Mikrofluide Pneumatiske Bure: en ny tilgang til In-chip Crystal fældefangst, Manipulation og kontrollerede kemiske behandling

Introduction

Molekylære materialer har længe været undersøgt i det videnskabelige samfund på grund af deres brede antal ansøgninger på områder såsom molekylær elektronik, optik og sensorer ^1-4. Blandt disse organiske ledere er en særligt spændende klasse af molekylære materialer på grund af deres centrale rolle i fleksible displays og integrerede funktionelle enheder ^5,6. Imidlertid er metoder, der anvendes for at muliggøre elektronisk ladningstransport i molekylær-baserede materialer begrænset til dannelsen af charge transport komplekser (CTCs) og charge transport salte (CTSS) ^7-10. Ofte CTCs og CTSS genereres ved elektrokemiske fremgangsmåder eller ved direkte kemiske redoxreaktioner; processer, der hæmmer en kontrolleret transformation af donor- eller acceptor-dele til mere komplekse arkitekturer hvor multifunktionalitet kan undfanget. Følgelig belysning af nye systematiske metoder til den styrbare generering og manipulation af molekylær-basend materialer fortsat en stor udfordring inden for materialevidenskab og molekylær teknik, og hvis det lykkes, vil uden tvivl føre til nye funktioner og nye teknologiske anvendelser.

I denne sammenhæng har mikrofluide teknologier for nylig blevet anvendt til at syntetisere molekylære-baserede materialer på grund af deres evne til at kontrollere varme- og masseoverførsel samt omsætningen-diffusion volumen af reagenser i en syntetisk proces ^11,12. Forenklet sagt i kontinuerlige strømme og ved lave Reynolds tal en stabil grænseflade mellem to eller flere reagenser strømme kan opnås, hvilket giver dannelsen af en velkontrolleret reaktionszone inde i strømningsvejen, hvor blanding kun forekommer gennem diffusion ^13-16. Faktisk har vi tidligere ansat laminare strømninger at lokalisere den syntetiske pathway af krystallinske molekylære materialer såsom koordinering polymerer (CPS) inde mikrofluidkanaler ^17. Selv om denne metode har vist great løfte i at realisere nye CP nanostrukturer, den direkte integration af sådanne strukturer på overflader, samt kontrolleret kemisk behandling efter deres dannelse er endnu ikke realiseret på stedet ^18. For at overvinde denne begrænsning, har vi for nyligt vist, at aktiveringen af ​​mikrofluide pneumatiske bure (eller ventiler) inkorporeret i tolags mikrofluidenheder fordel kan anvendes i denne henseende. Da pionerarbejde Quake gruppe ^19, har mikrofluide pneumatiske ventiler ofte blevet anvendt til enkelt-celle indfangning og isolation ^20, enzymatiske aktivitet undersøgelser ^21, indfangning af små væskevolumener ^22, lokalisering af funktionelle materialer på overflader ²³ og proteinkrystallisation ^24. Vi har imidlertid vist, at dobbelt lag mikrofluidenheder kan anvendes til at fælde, lokalisere og integrere in situ dannede strukturer for at udlæse komponenter, og på overflader ¹⁸. Endvidere har vi også påvist, at en sådan teknologi kan anvendes til at udføre kontrollerede kemiske behandlinger på fanget strukturer, der gør det muligt både, "mikrofluid assisteret ligandudveksling" ¹⁸ og kontrolleret kemisk doping af organiske krystaller ^18,25. I begge tilfælde kunne CTCs syntetiseres under kontrollerede mikrofluide betingelser, og i den seneste undersøgelse kunne multifunktionalitet blive beskrevet i det samme materiale stykke. Heri udviser vi under udførelsen af ​​disse to lag mikrofluidenheder anvender dye-laden strømme, generere og styre koordineringen sti i en CP samt dens lokalisering på overfladen af ​​en mikrofluid kanal og endelig vurdere kontrolleret kemiske behandlinger på on-chip indespærrede strukturer.

Protocol

Bemærk: To lag et dobbelt lag mikrofluidanordning er udviklet ved hjælp af en tegning software, fx AutoCAD og trykt at danne høj opløsning film masker, med en funktion præcision grænse på 5 um. Master forme er skabt af SU-8 litografi på 4 "siliciumskiver, mulighed for produktion af strukturer 50 um i højden.

