vitesse de rotation assure que SU-8 couverture est augmentée au-dessus de la surface de la plaquette entière.
   2. En second lieu, le contrôle de l'épaisseur du SU-8 en faisant tourner le substrat à des vitesses plus élevées. Dans les expériences en cours, utiliser une vitesse de rotation de 3000 tours par minute pendant 30 secondes pour générer SU-8 dispose de 50 um de haut.
4. Essuyez le cordon de bord de la tranche soigneusement avec un coton lingette tout en tournant à une vitesse de rotation faible (typiquement 100 rpm).
5. Chauffer la plaquette enduite par centrifugation sur une plaque chauffante à 95 ° C pendant 15 min pour éliminer le solvant résiduel du SU-8 ( par exemple, "cuisson douce").
   Remarque: la présence de motifs ou "rides" dans la couche de résist indique l'élimination incomplète du solvant.
6. Refroidir la gaufrette de retour à la température ambiante et de contacter l'émulsion face imprimée du photomasque avec la plaquette avant l'exposition.
7. Allumez l'unité lampe UV et de l'exposition et de laisser le système se stabiliser sur une période de 10 mdans. Mesurer l'intensité de la lampe à 365 nm en utilisant un UV-optomètre, et estimer le temps d'exposition nécessaire (en fonction du temps = exposition énergétique / intensité à 365 nm).
   Remarque: L'énergie d'exposition dans les expériences en cours a été calculée à 250 mJ / cm ^2.
8. Exposer le photomasque sur la tranche de spin-enduit à la lumière UV pour l'heure estimée à l'étape précédente. Ici, exposer 79,6 sec.
9. Immédiatement après l'exposition, la cuisson de la tranche exposée sur une plaque chauffante à 65 ° C pendant 1 min, puis à 95 ° C pendant 5 min. Dans cette étape, la réaction est initiée par -light UV et terminé après la cuisson.
10. Laisser la plaquette post-cuisson pour refroidir jusqu'à la température ambiante sur une période de 3 min.
11. Développer le SU-8 non réticulé sur la plaquette par dissolution dans le révélateur SU-8 sur 8 min. Pour assurer l'élimination complète de SU-8 non-réticulé, diviser le processus en deux étapes.
    1. Dans la première, immerger la plaquette dans la solution de révélateur pendant 5 min, rele déplacement de la majorité des non-réticulée SU-8.
    2. Ensuite, plonger la plaquette dans une solution fraîche de développeur pendant 3 min pour dissoudre le reste non réticulé SU-8 (typiquement piégés entre les structures réticulées).
12. Rincer la plaquette développée avec de l'isopropanol et de laisser la plaquette ayant des structures à motifs (ci-après dénommé "moule maître") tenir à sécher. Observation d'un résidu laiteux sur le rinçage du moule maître indique que le développement est incomplet.
13. Chauffer le moule maître séché sur une plaque chaude à 200 ° C pendant 2-5 min à "cuire dur" du support et recuire fissures potentielles dans la réserve.
14. Laisser le moule maître fabriqué pour refroidir à la température ambiante.
15. Placer le moule maître dans un dessicateur (relié à une pompe à vide) à l'intérieur d'une hotte.
16. Versez 100 pi de chlorure de triméthylsilyle (TMCS) dans un bêcher en verre et placer ce dans le dessiccateur.
    ATTENTION: TMCS est inflammable, corrosive et toxiques; ainsi, les étapes de manipulation doivent être effectuées sous une hotte, l'utilisateur de porter des gants de protection, des lunettes et une blouse de laboratoire.
17. Mettez le dessiccateur sous vide et attendre au moins 1 heure pour permettre à la vapeur de TMCS à déposer sur la surface principale du moule.
18. Au bout de 1 h, lentement équilibrer la pression à l'intérieur dessicateur et ouvert à l'atmosphère.
    ATTENTION: Ne pas respirer directement au-dessus du dessiccateur ouvert.
19. Retirez le maître silanisé et fermer le dessiccateur.

