Microfluïdische Pneumatische Cages: een nieuwe benadering voor de In-chip Crystal Trapping, manipulatie en gecontroleerde chemische behandeling

Introduction

Moleculaire materialen zijn al lang bestudeerd in de wetenschappelijke gemeenschap vanwege hun brede aantal toepassingen op gebieden zoals moleculaire elektronica, optica en sensoren ^1-4. Onder deze organische geleiders zijn een bijzonder spannende klasse van moleculaire materialen vanwege hun centrale rol in flexibele displays en geïntegreerde functionele apparaten ^5,6. Echter, methoden gebruikt om elektronische ladingstransport in moleculaire materialen op basis van in staat zijn beperkt tot de vorming van ladingstransport complexen (CTC's) en ladingstransport zouten (CTSS) ^7-10. Vaak CTCs en CTSS worden gegenereerd door elektrochemische methoden of door directe chemische redoxreacties; processen die een gecontroleerde transformatie van de donor of acceptor groepen belemmeren om meer complexe architecturen, waar multifunctionaliteit gedacht kan worden. Dienovereenkomstig, de opheldering van nieuwe systematische methoden voor de regelbare opwekking en manipulatie van moleculaire basend materialen blijft een belangrijke uitdaging op het gebied van materiaalkunde en moleculaire technologie, en, indien succesvol zal ongetwijfeld leiden tot nieuwe functies en nieuwe technologische toepassingen.

In dit verband hebben microfluidic technologieën onlangs gebruikt om moleculaire synthetiseren gebaseerde materialen vanwege hun vermogen tot warmte- en massaoverdracht en de reactie-diffusie hoeveelheid reagentia regelen tijdens een synthesewerkwijze ^11,12. Eenvoudig gezegd continu stromen en bij lage Reynoldsgetallen een stabiel raakvlak van twee of meer reagentia stromen kunnen worden bereikt, die de vorming van een goed gecontroleerde reactiezone in de stroombaan, waarbij het ​​mengen alleen plaatsvindt door diffusie ^13-16 verschaft. Inderdaad hebben we eerder werkzaam laminaire stroom naar de syntheseroute van kristallijne moleculaire materialen zoals coördinatie polymeren (CP) in microkanalen ¹⁷ lokaliseren. Hoewel deze methode is gebleken great belofte realiseren nieuwe CP nanostructuren, de directe integratie van dergelijke structuren op oppervlakken, alsmede gecontroleerde chemische behandeling na maar hun formatie in situ ¹⁸ worden gerealiseerd. Om deze beperking te overwinnen, hebben we onlangs aangetoond dat de activering van microfluïdische pneumatische kooien (of kleppen) opgenomen in tweelaags microfluïdische inrichtingen met voordeel kunnen worden gebruikt in dit opzicht. Aangezien het pionierswerk van groep beving ¹⁹ zijn microfluïde pneumatische kleppen vaak gebruikt voor eencellige trapping en isolatie ^20, enzymatische activiteit onderzoeken ^21, vangen van kleine fluïdumvolumes ^22, lokalisatie van functionele materialen op oppervlakken ²³ en eiwitkristallisatie ^24. Wij hebben echter aangetoond dat dubbellaags microfluïdische inrichtingen kunnen worden gebruikt voor het vangen, lokaliseren en te integreren in situ gevormde structuren uitlezen componenten en op oppervlakken ¹⁸. Verder hebben we ook aangetoond dat dergelijke technologie kan worden gebruikt om gecontroleerde chemische behandelingen uitvoeren op opgesloten structuren, zodat beide, 'microfluïdische ondersteunde ligand uitwisseling ^"18 en gecontroleerde chemische dotering van organische kristallen ^18,25. In beide gevallen kan CTCs worden gesynthetiseerd onder gecontroleerde omstandigheden microfluïdische en in de meest recente studie konden multifunctionaliteit in hetzelfde materiaaldeel worden beschreven. Hierin tonen we de prestaties van deze dubbellaagse microfluïdische elementen die gebruikmaken kleurstof beladen stromen genereren en controleren van de coördinatie route van een CP en de lokalisatie op het oppervlak van een microfluïde kanaal en uiteindelijk beoordelen gecontroleerde chemische behandelingen op on-chip ingesloten structuren.

Protocol

Opmerking: Twee lagen van een dubbellaags microfluïdische apparaat zijn ontworpen met behulp van een tekenprogramma, bijvoorbeeld AutoCAD en afgedrukt hoge resolutie film maskers vormen met een functie precisiegrens van 5 urn. Master mallen worden gecreëerd door SU-8 lithografie on 4 "silicon wafers, waardoor de productie van structuren 50 urn hoog.