1. Master Mold Fabrication Brug SU-8 Fotolitografi

1. Placer siliciumskiven på en varmeplade indstillet til 200 ° C i 10 min for at dehydrere.
   Bemærk: Silicon wafer dehydrering tilvejebringer en bedre kontakt og sikrer spredningen af ​​SU-8 fotoresist under spin-coating trin.
2. Afkøl dehydreret wafer ned til stuetemperatur over en periode på 3 min.
3. Indlæse wafer på et spin coater og deponering 4 ml SU-8 photoresist (ca. 1 ml SU-8 per tomme substrat) i midten af ​​skiven.
   1. Først sprede den deponerede SU-8 langsomt ved 500 revolutions per minut (rpm) i 10 sek. Sådan en rotationshastighed sikrer, at SU-8 dækning forøges over hele wafer overfladen.
   2. For det andet, kontrollere tykkelsen af ​​SU-8 ved spinding substratet ved højere hastigheder. I den nuværende eksperimenter bruge et spin hastighed på 3000 rpm i 30 sek for at generere SU-8 har 50 um høj.
4. Tør kant vulst af waferen forsigtigt med en bomuld tørre mens spinding ved en lav rpm (typisk 100 rpm).
5. Varm spin-coated wafer på en varmeplade ved 95 ° C i 15 minutter til fjernelse af resterende opløsningsmiddel fra SU-8 (dvs. "soft bake").
   Bemærk: Tilstedeværelsen af ​​mønstre eller "rynker" i modstå lag angiver ufuldstændig fjernelse af opløsningsmiddel.
6. Afkøl bagt wafer tilbage til stuetemperatur og kontakt emulsionen trykte side af fotomaske med før eksponering skiven.
7. Tænd UV-lampe og eksponering enhed og lade systemet stabilisere over en periode på 10 mi. Mål lampen intensitet ved 365 nm med en UV-optometer, og anslår den krævede eksponeringstid (ifølge = eksponering energi / intensitet ved 365 nm).
   Bemærk: Eksponeringen energi i de nuværende eksperimenter blev beregnet til at være 250 mJ / ^cm2.
8. Udsætte fotomaske på spin-coated wafer for UV lys, indtil anslået i det foregående trin. Her udsættes for 79,6 sek.
9. Umiddelbart efter eksponering, bage den udsatte wafer på en varmeplade ved 65 ° C i 1 minut og derefter ved 95 ° C i 5 min. I dette trin startes reaktionen ved UV-lys og afsluttet efter bagning.
10. Efterlad den post-bagte vaffel afkøle til stuetemperatur over et tidsrum på 3 min.
11. Udvikle den ikke-tværbundne SU-8 på waferen ved at opløse det i SU-8 developer over 8 min. For at sikre fuldstændig fjernelse af ikke-tværbundet SU-8, opdele processen i to trin.
    1. I den første, nedsænke skiven i fremkalderen opløsning i 5 minutter, rebevæger størstedelen af ​​ikke-tværbundet SU-8.
    2. Derefter nedsænkes wafer i en frisk opløsning af fremkalder i 3 minutter for at opløse de resterende ikke-tværbundet SU-8 (typisk fanget mellem tværbundne strukturer).
12. Skyl udviklet wafer med isopropanol og lad wafer med mønstrede strukturer (i det følgende benævnt "master støbeform") står til at tørre ud. Observation af en mælkeagtig rest ved skylning master skimmel indikerer, at udviklingen er ufuldstændig.
13. Varm tørrede mastermodel på en varmeplade ved 200 ° C i 2-5 min til "hård ovn" substratet og annealing potentielle revner i modstå.
14. Tillad fabrikeret mastermodel afkøle til stuetemperatur.
15. Placer master mug i en ekssikkator (forbundet til en vakuumpumpe) inde i et stinkskab.
16. Hæld 100 pi trimethylsilylchlorid (TMCS) i et glas bægerglas og placere denne inde i ekssikkator.
    ADVARSEL: TMCS er brandfarligt corrosive og giftig; derfor, skal udføres håndtering trin under en emhætte, med brugeren iført beskyttelseshandsker, beskyttelsesbriller og en kittel.
17. Sæt ekssikkator under vakuum og vente mindst 1 time at lade TMCS damp til at deponere på master mug overflade.
18. Efter 1 time langsomt udligne trykket inden ekssikkator og åben til atmosfæren.
    ADVARSEL: Undgå indånding direkte over åbne ekssikkator.
19. Fjern silaniserede master og lukke ekssikkator.

