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

Introduction

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, "troca de ligantes assistida microfluídico" 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.

Protocol

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 "bolachas de silício, o que permite a produção de estruturas de 50 um em altura.

1. fabricação de moldes Mestre Usando SU-8 fotolitografia

1. 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.
2. Arrefece-se a bolacha desidratado até à temperatura ambiente ao longo de um período de 3 min.
3. 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.
   1. 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.
   2. 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.
4. Limpe o talão borda do wafer cuidadosamente com um algodão limpe enquanto girando em baixa rotação (tipicamente 100 rpm).
5. 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, "cozer macia").
   Nota: A presença de padrões ou "rugas" na camada de resistir indica a remoção incompleta de solvente.
6. 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.
7. 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.
8. 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.
9. 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.
10. Deixar a bolacha pós-cozido a arrefecer até à temperatura ambiente ao longo de um período de 3 min.
11. 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.
    1. No primeiro, mergulhar a bolacha na solução reveladora durante 5 min, removendo a maioria dos não reticulado SU-8.
    2. 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).
12. Lavar a bolacha desenvolvido com isopropanol e deixar a bolacha ter estruturas modeladas (a seguir referida como "molde mestre") ficar a secar. Observação de um resíduo leitoso Com a sua remoção do molde mestre indica que o desenvolvimento é incompleta.
13. Aquecer o molde mestre seca sobre uma placa quente a 200 ° C durante 2-5 min para "cozer duro" o substrato e recozimento potenciais fendas no resistir.
14. Permitir que o molde mestre fabricado a arrefecer até à temperatura ambiente.
15. Coloque o molde mestre num exsicador (ligada a uma bomba de vácuo) dentro de um extractor de fumo.
16. 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.
17. Coloque o secador sob vácuo e aguarde pelo menos 1 hora para permitir que o vapor TMCS para depositar na superfície do mestre molde.
18. Após 1 h, equilibrar lentamente a pressão dentro do exsicador e aberto para a atmosfera.
    CUIDADO: Não respirar diretamente acima do secador aberto.
19. Remover o mestre silanizada e fechar o exsicador.

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.

1. 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.
2. Coloque o PDMS bem misturados num exsicador sob vácuo para desgaseificar e remover bolhas de ar durante 15 min.
3. 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.
4. Fixar a "camada de controle" molde mestre em um quadro (nas experiências atuais, um anel de 11 milímetros rodada de politetrafluoretileno (PTFE)).
5. Após 15 minutos, colocar a mistura 20: 1 de PDMS no exsicador sob vácuo durante a desgaseificação.
6. Ao mesmo tempo que a etapa anterior, tirar a 5: 1 mistura de PDMS do exsicador e despeje esta na "camada de controlo de" 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.
7. 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 "camada de controlo de" molde mestre num forno a 80 ° C.
8. Ao mesmo tempo, começam a girar o revestimento "camada fluidificada" 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.
9. Após 60 min, colocou o "fluidic camada de" mestre molde rodada revestido com 20: 1 PDMS em um forno a 80 ° C.
10. Aos 75 min, tome ambos os moldes mestres de sair do forno.
11. Retire apenas as 5: PDMS 1 da "camada de controle" 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.
12. Rdetritos emove a partir de lascas em cubos com fita adesiva.
13. Montar manualmente os cubos perfurados e camada de controlo de fichas no topo do 20: 1 rotação PDMS revestido sobre o molde mestre "camada fluidificada" usando um estereomicroscópio com a ampliação de 500X (Figura 1).
14. 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.
15. Coloque a "camada fluidificada" molde mestre contendo os dois dispositivos de camada num forno a 80 ° C e armazenar durante a noite.
16. No dia seguinte, tomar o conjunto curado de sair do forno e deixe esfriar à temperatura ambiente.
17. Retire o conjunto do PDMS da "camada fluídica" 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.
18. 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.
19. Armazenar as fichas de camada dupla ligação num forno a 70-80 ° C durante pelo menos 4 h.

3. Montagem do Sistema Microfluidic

1. 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).
2. 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.
3. 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.
4. 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.

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.

1. 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.
2. Fechar a válvula acionando-o a 3 bar.
3. 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 <}/ Sup>.
4. Abrir a válvula, liberando a pressão.
5. 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.
6. 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.
7. 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.

5. Localização dos Micropartículas

1. Ligue o chip de dupla camada fabricada para a bomba de seringa e sistemas de controle pneumáticas.
2. 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).
3. Use fonte de excitação de laser operando a um comprimento de onda de 488 nm.
4. Introduzir o fluido de partículas carregadas para os dois canais de entrada de ar a um caudal total de 20 ul / min.
5. Esperar por 2 min, até que um fluxo estável é estabelecida.
6. 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.

6. Geração e redução controlada de um polímero de Coordenação (CP)

1. Prepara-se uma solução aquosa de nitrato de prata 2,5 mM _(AgNO3).
2. Prepara-se uma solução aquosa 2,5 mM de cisteína (Cys).
3. Prepara-se uma solução saturada de ácido ascórbico em ¹⁸ etanol.
4. 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.
5. Observar a formação de prata e CPs cisteína (Ag (I) Cys) na interface de duas vapores co-corrente.
6. Accionar a válvula de 3 bar para interceptar o Ag formado (I) Cys CPs debaixo da válvula.
7. 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.
8. Libertar a pressão e abre a válvula. Os CPs gerados permanecem debaixo da válvula sob condições de fluxo interrompido.
9. 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.
10. Observar uma mudança de cor clara, que é atribuído à redução de Ag (I) de prata metálica (Ag (0)) pelo ácido ascórbico ^18.

Representative Results

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.

Figura 1. De camada dupla dispositivo microfluídico. (A) Ilustração esquemática e (B) micrografia do dispositivo microfluídico de camada dupla usada em nossas investigações. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

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) .

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. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

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.

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. Por favor clique aqui para ver uma versão maior esta figura.

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	-