Microfluidic Pneumatiske Cages: A Novel Approach for In-chip Crystal Trapping, Manipulasjon og kontrollert kjemisk behandling

Introduction

Molecular materialer har lenge vært studert i det vitenskapelige samfunnet på grunn av sin brede antall søknader i områder som molekylær elektronikk, optikk og sensorer ^1-4. Blant disse organiske ledere er en spesielt spennende klasse av molekylære materialer på grunn av sin sentrale rolle i fleksible skjermer og integrerte funksjonelle enheter ^5,6. Imidlertid er metoder som brukes for å muliggjøre elektronisk ladningstransport i molekylær-baserte materialer begrenset til dannelsen av ladningstransport komplekser (CTCs) og ladningstransport salter (CTSS) ^7-10. Ofte, CTCs og CTSS er generert av elektrokjemiske metoder eller ved direkte kjemisk redoksreaksjoner; prosesser som hindrer en kontrollert transformasjon av donor eller akseptor rester til mer komplekse arkitekturer hvor multifunksjonalitet kan unnfanget. I henhold til klarlegging av nye systematiske metoder for den styrbare generering og manipulering av molekylær-base-d materialer er fortsatt en betydelig utfordring innen materialvitenskap og molekylær engineering, og hvis det lykkes vil utvilsomt føre til nye funksjoner og nye teknologiske anvendelser.

I denne sammenheng har microfluidic teknologi har nylig blitt benyttet for å syntetisere molekylære baserte materialer på grunn av deres evne til å kontrollere varme- og masseoverføring, så vel som reaksjons-diffusjon volum av reagenser i løpet av en syntetisk prosess ^11,12. Enkelt sagt, i kontinuerlige strømmer og ved lave Reynoldstall en stabil grenseflate mellom to eller flere reagens-strømmer kan oppnås, noe som gir dannelse av en godt kontrollert reaksjonssone inne i strømningsbanen, hvor blanding finner sted kun gjennom diffusjon ^13-16. Faktisk har vi tidligere ansatt laminære strømmer til lokalisere den syntetiske metode av krystallinske molekylære materialer som samordnings polymerer (CPS) inne microfluidic kanaler ^17. Selv om denne metoden har vist great løftet i å realisere nye CP nanostrukturer, den direkte integrasjon av slike strukturer på overflater, samt kontrollert kjemisk behandling etter deres dannelse har ennå ikke realisert in situ ^18. For å overvinne denne begrensningen, har vi nylig vist at aktiveringen av microfluidic pneumatiske bur (eller ventiler) som inngår i to-lags microfluidic anordninger kan med fordel anvendes i denne forbindelse. Siden den banebrytende arbeidet til Quake gruppe ^19, har microfluidic pneumatiske ventiler ofte blitt brukt for encellede fangst og isolasjon ^20, enzymatiske aktivitet undersøkelser ^21, fangst av små væskevolum ^22, lokalisering av funksjonelle materialer på overflater ²³ og protein krystallisering ^24. Vi har imidlertid vist at dobbeltlags microfluidic enheter kan brukes til å felle, lokalisere og integrere in situ dannet strukturer for å lese av komponenter og på overflater ¹⁸. Videre har vi også vist at en slik teknologi kan anvendes for å utføre kontrollert kjemiske behandlinger på fanget strukturer, slik at begge deler, "mikrofluid assistert ligand exchange" ¹⁸ og kontrollert kjemisk doping av organiske krystaller ^18,25. I begge tilfeller kunne CTCs syntetiseres under kontrollerte betingelser microfluidic, og i den siste studien, kan multifunksjonalitet beskrives i det samme materiale stykke. Heri viser vi resultatene av disse to-lags microfluidic anordninger som anvender fargestoff laden strømmer, generere og kontrollere koordinering banen til et CP så vel som dens lokalisering på overflaten av en mikrofluidkanal og til slutt vurdere kontrollert kjemisk behandling på on-chip stengte strukturer.

Protocol

Merk: To lag av en to-lags mikrofluidinnretningen utformet ved hjelp av en tegning programvare, f.eks, AutoCAD og skrives ut for å danne høy oppløsning film masker, med en funksjon presisjon grense på 5 um. Master former er laget av SU-8 litografi på 4 "silisiumskiver, slik at produksjon av strukturer 50 mikrometer i høyde.