2. Fremstilling af Double-layer mikrofluidenheder

Bemærk: Protokollen er særlig følsom over for tid og temperatur. Enhver undladelse af at følge til tidsramme og temperaturen kan føre til fremstilling af ikke-bundet, og derfor, ikke-funktionelle enheder.

1. Hæld en blanding af PDMS elastomer og hærdningsmiddel (5: 1 i vægt) i en disponibel vægtskål og fuldstændigt blandes med en plastik spatel. I den nuværende eksperiments, bruge 50 g elastomer og 10 g hærder til dannelse af et PDMS lag ca. 5 mm i højden ^19,26.
2. Placer godt blandede PDMS i en ekssikkator under vakuum til afgasse og fjerne fanget bobler i 15 minutter.
3. Bland PDMS elastomer og hærdningsmiddel (20: 1 i vægt) i en disponibel vejning skålen (f.eks 10 g elastomer og 0,5 g hærder) ^19,26.
4. Fastgør "kontrol lag" master mug i en ramme (i de nuværende eksperimenter, en 11 mm rund polytetrafluorethylen (PTFE) ring).
5. Efter 15 min placere 20: 1 PDMS blandingen i ekssikkator under vakuum til afgasning.
6. På samme tid som det foregående trin, tag 5: 1 PDMS blandingen fra ekssikkatoren og hæld dette onto "kontrol lag" master skimmel, der er placeret inde i runde stel. Placer rammen indeholder PDMS og mester skimmel i ekssikkator under vakuum så godt. Hold overskuddet PDMS.
7. Efter 45 min (og 30 min efter putting begge PDMS blandinger i ekssikkatoren), tage begge PDMS blandinger ud af ekssikkatoren og placere rammen indeholdende 5: 1 PDMS og "kontrollag" master skimmel i en ovn ved 80 ° C.
8. Samtidig, begynder at dreje belægge "strømningstekniske lag" master støber med 20: 1 PDMS blanding. Den rotationshastighed for spin-coating er fastsat ud fra den ønskede højde, og er blevet rapporteret andetsteds ^27. Til formål at afslutte spin-coating på 60 min og holde de resterende PDMS.
9. Efter 60 min, sætte "strømningstekniske lag" master støber spin-belagt med 20: 1 PDMS i en ovn ved 80 ° C.
10. Ved 75 min, tage både master forme ud af ovnen.
11. Skræl off kun 5: 1 PDMS fra "kontrol lag" master skimmel, terninger underlaget med en kniv og punch huller til kontrol lag med en 1 mm biopsi puncher på indgangene positioner fastlagt i designet. Her styres lag er 24 mm i længden og 24 mm i bredden.
12. ReFlyt vragrester fra hakkede chips ved hjælp af tape.
13. Manuelt samle tern og udstanset kontrollag chips oven på 20: 1 PDMS spin-coated på "strømningstekniske lag" master støbeform ved anvendelse af et stereomikroskop med forstørrelsen af 500X (figur 1).
14. Hæld og drage de resterende PDMS omkring de forsamlede chips til at gøre en tykkere PDMS lag og derved lette fjernelsen af ​​de bundne fluide og kontrol lag i slutningen.
15. Placere "strømningstekniske lag" master form indeholdende de to lag enheder i en ovn ved 80 ° C og opbevares natten over.
16. Den følgende dag, tage den hærdede samling ud af ovnen og lad den afkøle til stuetemperatur.
17. Træk PDMS samling fra ", fluide lag" master mug, terninger de fabrikerede double-layer enheder med en klinge (24 mm i længden og 24 mm i bredden) og punch fluide fjorde / forretninger med et 1,5 mm biopsi puncher.
18. Behandl overfladen af ​​chips med OPEn kanaler og dækglas (24 mm × 40 mm) med en koronaudladning og straks obligation dem sammen. Behandl ved at bevæge koronaudladning over PDMS slab og dækglas løbet af 1 minut. Alternativt kan du bruge et bordplade plasma-system for at lette binding.
19. Opbevar de bundne to lag chips i en ovn ved 70-80 ° C i mindst 4 timer.