1. Master Mold Fabrication Met behulp van SU-8 fotolithografie

1. Plaats de siliciumwafel op een hete plaat ingesteld op 200 ° C gedurende 10 minuten te drogen.
   Opmerking: silicium wafer dehydratie biedt een beter contact en zorgt voor de verspreiding van de SU-8 tijdens de spincoating stap.
2. Koel het gedehydrateerde wafer tot kamertemperatuur gedurende een periode van 3 min.
3. Laad de wafer op een spin coater en borg 4 ml SU-8 (ongeveer 1 ml SU-8 per inch substraat) in het midden van de wafel.
   1. Ten eerste, de verspreiding van de afgezette SU-8 langzaam bij 500 Revolutions per minuut (rpm) gedurende 10 sec. Dergelijke rotatiesnelheid zodat SU-8 dekking verhoogd over het gehele wafeloppervlak.
   2. Ten tweede, de controle van de dikte van de SU-8 door het draaien van het substraat bij hogere snelheden. In de huidige experimenten, gebruik dan een toerental van 3000 rpm gedurende 30 seconden voor het genereren van SU-8 is voorzien van 50 micrometer hoog.
4. Veeg de rand kraal van de wafel voorzichtig met een katoenen veeg tijdens het draaien bij een laag toerental (meestal 100 rpm).
5. Verhit de spin beklede wafer op een hete plaat bij 95 ° C gedurende 15 minuten om resterend oplosmiddel uit de SU-8 (dwz "soft bake") te verwijderen.
   Opmerking: De aanwezigheid van patronen of "rimpels" in de resistlaag geeft de onvolledige verwijdering van het oplosmiddel.
6. Koel de gebakken wafer terug naar kamertemperatuur en contact emulsie bedrukte zijde van het fotomasker met de wafer voorafgaand aan blootstelling.
7. Zet de UV-lamp en belichtingseenheid en laat het stabiliseren gedurende 10 min. Meet de lamp intensiteit bij 365 nm met behulp van een UV-Optometer, en schat de benodigde belichtingstijd (afhankelijk van periode = blootstelling energie / intensiteit bij 365 nm).
   Opmerking: De belichtingsenergie in de huidige experimenten werd berekend op 250 mJ / ^cm2.
8. Expose het fotomasker op het roterend bedekken wafel UV licht gedurende de geschatte tijd in de vorige stap. Hier, bloot voor 79,6 sec.
9. Direct na blootstelling bakken de blootgestelde wafer op een hete plaat bij 65 ° C gedurende 1 minuut en vervolgens bij 95 ° C gedurende 5 minuten. In deze stap wordt de reactie geïnitieerd door UV-licht en voltooid na het bakken.
10. Laat de nagebakken wafer afkoelen tot kamertemperatuur gedurende een periode van 3 min.
11. Ontwikkelen de niet-verknoopte SU-8 op de schijf door het oplossen in de SU-8 ontwikkelaar dan 8 min. Om volledige verwijdering van niet-verknoopte SU-8 waarborgen, splitsing van de werkwijze in twee stappen.
    1. In de eerste, dompel de wafer in de ontwikkelaaroplossing voor 5 min, reverplaatsen van de meeste niet-verknoopte SU-8.
    2. Dompel vervolgens de wafel in een verse oplossing van ontwikkelaar 3 min aan de resterende niet-verknoopte SU-8 te (gewoonlijk opgesloten tussen verknoopte structuren).
12. Spoel de ontwikkelde wafer met isopropanol en laat de wafer met een patroon structuren (hierna te noemen "master mal") staan ​​om uitdrogen. Waarneming van een melkachtige residu op het spoelen van de meester mal geeft aan dat de ontwikkeling onvolledig is.
13. Verwarm de gedroogde meester schimmel op een hete plaat bij 200 ° C gedurende 2-5 min tot "hard bakken" het substraat en gloeien mogelijke scheuren in de lak.
14. Laat de gefabriceerde meester mal afkoelen tot kamertemperatuur.
15. Plaats de master schimmel in een exsiccator (verbonden met een vacuümpomp) in een zuurkast.
16. Giet 100 pi van trimethylsilylchloride (TMCS) in een bekerglas en plaats deze in de exsiccator.
    LET OP: TMCS is ontvlambaar, corrosievee en giftig; dus moet hanteren stappen worden uitgevoerd onder een zuurkast, waarbij de gebruiker het dragen van beschermende handschoenen, bril en een laboratoriumjas.
17. Zet de exsiccator onder vacuüm en wacht tenminste 1 uur om de TMCS damp te deponeren op de master matrijsoppervlak.
18. Na 1 uur, langzaam evenwicht de druk binnen exsiccator en open naar de atmosfeer.
    LET OP: Kijk niet rechtstreeks inademen boven de open exsiccator.
19. Verwijder de gesilaniseerde meester en sluit de exsiccator.