1. Master Mold Fabrication Bruke SU-8 Fotolitografi

1. Plasser silikonplaten på en varm plate innstilt på 200 ° C i 10 minutter for å dehydrere.
   Merk: Silisium wafer dehydrering gir en bedre kontakt og sørger for spredning av SU-8 fotoresist ved sentrifuge belegningstrinnet.
2. Avkjøl dehydratisert platen ned til romtemperatur i løpet av et tidsrom på 3 min.
3. Laster skiven på en spinn coater og innskudd 4 ml SU-8 fotoresist (ca. 1 ml av SU-8 per tomme av substrat) ved sentrum av skiven.
   1. Først spre avsatt SU-8 sakte på 500 revolutions per minutt (rpm) i 10 sek. En slik rotasjonshastighet sikrer at SU-8 dekning økes over hele skivens overflate.
   2. For det andre kontrollerer tykkelsen av SU-8 ved å spinne substratet ved høyere hastigheter. I dagens eksperimenter, bruk en sentrifugeringshastighet på 3000 rpm i 30 sek å generere SU-8 har 50 mikrometer høy.
4. Tørk kantvulst av skiven forsiktig med en bomulls tørke mens denne roterer med et lavt turtall (typisk 100 rpm).
5. Varm opp spin-belagt skive på en varm plate ved 95 ° C i 15 min for å fjerne gjenværende løsningsmiddel fra SU-8 (dvs. "myk bake").
   Merk: Tilstedeværelsen av mønstre eller "rynker" i resisten lag indikerer ufullstendig fjernelse av oppløsningsmiddel.
6. Avkjøl den bakte kjeks ned tilbake til romtemperatur og kontakte emulsjonen trykte siden av fotomasken med skiven før eksponering.
7. Slå på UV-lampe og eksponeringsenheten og la systemet stabilisere seg over en periode på 10 mi. Mål lampe intensitet på 365 nm ved bruk av en UV-optometer, og anslår den nødvendige eksponeringstiden (i henhold til tid = eksponering energi / intensitet ved 365 nm).
   Merk: Eksponeringen energi i dagens eksperimenter ble beregnet til å være 250 mJ / cm ^2.
8. Utsett fotomaske på spin-belagt wafer for UV-lys for tiden anslått i forrige trinn. Her utsettes for 79,6 sek.
9. Umiddelbart etter eksponering, det eksponerte bake platen på en varm plate ved 65 ° C i 1 min og deretter ved 95 ° C i 5 min. I dette trinn blir reaksjonen satt i gang ved hjelp av UV-lys og avsluttet etter baking.
10. Forlate stillingen bakt kjeks avkjøles til romtemperatur i løpet av et tidsrom på 3 min.
11. Utvikle den ikke-tverrbundne SU-8 på skiven ved å oppløse det i SU-8 utvikler i løpet av 8 min. For å sikre fullstendig fjerning av ikke-tverrbundet SU-8, dele prosessen i to trinn.
    1. I den første, senk platen i den fremkaller-løsning i 5 minutter, gjenbevege flertall av ikke-tverrbundet SU-8.
    2. Deretter senkes ned platen i en ny løsning av fremkaller i 3 minutter for å oppløse de gjenværende ikke-tverrbundet SU-8 (vanligvis fanget mellom tverrbundne strukturer).
12. Skyll den utviklede platen med isopropanol og la skiven som har mønstrede konstruksjoner (i det følgende referert til som "master mold") stå å tørke ut. Observasjon av en melkerester på skylling master mold indikerer at utviklingen er ufullstendig.
13. Varm opp tørkede hoved formen på en varmeplate ved 200 ° C i 2-5 minutter til "hard bake" substrat og annealing mulige sprekker i resisten.
14. La fremstille hoved formen for å kjøle seg ned til romtemperatur.
15. Plasser master formen i en eksikator (forbundet med en vakuumpumpe) inne i en avtrekkshette.
16. Hell 100 ul trimetylsilylklorid (TMCS) i et begerglass og plasser inne i eksikator.
    FORSIKTIG: TMCS er brannfarlig, corrosive og giftig; derfor bør håndtering trinn utføres under en avtrekkshette, med brukeren iført vernehansker, vernebriller og laboratoriefrakk.
17. Sett eksikator under vakuum og vente minst en time for å la TMCS damp å sette på master mold overflaten.
18. Etter 1 time langsomt likevekt av trykket i eksikator og åpent mot atmosfæren.
    FORSIKTIG: Ikke puster direkte over åpen eksikator.
19. Fjern silanert master og lukke eksikkator.