3. mikrofluidsystem Assembly

1. Efter den mikrofluidapparat er blevet samlet, forbinde de strømningstekniske lag indløb af chippen til de strømningstekniske reservoirer (sprøjter) hjælp polytetrafluorethylen (PTFE) slange (0,8 mm id).
2. Tilslut pres forsyningskilde til kontrol lag fjorde hjælp silikonegummi slanger og metal stik, der har en udvendig diameter på 1,6 mm.
3. Åbn og luk ventilerne ved at anvende trykluft ved 3 bar ved hjælp af et tryk kilde, der betjenes manuelt. Supply væsker til kanalerne ved hjælp af en række computerstyrede sprøjtepumper.
4. Visualisere aktivering af ventiler og enhedens drift med en høj opløsning kamera monteret på et omvendt mikroskop. Brug 5X til 63X forstørrelse.

4. Manipulation af Laminar Flow Regime ved Pneumatisk Cage Aktivering

Bemærk: Den strømningstekniske lag består af to indløbs- konvergerende kanaler, som er 150 um i bredden, til et bredere hovedkanal 300 um i bredden. Og kontrollen lag har en række af identiske rektangulære ventiler (250 um × 200 um), der er placeret på toppen af ​​de vigtigste strømningstekniske kanal.

1. Når opsætningen er forbundet til sprøjtepumpen og pneumatiske controllere, indføre en vandig farvestof flow via en af ​​indløbskanalerne ved flowhastighed på 20 ul / min.
2. Luk ventilen ved aktivering det ved 3 bar.
3. Vær opmærksom på at fluidet stadig kan strømme omkring ventilen. Denne funktion er vigtig for at opnå kontrolleret kemisk behandling af indespærrede strukturer ^{18,25 <}/ Sup>.
4. Åbn ventilen ved at slippe trykket.
5. Mens farveopløsningen strømmer gennem den første kanal, injiceres en anden vandig væske til den anden indløbskanal på 20 pi / min. En grænseflade mellem to vandige strømme er dannet på grund af den laminare strømning til stede i mikrofluidapparatet.
6. Luk ventilen ved aktivering det ved 3 bar. I dette tilfælde er aktiveringen af ​​ventilen ændrer grænsefladen mellem de to vandige strømme; et resultat, der kan anvendes til at modificere den syntetiske pathway under dannelsen af en CP (se nedenfor) ^18,28.
7. Ændre fluidstrømningshastigheder til 30 pl / min og 10 pl / min og observere ned- eller op-skiftede vejledende af grænsefladen frembringes mellem de to fluider.

5. Lokalisering af mikropartikler

1. Tilslut den fabrikerede double-layer chip til sprøjten pumpe og pneumatiske controller-systemer.
2. Fremstille en vandig opløsning indeholdende 10 vægt.% Polystyrenfluorescerende partikler (5 um i diameter, excitation og emission max ved 468 nm og 508 nm).
3. Brug laser excitation kilde opererer ved en bølgelængde på 488 nm.
4. Indføre partikelfyldte væske ind i de to indløbskanaler til en samlet strømningshastighed på 20 pi / min.
5. Vent i 2 min, indtil en stabil strøm er etableret.
6. Aktivere ventilen ved 3 bar for at lukke det. Adskillige partikler vil blive fanget under ventilen og lokaliseret på overfladen, mens strømningen opretholdes.

6. Generation og kontrolleret reduktion af en Koordination Polymer (CP)

1. Forbered en 2,5 mM vandig opløsning af sølvnitrat _(AgNO3).
2. Forbered en 2,5 mM vandig opløsning af cystein (Cys).
3. Forbered en mættet ascorbinsyre opløsning i ethanol ^18.
4. Brug samme double-layer chip og injicere de to reagenser i de to indløbskanaler (ét reagens pr indløb) hver ved en strømningshastighed på50 pl / min.
5. Overhold dannelsen af ​​sølv og cystein (Ag (I) Cys) CP'er på grænsefladen af ​​to co-strømmende dampe.
6. Aktivér ventilen ved 3 bar at fange den dannede Ag (I) Cys CP'er nedenunder ventilen.
7. Flush destilleret vand i indløbskanalerne med en strømningshastighed på 50 pl / min for at vaske væk de overskydende reagenser, der anvendes under den syntetiske proces.
8. Slip tryk og åbne ventilen. De genererede CP'er forbliver under ventilen under stoppet-flow.
9. For at gennemføre en kontrolleret kemisk reduktion af fanget Ag (I) Cys cps, frigiver ventilen tryk ved 1 bar og skylle den mættede ascorbinsyreopløsning i ethanol ved en strømningshastighed på 10 pl / min.
10. Observere en tydelig farve forandring, der tilskrives nedsættelsen af Ag (I) til metallisk sølv (Ag (0)) af ascorbinsyre ^18.