2. Fabricage van Double-layer microfluïdische apparaten

Opmerking: Het protocol is bijzonder gevoelig voor de tijd en temperatuur. Het niet volgen, het tijdschema en de temperatuur kan leiden tot de fabricage van niet-gebonden, en dus niet-functionele apparaten.

1. Giet een mengsel van PDMS elastomeer en verharder (5: 1 in gewicht) in een wegwerp weegschaal en intensief vermengt met een kunststof spatel. In het huidige experiments Gebruik 50 g elastomeer en 10 g hardingsmiddel een PDMS laagje van ongeveer 5 mm hoog ^19,26 vormen.
2. Plaats de goed gemengd PDMS in een exsiccator onder vacuüm ontgassen en verwijderen van ingesloten bellen voor 15 min.
3. Meng PDMS elastomeer en verharder (20: 1 in gewicht) in een wegwerp droogschaal (bijvoorbeeld 10 g elastomeer en 0,5 g verharder) ^19,26.
4. Bevestig de "control layer" meester schimmel in een frame (in de huidige experimenten, een 11 mm rond polytetrafluorethyleen (PTFE) ring).
5. Na 15 minuten, plaats de 20: 1 PDMS mengsel in de exsiccator onder vacuüm ontgassen.
6. Op hetzelfde moment als de vorige stap, neem de 5: 1 PDMS mengsel uit de exsiccator en giet dit op de "control layer" master schimmel die bevindt zich in het ronde frame. Plaats het frame met het PDMS en meester schimmel in de exsiccator onder vacuüm ook. Houd het overschot PDMS.
7. Na 45 min (30 min en na putting zowel PDMS mengsels in de exsiccator), nemen zowel PDMS mengsels uit de exsiccator en plaats het frame met 5: 1 PDMS en de "control layer" master schimmel in een oven op 80 ° C.
8. Tegelijkertijd beginnen te draaien bekleden van de "vloeibare layer" master mal met het 20: 1 mengsel PDMS. De rotatiesnelheid spincoating is bepaald gebaseerd op de gewenste hoogte, en is elders ²⁷ vermeld. Doel om spin-coating te beëindigen op 60 min en houden de resterende PDMS.
9. Na 60 min, zet de "vloeibare laag" Master Mold gespincoate met 20: 1 PDMS in een oven bij 80 ° C.
10. Op 75 min, nemen zowel de master mallen uit de oven.
11. Haal alleen de 5: 1 PDMS van de "control layer" master schimmel, snijd de ondergrond met een mes en punch de gaten voor de controle lagen met een 1 mm biopsie puncher op de inlaten posities vastgesteld in het ontwerp. Hier, de besturingslaag is 24 mm lang en 24 mm breed.
12. Remove puin van in blokjes gesneden chips met plakband.
13. Handmatig monteren van de blokjes en geponste besturingslaag chips bovenop de 20: 1 PDMS gespincoat op de "vloeibare laag" meester mal met behulp van een stereomicroscoop met de vergroting van 500X (figuur 1).
14. Giet en teken de resterende PDMS rond de gemonteerde chips om een ​​dikkere laag PDMS te maken en daarmee het verwijderen van de gebonden vloeibare en controle lagen aan het eind te vergemakkelijken.
15. Plaats de "vloeibare laag" meester mal die de twee lagen inrichtingen in een oven bij 80 ° C en bewaar overnacht.
16. De volgende dag, neem de uitgeharde montage uit de oven en laat het afkoelen tot kamertemperatuur.
17. Verwijder de PDMS vergadering van de "vloeibare laag" meester schimmel, dobbelstenen de gefabriceerde double-layer-apparaten met een mes (24 mm in lengte en 24 mm in de breedte) en punch vloeibare inlaten / uitlaten met een 1,5 mm biopsie puncher.
18. Behandel het oppervlak van chips met open kanalen en dekglaasjes (24 mm x 40 mm) met een corona-ontlading en direct hechten ze aan elkaar. Behandel door het bewegen van de corona-ontlading over de PDMS plaat en glas dekglaasje meer dan 1 min. U kunt ook gebruik maken van een benchtop plasma systeem om binding te vergemakkelijken.
19. Bewaar de gebonden dubbellaagse chips in een oven bij 70-80 ° C gedurende ten minste 4 uur.