2. Fabrikasjon av Double-layer microfluidic enheter

Merk: Protokollen er spesielt følsom for tid og temperatur. Enhver unnlatelse av å følge den tidsramme og temperatur kan føre til fabrikasjon av ikke-limt, og derfor ikke-funksjonelle enheter.

1. Hell en blanding av PDMS elastomer og herder (5: 1 i vekt) i en engangsveieskål og helt bland med en plastsparkel. I dagens eksperiments ved å bruke 50 g av elastomer og 10 g av herdemiddel for å danne en PDMS lag tilnærmet 5 mm i høyde ^19,26.
2. Plasser godt blandet PDMS i en eksikator under vakuum for å avgasse og fjerne innestengte bobler i 15 min.
3. Bland PDMS elastomer og herdemiddel (20: 1 i vekt) i en engangs tallerken som veier (som 10 g elastomer og 0,5 g herdemiddel) ^19,26.
4. Fix "kontroll lag" master mold i en ramme (i dagens eksperimenter, en 11 mm runde polytetrafluoretylen (PTFE) ring).
5. Etter 15 min, plasserer 20: 1 PDMS blandingen i eksikator under vakuum for avgassing.
6. På samme tid som det foregående trinn, ta ut 5: 1 PDMS blandingen fra eksikatoren og hell den over til "kontrollaget" master mugg som er plassert på innsiden av rund ramme. Plasser rammen som inneholder PDMS og mestre synker inn i eksikator under vakuum i tillegg. Hold overskudd PDMS.
7. Etter 45 minutter (og 30 min etter putting begge PDMS-blandinger inn i eksikator), kan begge PDMS blandinger ut fra eksikatoren og plassere rammen som inneholder 5: 1 PDMS og "kontrollaget" master formen i en ovn ved 80 ° C.
8. På samme tid, begynner å spinne belegge "fluidsjikt" master formen med den 20: 1 blanding PDMS. Rotasjonshastigheten for spin belegg fastsettes på bakgrunn av ønsket høyde, og har blitt rapportert andre steder ^27. Mål å avslutte spin belegg på 60 min og holde rest PDMS.
9. Etter 60 min, sette "fluidsjikt" master formen rotasjonsbelagt med 20: 1 PDMS inn i en ovn ved 80 ° C.
10. På 75 min, ta både master formene ut av ovnen.
11. Trekk av kun 5: 1 PDMS fra "Brems" master mold, terninger underlaget med et blad og punch hullene for kontroll lag med en 1 mm biopsi puncher på inntakene bestemte posisjoner i design. Her er styre lag 24 mm i lengde og 24 mm i bredde.
12. REDra rusk fra terninger chips bruker teip.
13. Montere manuelt terninger og utstanset styre lag sjetonger på toppen av 20: 1 PDMS rotasjonsbelagt på "fluidsjikt" master form under anvendelse av et stereomikroskop med forstørrelse på 500X (figur 1).
14. Hell og trekke de gjenværende PDMS rundt de sammensatte chips å lage en tykkere PDMS lag og derved lette fjerningen av de sammenføyde fluidic og brems ved slutten.
15. Plasser "fluidsjikt" master formen inneholdende de to lag enhetene i en ovn ved 80 ° C og oppbevares natten over.
16. Dagen etter, ta kurert enheten ut av ovnen og la den avkjøles til romtemperatur.
17. Trekk av PDMS enheten fra "fluidic lag" master mold, terninger de fabrikkerte to-lags enheter med et blad (24 mm i lengde og 24 mm i bredden) og hullfluid innløp / uttak med en 1,5 mm biopsi puncher.
18. Behandle overflaten av chips med open kanaler og dekkglass (24 mm x 40 mm) med en koronautladning og umiddelbart binde dem sammen. Behandle ved å bevege koronautladning over PDMS skive og glass dekkglass i løpet av 1 min. Alternativt kan du bruke en benkeplate Bøk plasma system for å forenkle binding.
19. Lagre de sammenføyde to-lags-brikker i en ovn ved 70-80 ° C i minst 4 timer.