Representative Results

Dobbeltlaget mikrofluidenheder består af to sammenbundne mikrofluid chips struktureret i PDMS som vist i figur 1. Det første lag, som er samtidig bundet til en overflade, der bruges til at strømme væsker (fluide lag), mens det andet lag, som er direkte bundet til det første PDMS lag, bruges til at strømme gas (kontrollag).

Figur 1. Double-layer mikrovæskeanordning. (A) Skematisk illustration og (B) mikrograf af dobbelt-lags mikrofluid enhed, der bruges i vores undersøgelser. Klik her for at se en større version af dette tal.

Injektion af gas gennem kanalerne ikontrol lag presser det fluide lag mod overfladen (figur 2A og figur 2B), hvilket muliggør indfangning og lokalisering af strukturer på mikrofluid kanal overflade. PDMS membran aktivering kan anvendes til at generere pneumatisk bure og / eller mikroorganismer, ventiler, der styres af en pneumatisk controller. Som eksemplariske modeller af membran aktivering, viser vi, hvordan den fuldstændige afbøjning af det fluide lag undgår et farvestof-laden flow at cirkulere under ventilen efter aktivering (figur 2C) og indfangning af fluorescerende mikropartikler på mikrokanalplade overflade (Figur 2D og 2E) .

Figur 2. Membran aktivering og indfangning af strukturer. (A) Side og (B) ovenfra illustrationer, der viser det dobbelte lag mikrofluidapparat væreforgrunden (øverst) og efter (nederst) aktivering af den pneumatiske ventil. (C) mikrografier af en dobbeltlags-mikrofluidanordning før (øverst) og efter presse af væsken lag (nederst). I bundpanel, er det fluide lag fyldt med en vandig opløsning af rhodaminfarvestof for en bedre forståelse af membranen aktivering. (D) Bright-field mikrografier af en dobbeltlags-mikrofluidanordning før (øverst) og efter (nederst) aktivering af ventilen med en strømmende vandig opløsning indeholdende polystyren fluorescerende partikler (10 vægt.%). (E) Fluorescerende billeder af billederne optiske mikroskop vist i D. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 3A illustrerer indfangning af in situ genererede CP'er inde i en double-layer mikrofluidanordning gennem AKTion af et pneumatisk bur. Bemærk at en ny koordinering pathway genereres efter aktivering af den første ventil. Ventilen aktivering sikrer indfangning af Ag (I) Cys CP genereret ved grænsefladen mellem de to reagens-strømme og letter dannelsen af en ny koordinering pathway (figur 3A). En detaljeret kemisk karakterisering af Ag (I) Cys CP genereret ved grænsefladen mellem de to reagens-streams kan findes i tidligere undersøgelser ^17,18. Endvidere har der, efter fjernelse af overskydende reagenser løsninger med en strøm af rent vand (figur 3B), en mættet ascorbinsyreopløsning i ethanol kan tilsættes til den mikrofluid kanal til styret kemisk reduktion af on-chip fanget strukturer (figur 3C). Reduktion ventilen pres fra 3 bar til 1 bar favoriserer en kontrolleret kemisk behandling af fanget Ag (I) Cys CP under den fastspændte område ^18. Farveændringen af ​​fanget Ag (I) Cys cps til mørkebrun er enttributed til reduktionen af monovalent sølv til metallet, i overensstemmelse med tidligere bemærkninger ^18,29.

Figur 3. indfangning af Ag (I) Cys CP'er og kontrolleret kemisk reduktion. (A) Optisk mikroskop billede der viser indfangning af et in situ syntetiseret Ag (I) Cys CP og generering af en ny koordinering pathway. (B) Mikrograf indespærrede CP'er nedenunder den fastspændte område efter fjernelse af overskydende reagenser løsninger med vand flow, og i (C), mikrograf af samme mikro-ventil efter reduktion reaktion proces. Klik her for at se en større udgave af dette tal.

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	-