2. Fabrication de double couche dispositifs microfluidiques

Remarque: Le protocole est particulièrement sensible au temps et à la température. Tout manquement à suivre pour le laps de temps et de la température peut conduire à la fabrication de dispositifs non-liés, et par conséquent, non-fonctionnels.

1. Verser un mélange de PDMS élastomère et agent de durcissement (5: 1 en poids) dans un plat de pesée à usage unique et complètement mélanger avec une spatule en plastique. Dans l'expérience actuelles on utilise 50 g d'élastomère et 10 g d'agent de durcissement pour former une couche en PDMS environ 5 mm de hauteur ^19,26.
2. Placez les PDMS bien mélangés dans un dessiccateur sous vide pour dégazer et éliminer les bulles piégées pendant 15 min.
3. Mélanger PDMS élastomère et agent de durcissement (20: 1 en poids) dans un plat de pesée jetable (par exemple, 10 g élastomère et 0,5 g agent de durcissement) ^19,26.
4. Fixer la "couche de contrôle" moule maître dans un cadre (dans les expériences en cours, une ronde de polytétrafluoroéthylène (PTFE) anneau de 11 mm).
5. Après 15 minutes, placez le 20: mélange 1 PDMS dans le dessiccateur sous vide pour le dégazage.
6. Dans le même temps que l'étape précédente, sortir le 5 mélange 1 PDMS du dessiccateur et versez ce sur la "couche de contrôle" moule maître qui se trouve à l'intérieur du cadre rond. Placez le cadre contenant les PDMS et moule maître dans le dessiccateur sous vide ainsi. Gardez l'excédent PDMS.
7. Après 45 minutes (et 30 minutes après puttment tant PDMS mélanges dans le dessiccateur), prendre les deux PDMS mélanges du dessiccateur et placez le cadre contenant 5: 1 PDMS et la «couche de contrôle" maître moule dans un four à 80 ° C.
8. Dans le même temps, commencer à tourner enduire le moule maître "couche fluidiques" avec le 20: mélange 1 PDMS. La vitesse de rotation pour le revêtement par centrifugation est déterminée en fonction de la hauteur désirée, et il a été rapporté ailleurs ^27. But de mettre fin à revêtement par centrifugation à 60 min et de garder les PDMS résiduels.
9. Après 60 minutes, mettre le moule maître de spin "couche fluidiques" revêtue de 20: 1 PDMS dans un four à 80 ° C.
10. A 75 min, prendre les deux moules de maître hors du four.
11. Décollez seulement les 5: 1 PDMS du moule maître "de la couche de contrôle", dés le substrat avec une lame et percer les trous pour les couches de contrôle avec un perforateur de biopsie 1 mm au niveau des entrées des positions déterminées dans la conception. Ici, la couche de contrôle est de 24 mm de longueur et 24 mm de largeur.
12. Rdébris emove à partir de copeaux en dés à l'aide de ruban adhésif.
13. Assembler manuellement les dés et poinçonné puces de couche de contrôle au - dessus du 20: spin 1 PDMS enduit sur ​​le moule "couche fluidiques" maître à l' aide d' un stéréomicroscope avec le grossissement de 500X (Figure 1).
14. Verser et d'en tirer les PDMS résiduels autour des puces assemblés pour faire une couche de PDMS plus épaisse et donc de faciliter le retrait des couches fluidiques et de contrôle liés à la fin.
15. Placez le moule maître "couche fluidiques" contenant les deux dispositifs de couche dans un four à 80 ° C et de stocker du jour au lendemain.
16. Le jour suivant, prendre l'ensemble durci hors du four et laisser refroidir à température ambiante.
17. Décollez l'ensemble PDMS de la "couche fluidiques" moule maître, dés les dispositifs fabriqués à double couche avec une lame (24 mm de longueur et 24 mm de largeur) et poinçon fluidiques entrées / sorties avec une biopsie perforateur 1,5 mm.
18. Traiter la surface des puces avec open canaux et des lamelles de verre (24 mm x 40 mm) avec une décharge corona immédiatement et les lier ensemble. Traiter en déplaçant la décharge en couronne sur la dalle et le verre couvre-PDMS plus de 1 min. Vous pouvez également utiliser un système de plasma paillasse pour faciliter la liaison.
19. Stocker les puces collées à double couche dans un four à 70-80 ° C pendant au moins 4 heures.