3. microfluidic System Assembly

1. Etter microfluidic enheten er montert, koble fluidumsforbindelsene lag viker av chip til fluid reservoarer (sprøyter) ved hjelp av polytetrafluoretylen (PTFE) tubing (0,8 mm id).
2. Koble trykktilførselskilde til de Brems innløpene ved hjelp av silikongummirør og metallbeslag som har en utvendig diameter på 1,6 mm.
3. Åpne og lukke ventilene ved å bruke trykkluft på 3 bar ved hjelp av en trykk kilde som opereres manuelt. Forsynings fluider til kanaler ved hjelp av en serie av datastyrte sprøytepumper.
4. Visual aktivering av ventiler og drift av enheten med et kamera med høy oppløsning som er montert på et invertert mikroskop. Bruk 5x til 63x forstørrelse.

4. Manipulering av Laminar Flow Regime ved pneumatisk Cage Betjenings

Merk: fluidic lag består av to innløps konvergerende kanaler, som er 150 mikrometer i bredde, til en bredere hovedkanal 300 mikrometer i bredde. Og kontroll laget har en serie av identiske rektangulære ventiler (250 um x 200 um) som er plassert på toppen av hovedfluidkanal.

1. Etter at oppsettet er koblet til sprøytepumpen og pneumatiske kontroller systemer, innføre en vandig fargestoff strømning gjennom en av innløpskanaler ved strømningshastighet på 20 ul / min.
2. Lukk ventilen ved å aktivere den på 3 bar.
3. Vær oppmerksom på at fluidet kan fremdeles strømme rundt ventilen. Denne funksjonen er viktig for å oppnå kontrollert kjemisk behandling av fanget strukturer ^{18,25 <}/ Sup>.
4. Åpne ventilen ved avlastning av trykket.
5. Mens fargestoffoppløsningen strømmer gjennom den første kanalen, å injisere et annet vandig fluid inn i den annen innløpskanal 20 mL / min. Et grensesnitt mellom to vandige strømmer er dannet på grunn av det laminære strømningsregime som er tilstede i mikrofluid enheten.
6. Lukk ventilen ved å aktivere den på 3 bar. I dette tilfellet, aktivering av ventilen forandrer grenseflaten av de to vandige strømmer; et resultat som kan brukes til å modifisere den syntetiske metode under dannelsen av en CP (se nedenfor) ^18,28.
7. Endre fluidstrømningshastigheter på 30 mL / min, og 10 pl / min og observere den ned- eller opp forskjøvet føring av grensesnittet som genereres mellom de to fluider.

5. Lokalisering av mikropartikler

1. Koble fabrikkert tolags chip til sprøytepumpen og pneumatiske kontrollersystemer.
2. Fremstille en vandig oppløsning inneholdende 10 vekt.% Polystyrenfluorescerende partikler (5 um i diameter, eksitasjon og emisjon max ved 468 nm og 508 nm, henholdsvis).
3. Bruke laser eksitasjon kilde som opererer ved en bølgelengde på 488 nm.
4. Introduser partikkelholdig fluid inn i de to innløpskanaler ved en total strømningshastighet på 20 ul / min.
5. Vent i 2 minutter inntil en stabil strømning er etablert.
6. Aktivere ventilen på 3 bar for å lukke det. Flere partikler vil bli fanget under ventilen og lokalisert på overflaten, mens strømningen opprettholdes.

6. generasjon og kontrollert reduksjon av en koordinerings Polymer (CP)

1. Utarbeide en 2,5 mM vandig løsning av sølvnitrat (Agno _3).
2. Forbered en 2,5 mM vandig løsning av cystein (Cys).
3. Utarbeide en mettet askorbinsyre løsning i etanol ^18.
4. Bruk samme to-lags chip og injisere de to reagenser i de to innløpskanaler (en reagens per innløp) som hver ved en strømningshastighet av50 mL / min.
5. Observere dannelsen av sølv og cystein (Ag (I) Cys) eps ved grenseflaten mellom to co strømmende damper.
6. Aktivere ventilen ved 3 bar for å fange opp det dannede Ag (I), Cys partiene på undersiden av ventilen.
7. Spyle destillert vann inn i innløps- kanalene ved en strømningshastighet på 50 ul / min for å vaske bort overskytende reagenser som anvendes under synteseprosessen.
8. Slipp trykket og åpne ventilen. De genererte KP forbli på undersiden av ventilen under stoppet-strømningsforhold.
9. For å gjennomføre en kontrollert kjemisk reduksjon av fanget Ag (I) Cys CPer, slipper ventiltrykket ved 1 bar og skylle den mettede askorbinsyre oppløsning i etanol ved en strømningshastighet på 10 ul / min.
10. Observere en tydelig fargeendring som er knyttet til reduksjon av Ag (I) til metallisk sølv (Ag (0)) ved hjelp av askorbinsyre ^18.