3. microfluïdische System Assembly

1. Na de microfluïdische apparaat is gemonteerd, sluit u de vloeibare laag inlaten van de chip naar de vloeibare reservoirs (spuiten) met behulp van polytetrafluorethyleen (PTFE) buis (0,8 mm id).
2. Sluit de bron druktoevoer naar de besturingslaag inlaten middels siliconenrubber buizen en metalen verbindingen met een buitendiameter van 1,6 mm.
3. Open de afsluiters door toepassing van perslucht bij 3 bar met een drukbron die met de hand wordt bediend. Supply vloeistoffen de kanalen met een reeks computergestuurde spuitpompen.
4. Visualiseren bediening van kleppen en werking van het apparaat met een hoge resolutie camera gemonteerd op een omgekeerde microscoop. Gebruik 5X tot 63x vergroting.

4. Manipulatie van de laminaire stroming Regime door pneumatische Cage Aansturing

Opmerking: De vloeibare laag bestaat uit twee convergerende inlaat kanalen, die 150 pm breed, een bredere hoofdkanaal 300 urn breed. En de besturing laag een reeks identieke rechthoekige kleppen (250 um x 200 um) die bovenop de belangrijkste vloeibare kanaal.

1. Zodra de opstelling is verbonden met de injectiepomp en pneumatische regelsystemen, introduceren een waterige kleurstof stroom via een van de inlaatkanalen van de stroomsnelheid van 20 pl / min.
2. Sluit het ventiel door het bedienen van het op 3 bar.
3. Wees ervan bewust dat de vloeistof nog steeds kan stromen rond de klep. Deze functie is van belang bij het ​​bereiken van gecontroleerde chemische behandeling van gevangen structuren ^{18,25 <}/ Sup>.
4. Open de klep door het vrijgeven van de druk.
5. Terwijl de kleurstofoplossing door het eerste kanaal stroomt, injecteert een waterige fluïdum in het tweede inlaatkanaal 20 pl / min. Een interface tussen twee waterige stromen wordt gevormd door het laminaire stromingsregime in de microfluïdische apparaat.
6. Sluit het ventiel door het bedienen van het op 3 bar. In dit geval, het bedienen van de klep verandert het grensvlak van de twee waterige stromen; een resultaat dat kan worden gebruikt om de synthetische route in de vorming van een CP (vide infra) ^18,28 wijzigen.
7. Verander de vloeistof debieten tot 30 pl / min en 10 pl / min en let op de down- en up-verschoven begeleiden van de interface gegenereerd tussen de twee vloeistoffen.

5. Lokalisatie van microdeeltjes

1. Sluit de gefabriceerde double-layer-chip aan de spuit pomp en pneumatische controller systemen.
2. Bereid een waterige oplossing die 10 gew.% Polystyreenfluorescerende deeltjes (5 urn in diameter, excitatie en emissie max bij 468 nm en 508 nm respectievelijk).
3. Met laser excitatie bron werkt bij een golflengte van 488 nm.
4. Introduceer de deeltjes beladen vloeistof in de twee inlaatkanalen met een totale stroomsnelheid van 20 pl / min.
5. Wacht 2 min totdat een stabiele stroom is vastgesteld.
6. Ventiel bij 3 bar om te sluiten. Meerdere deeltjes worden gevangen onder de klep en gelokaliseerd op het oppervlak terwijl de stroming wordt gehandhaafd.

6. Generation en Controlled Reductie van een Coordination Polymer (CP)

1. Bereid een 2,5 mM waterige oplossing van zilvernitraat (AgNO _3).
2. Bereid een 2,5 mM waterige oplossing van cysteïne (Cys).
3. Bereid een verzadigde oplossing van ascorbinezuur in ethanol ^18.
4. Gebruik dezelfde dubbellagige chip en injecteer de twee reagentia in de beide inlaatkanalen (een reagens per ingang) elk bij een stroomsnelheid van50 pl / min.
5. Let op de vorming van zilver en cysteïne (Ag (I) Cys) CP's op het grensvlak van twee co-stromende dampen.
6. Bedien de klep bij 3 bar te vangen de gevormde Ag (I) Cys CP onder de klep.
7. Spoelen gedestilleerd water in de inlaatkanalen met een stroomsnelheid van 50 pl / min wegspoelen de overtollige reagentia die tijdens de synthesewerkwijze.
8. Laat de druk en open de klep. De gegenereerde CP blijven onder de klep onder gestopte stroming condities.
9. Om een ​​gecontroleerde chemische reductie van ingesloten Ag (I) voeren Cys CP, laat de klep druk 1 bar en spoel de verzadigde ascorbinezuuroplossing in ethanol bij een stroomsnelheid van 10 pl / min.
10. Observeren namelijk kleurverandering die is toegeschreven aan de reductie van Ag (I) tot metallisch zilver (Ag (0)) van het ascorbinezuur ^18.