3. Assemblage du système microfluidique

1. Après que le dispositif microfluidique a été assemblé, relier les entrées de la couche fluidiques de la puce aux réservoirs fluidiques (seringues) en utilisant le polytétrafluoroéthylène (PTFE) tube (0,8 mm id).
2. Connecter la source aux entrées de commande de couche en utilisant un tube en caoutchouc de silicone et des connecteurs métalliques qui ont un diamètre extérieur de 1,6 mm, l'alimentation en pression.
3. Ouvrez et fermez les vannes en appliquant l'air sous pression à 3 bars en utilisant une source de pression qui est actionné manuellement. fluides d'approvisionnement vers les canaux à l'aide d'une série de contrôle informatique de pompes à seringue.
4. Visualisez l'actionnement de vannes et de fonctionnement de l'appareil avec un appareil photo haute résolution monté sur un microscope inversé. Utilisez 5X à 63X grossissement.

4. Manipulation du régime de flux laminaire par pneumatique Cage Actuation

Remarque: La couche fluidiques se compose de deux canaux convergents d'entrée, qui sont de 150 um de largeur, à un canal principal plus large de 300 um de largeur. Et la couche de commande comporte une série de vannes rectangulaires identiques (250 um x 200 um) qui sont situées au-dessus du canal fluidique principal.

1. Une fois que l'installation est reliée à la pompe à seringue et des systèmes de régulation pneumatique, introduire un flux aqueux de teinture par l'intermédiaire de l'un des canaux d'entrée, à raison de 20 ul / min de débit.
2. Fermez la vanne en actionnant elle à 3 bars.
3. Soyez conscient que le fluide peut encore couler autour de la vanne. Cette caractéristique est importante dans la réalisation de traitement chimique contrôlée des structures piégées ^{18,25 <}/ Sup>.
4. Ouvrir la soupape en relâchant la pression.
5. Bien que la solution de colorant circule à travers le premier canal, injecter un fluide aqueux dans le deuxième canal d'entrée à 20 ul / min. Une interface entre les deux flux aqueux est formé en raison de l'écoulement laminaire régime présent dans le dispositif microfluidique.
6. Fermez la vanne en actionnant elle à 3 bars. Dans ce cas, l'actionnement de la soupape change l'interface des deux flux aqueux; un résultat qui peut être utilisé pour modifier la voie de synthèse pendant la formation d'un CP (voir ci - dessous) ^18,28.
7. Modifier les débits de fluide à 30 ul / min et 10 ul / min et observer l'aval ou vers le haut décalée de guidage de l'interface générée entre les deux fluides.

5. La localisation des Microparticules

1. Connectez la puce à double couche fabriquée à la pompe à seringue et systèmes de commande pneumatique.
2. Préparer une solution aqueuse contenant 10 en poids.% De polystyrènedes particules fluorescentes (5 um de diamètre, excitation et d'émission maximum à 468 nm et 508 nm, respectivement).
3. Utiliser une source d'excitation laser fonctionnant à une longueur d'onde de 488 nm.
4. Introduire le fluide chargé de particules dans les deux canaux d'entrée à un débit total de 20 ul / min.
5. Attendre 2 min jusqu'à ce qu'un flux stable est établie.
6. Actionner la vanne à 3 bar pour le fermer. Plusieurs particules seront piégés en dessous de la vanne et localisée à la surface tandis que le débit est maintenu.