Representative Results

Dobbelt lag microfluidic enheter består av to sammenføyde microfluidic chips strukturert i PDMS som vist i figur 1. Det første lag, som er på samme tid bundet til en overflate, blir brukt til å strømme fluider (fluid lag), mens det andre lag, som er direkte bundet til det første PDMS lag, blir brukt til å strømme gass (kontroll lag).

Figur 1. Double-layer microfluidic enhet. (A) Skjematisk illustrasjon og (B) micrograph av dobbeltlags microfluidic enhet som brukes i våre undersøkelser. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Injeksjon av gass gjennom kanaler istyrelaget presser fluidsjiktet mot overflaten (figur 2A og figur 2B), slik at overtrykk og lokalisering av strukturer på mikrofluidkanalen overflate. PDMS membran aktivering kan brukes til å generere pneumatiske bur og / eller mikroventiler som er styrt av en pneumatisk kontroller. Som Exemplar modeller av membranen aktivering, viser vi hvordan fullstendig avbøyning av fluidsjiktet unngår en fargestoff-laden strømmen til sirkulere under ventilen etter dens aktivering (figur 2C) og oppfanging av fluorescerende mikropartikler i microchannel overflaten (figur 2D og 2E) .

Figur 2. Membran aktivering og fangst av strukturer. (A) Side og (B) topp utsikt illustrasjoner som viser dobbeltlags microfluidic enheten væreforgrunnen (øverst) og etter (nederst) aktivering av den pneumatiske ventil. (C) mikrografer av en tolags microfluidic enhet før (øverst) og etter klemme av væsken lag (nederst). I bunnfelt, blir fluidsjikt fylt med en vandig oppløsning av rodamin fargestoff for en bedre oppfatning av membranen aktivering. (D) Lys-feltmikrografer av en to-lags mikrofluidanordning før (øverst) og etter (nederst) aktivering av ventilen med en flytende vandige oppløsning inneholdende polystyren fluorescerende partikler (10 vekt.%). (E) Fluorescent bilder av de optiske mikroskop bilder som vises i D. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 3A viser fangst av in situ generert partiene inne i en tolags microfluidic enhet via actuation av en pneumatisk bur. Legg merke til at en ny vei samordning blir generert etter aktivering av den første ventil. Ventilen aktivering sikrer overlapping av Ag (I) Cys CP genereres ved grenseflaten av de to reagens- strømmer og letter dannelsen av en ny samordning pathway (figur 3A). En detaljert kjemisk karakterisering av Ag (I) Cys CP genereres ved grenseflaten av de to reagens-strømmene kan bli funnet i tidligere studier ^17,18. I tillegg, og etter fjerning av overskytende reagenser oppløsninger med en strøm av rent vann (figur 3B), en mettet askorbinsyre oppløsning i etanol kan tilsettes til den mikrofluidkanal for kontrollert kjemisk reduksjon av on-chip som er fanget strukturer (figur 3C). Reduksjon av ventilen trykket fra 3 bar til 1 bar favoriserer en kontrollert kjemisk behandling av det innfangede Ag (I), Cys CP undersiden av klemsonen ^18. Fargen endring av fanget Ag (I) Cys CPer til mørk brun er enttributed til reduksjon av monovalente sølv til metallet, i samsvar med tidligere observasjoner ^18,29.

Figur 3. Overlapping av Ag (I) Cys eps og kontrollert kjemisk reduksjon. (A) Optisk mikroskopbilde som viser overlapping av en in situ-syntetisert Ag (I), Cys CP og generering av en ny koordinering svei. (B) Micrograph av fanget CPer under klemsonen etter fjerning av overskudd reagenser løsninger med en vannføring, og i (C), mikrograf av det samme mikro-ventil etter reduksjon reaksjon prosessen. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

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	-