Representative Results

De dubbellaag microfluïdische inrichtingen bestaan ​​uit twee gebonden microfluïdische chips gestructureerd PDMS zie figuur 1. De eerste laag, die tevens verbonden aan een oppervlak wordt gebruikt om vloeistoffen (vloeistoflaag) stroomt, terwijl de tweede laag, die direct is gebonden aan de eerste laag PDMS wordt gebruikt om gas (controlelaag) stromen.

Figuur 1. Double-layer microfluïdische apparaat. (A) Schematische weergave en (B) microfoto van de double-layer microfluïdische apparaat gebruikt in ons onderzoek. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Injectie van gas via kanalen inde besturingslaag knijpt de vloeistoflaag naar het oppervlak (Figuur 2A en Figuur 2B), waardoor vangen en lokalisatie van structuren op de microfluïde kanaal oppervlak. PDMS membraan bediening kan worden gebruikt om pneumatische kooien en / of micro-kleppen die worden bestuurd door een pneumatische regelaar genereren. Als voorbeeld modellen van membraan bediening, laten we zien hoe de volledige uitslag van de vloeistof laag vermijdt een kleurstof beladen stroom te laten circuleren onder de klep na de bediening (figuur 2C) en de vangst van fluorescerende microdeeltjes op het microkanaal oppervlak (figuur 2D en 2E) .

Figuur 2. Membraan bediening en de vangst van structuren. (A) Side en (B) bovenaanzicht illustraties die de double-layer microfluïdische apparaatvoorstuk (boven) en na (onder) bediening van het pneumatisch ventiel. (C) microfoto van een dubbellaags microfluïdische apparaat voor (boven) en na knijpen van de vloeistoflaag (onder). In bodempaneel, wordt de vloeistoflaag gevuld met een waterige oplossing van rhodamine kleurstof voor een betere beleving van het membraan bediening. (D) Helder-veld microfoto van een dubbellaags microfluïdische apparaat voor (boven) en na (onder) bediening van de klep met een vloeiende waterige oplossing die polystyreen fluorescerende deeltjes (10 gew.%). (E) TL-beelden van de optische microscoop beelden getoond in D. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figuur 3A illustreert het vangen van in situ gegenereerde CP's in een double-layer microfluïdische apparaat door middel van actuation van een pneumatische kooi. Merk op dat een nieuwe afstemming route wordt gegenereerd na de bediening van de eerste klep. De klepbediening zorgt het vangen van de Ag (I) Cys CP gegenereerd op het grensvlak van de twee reagentia stromen en vergemakkelijkt de vorming van een nieuwe afstemming route (Figuur 3A). Een gedetailleerde chemische karakterisering van de Ag (I) Cys CP gegenereerd op het grensvlak van de twee reagentia stromen vindt in eerdere studies ^17,18. Bovendien, en na verwijdering van de overtollige reagentia oplossingen met een stroom zuiver water (figuur 3B), een verzadigde ascorbinezuur in ethanol kan worden aan de microfluïdische kanaal voor gecontroleerde chemische reductie van on-chip gevangen structuren (Figuur 3C) toegevoegd. Verminderen de klep druk van 3 bar tot 1 bar begunstigt een gecontroleerde chemische behandeling van de gevangen Ag (I) Cys CP onder het geklemde gebied ^18. De kleurverandering van gevangen Ag (I) Cys CP tot donkerbruin is eenttributed de vermindering van eenwaardige zilver metaal, in overeenstemming met eerdere waarnemingen ^18,29.

Figuur 3. Trapping van Ag (I) Cys CP en gecontroleerde chemische reductie. (A) image optische microscoop toont het vangen van een in situ gesynthetiseerd Ag (I) Cys CP en het genereren van een nieuwe coördinatie route. (B) Deze coupe van de gevangen CP onder de geklemde gebied na het verwijderen van overtollige reagentia oplossingen met een waterstroom, en (C), microfoto van hetzelfde micro-ventiel na de verlaging reactie proces. Klik hier om een grotere versie te bekijken dit figuur.

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	-