6. Génération et la réduction contrôlée d'un polymère de coordination (CP)

1. Préparer une solution aqueuse 2,5 mM de nitrate d'argent (AgNO _3).
2. Préparer une solution aqueuse à 2,5 mM de cystéine (Cys).
3. Préparer une solution d'acide ascorbique dans de l' éthanol saturé ^18.
4. Utilisez la même puce double couche et injecter les deux réactifs dans les deux canaux d'entrée (un réactif par entrée) chacun à un débit de50 ul / min.
5. Observer la formation d'argent et de cystéine (Ag (I) Cys) CP à l'interface des deux vapeurs co fluide.
6. Actionner la vanne à 3 bars pour piéger l'Ag formé (I) Cys CPs sous le robinet.
7. eau distillée Flush dans les canaux d'entrée à un débit de 50 ul / min pour laver les réactifs excédentaires utilisés au cours du processus de synthèse.
8. Relâcher la pression et ouvrir la vanne. Les CPs générés restent en dessous de la vanne dans des conditions d'écoulement arrêté.
9. Afin de procéder à une réduction chimique contrôlée de Ag piégé (I) Cys CPs, relâcher la pression de la vanne à 1 bar et rincer la solution d'acide ascorbique saturé dans de l'éthanol à un débit de 10 ul / min.
10. Observer un changement de couleur claire qui est attribuée à la réduction de Ag (I) en argent métallique (Ag (0)) par l'acide ascorbique ^18.

Representative Results

Les dispositifs microfluidiques à double couche sont constitués de deux puces microfluidiques collées structurées dans PDMS comme représenté sur la figure 1. La première couche, qui est à la fois lié à une surface, est utilisé pour l' écoulement des fluides (couche liquide), tandis que la seconde couche, qui est directement liée à la première couche de PDMS, est utilisé pour l'écoulement du gaz (couche de contrôle).

Figure 1. Double-couche dispositif microfluidique. (A) Illustration schématique et (B) micrographie du dispositif microfluidique double couche utilisé dans nos enquêtes. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

L'injection de gaz à travers des canaux dansla couche de commande comprime la couche de fluide vers la surface (figure 2A et figure 2B), ce qui permet le piégeage et la localisation des structures sur la surface du canal microfluidique. PDMS membrane d'actionnement peut être utilisé pour générer des cages pneumatiques et / ou des micro-valves qui sont commandées par un dispositif de commande pneumatique. En tant que modèles exemplaires de l' actionnement de la membrane, nous montrons comment la déviation totale de la couche de fluide permet d' éviter un écoulement de colorant chargé de faire circuler en dessous de la vanne après son actionnement (figure 2C) et le piégeage des microparticules fluorescentes sur la surface de microcanaux (Figure 2D et 2E) .

Figure 2. Membrane d' actionnement et de piégeage des structures. (A) Side et (B) vue de dessus illustrations montrant le dispositif microfluidique double couche soitavant (en haut) et après (en bas) d'actionnement de la valve pneumatique. (C) micrographies d'un dispositif microfluidique double couche avant ( en haut) et après compression de la couche de fluide (en bas). Dans le panneau inférieur, la couche liquide est rempli avec une solution aqueuse d'un colorant rhodamine pour une meilleure perception de l'actionnement de la membrane. (D) micrographies Bright-champ d'un dispositif microfluidique double couche avant ( en haut) et après ( en bas) actionnement de la valve avec un écoulement des particules fluorescentes de polystyrène en solution aqueuse contenant (10 en poids.%). Images (E) Fluorescent des images au microscope optique indiquées dans D. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

La figure 3A illustre le piégeage in situ généré CPs l' intérieur d' un dispositif microfluidique double couche par actuation d'une cage pneumatique. Notez qu'une nouvelle voie de coordination est généré après l'actionnement de la première vanne. L'actionnement de la valve assure le piégeage de l'Ag (I) Cys CP générée à l'interface des deux courants de réactifs et facilite la formation d'une nouvelle voie de coordination (figure 3A). Une caractérisation chimique détaillée de l'Ag (I) Cys CP générée à l'interface des deux courants de réactifs se trouvent dans des études antérieures ^17,18. En outre, et après l' élimination de l'excédent de réactifs de solutions avec un flux d'eau pure (figure 3B), une solution d'acide ascorbique saturé dans de l' éthanol peut être ajouté à canal microfluidique pour la réduction chimique contrôlée des structures sur puce piégées (figure 3C). Réduire la pression de la vanne de 3 bars à 1 bar est favorable à un traitement chimique contrôlée de la piégées Ag (I) Cys CP dessous de la zone encastrée ^18. Le changement de couleur des piégés CPs Ag (I) Cys à brun foncé est unttributed à la réduction de l' argent monovalent au métal, en accord avec les observations antérieures ^18,29.

Figure 3. Piégeage de Ag (I) Cys CPs et de réduction chimique contrôlée. (A) Image en microscopie optique montrant le piégeage d'une in situ synthétisées Ag (I) Cys CP et la génération d'une nouvelle voie de la coordination. (B) Micrographie de CPs piégés sous la zone serrée après le retrait de solutions de réactifs excédentaires avec un débit d'eau, et (C), micrographie de la même micro-valve après le processus de réaction de réduction. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande cette figure.

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
High resolution film masks	Microlitho, UK	-	Features down to 5 μm
SU8 photoresist	MicroChem Corp., USA	SU8-3050	-
Silicon wafers	Silicon Materials Inc., Germany	4" Silicon Wafers	Front surface: polished, Back surface: etched
Silicone Elastomer KIT (PDMS)	Dow Corning, USA	Sylgard® 184	-
Spinner	Suiss MicroTech, Germany	Delta 80 spinner	-
UV-Optometer	Gigahertz-Optik Inc., USA	X1-1	-
Mask Aligner	Suiss MicroTech, Germany	Karl Suss MA/BA6	-
SU8 developer	Micro resist technology GmbH, Germany	mr-Dev 600	-
Trimethylsilyl chloride	Sigma-Aldrich, Switzerland	386529	≥97%, CAUTION: Handle it only under fume hood.
Biopsy puncher	Miltex GmBH, Germany	33-31AA-P/25	1 mm
Biopsy puncher	Miltex GmBH, Germany	33-31A-P/25	1.5 mm
Glass coverslip	Menzel-Glaser, Germany	BB024040SC	24 mm × 60 mm, #5
Laboratory Corona Treater	Electro-Technic Products, USA	BD-20ACV	-
PTFE tubing	PKM SA, Switzerland	AWG-TFS-XXX	AWG 20TFS, roll of 100 m
Silicone rubber tubing	Hi-Tek Products, UK	-	1 mm I.D.
neMESYS Syringe Pumps	Cetoni GmbH, Germany	Low Pressure (290N)	-
High resolution camera	Zeiss, Germany	Axiocam MRc 5	-
Fluorescent inverted microscope	Zeiss, Germany	Axio Observer A1	Operable at two wavelengths, i.e., 350 nm and 488 nm
Green polystyrene fluorescent particles	Fisher Scientific, Switzerland	11523363	Size: 5.0 μm, solid content: 1%
Silver nitrate (AgNO3)	Sigma-Aldrich, Switzerland	209139	≥99.0%
L-Cysteine (Cys)	Sigma-Aldrich, Switzerland	W326305	≥97.0%
Disposable weighing dish	Sigma-Aldrich, Switzerland	Z154881	L × W × H : 86 mm × 86 mm × 25 mm
Disposable weighing dish	Sigma-Aldrich, Switzerland	Z708593	Hexagonal, Size XL
Plastic spatula	Semadeni, Switzerland	3340	L × W : 135 mm x 14 mm
Dye, Bemacron ROT E-G	Bezema, Switzerland	BZ 911.231	Red
Stereomicroscope	Wild Heerbrugg, Switzerland	Wild M8	500x magnification
Disposable scalpels	B. Braun, Switzerland	233-5320	Nr. 20
L-Ascorbic acid	Sigma-Aldrich, Switzerland	A4403	-