Mikroflödes pneumatiska Burar: En ny metod för In-chip Crystal svällning, manipulation och kontrollerad kemisk behandling

Introduction

Molekylära material har länge studerats i det vetenskapliga samfundet på grund av deras breda antalet ansökningar inom områden som molekylär elektronik, optik och sensorer ^1-4. Bland dessa organiska ledare är en särskilt spännande klass av molekylära material på grund av deras centrala roll i flexibla displayer och integrerade funktionella enheter ^5,6. Men metoder som används för att möjliggöra elektronisk laddningstransport i molekylära baserade material begränsad till bildandet av komplex laddningstransport (CTCs) och laddningstransportalter (CTSS) ^7-10. Ofta CTCs och CTSS genereras av elektrokemiska metoder eller genom direkta kemiska redoxreaktioner; processer som hindrar en kontrollerad omvandling av givar eller acceptorenheter till mer komplexa arkitekturer där multifunktionalitet kan tänkas. Följaktligen klargörandet av nya systematiska metoder för den styrbara generering och manipulation av molekyl-based material är fortfarande en betydande utmaning inom materialvetenskap och molekylteknik, och om det lyckas kommer utan tvekan att leda till nya funktioner och nya tekniska tillämpningar.

I detta sammanhang har mikroflödesteknik nyligen använts för att syntetisera molekylbaserade material på grund av deras förmåga att kontrollera värme- och massöverföring samt reaktions-diffusion volym av reagens under en syntesprocess ^11,12. Enkelt uttryckt, i kontinuerliga flöden och vid låga Reynoldstal en stabil gränsyta mellan två eller flera reagensströmmar kan uppnås, vilket ger bildning av en väl kontrollerad reaktionszonen inuti flödesvägen, där blandning sker endast genom diffusion ^13-16. I själva verket har vi tidigare anställd laminära flöden för att lokalisera den syntetiska vägen för kristallina molekylära material, såsom samordnings polymerer (CPS) inuti mikroflödessystem kanaler ^17. Även om denna metod har visat great löfte att förverkliga nya CP nanostrukturer, direkt integration av sådana strukturer på ytor, liksom kontrollerad kemisk behandling efter deras bildning har ännu inte förverkligas på plats ^18. För att övervinna denna begränsning, har vi nyligen visat att aktiveringen av mikroflödes pneumatiska burar (eller ventiler) som ingår i två skikt mikrofluidikanordningar med fördel kan användas i detta avseende. Sedan pionjärarbetet av Quakes grupp ^19, har mikroflödes pneumatiska ventiler ofta använts för encelliga infångning och isolering ^20, enzymatiska aktivitetsundersökningar ^21, infångning av små vätskevolymer ^22, lokalisering av funktionella material på ytor ²³ och proteinkristallisering ^24. Emellertid har vi visat att dubbelskikt mikrofluidikanordningar kan användas för att fälla, lokalisera och integrera in situ bildade strukturer för att läsa ut komponenter och på ytor ¹⁸. Vidare har vi också visat att en sådan teknik kan användas för att utföra kontrollerade kemiska behandlingar på fångade strukturer, som gör det möjligt både, "mikroflödesassisterad ligandutbyte" ¹⁸ och kontrollerad kemisk dopning av organiska kristaller ^18,25. I båda fallen skulle CTC syntetiseras under kontrollerade mikroflödesförhållanden, och i den senaste undersökningen, kan multifunktionalitet beskrivas i samma materialstycke. Häri, visar vi resultatet för dessa dubbla lager mikrofluidikanordningar som använder färgämnesladdade flöden, generera och styra samordningsvägen för en CP samt dess lokalisering på ytan av ett mikrofluidkanalen och slutligen bedöma kontrollerade kemiska behandlingar på on-chip fångade strukturer.

Protocol

Obs: Två skikt av en dubbla lager mikroflödessystem enhet är utformade med hjälp av ett ritprogram, t.ex. AutoCAD och skrivas ut för att bilda högupplösta film masker, med en funktion precision gräns på 5 pm. Master-formar är skapade av SU-8 litografi på 4 "kiselskivor, vilket möjliggör tillverkning av strukturer 50 ^ m i höjd.

1. Mästare Mögel Fabrication Använda SU-8 Fotolitografi

1. Placera kiselskiva på en värmeplatta inställd på 200 ° C under 10 min för att torkar.
   Notera: Kiselskiva dehydrering ger en bättre kontakt och säkerställer spridning av SU-8 fotoresist vid centrifugebeläggningssteget.
2. Kyla den dehydratiserade wafer ned till rumstemperatur under en period av 3 min.
3. Ladda skivan på en spinnbeläggare och insättning 4 ml av SU-8 fotoresist (ungefär 1 ml av SU-8 per tum av substrat) vid centrum av skivan.
   1. Först spreds det avsatta SU-8 långsamt vid 500 revolutions per minut (rpm) i 10 sek. En sådan rotationshastighet säkerställer att SU-8 täckning ökas över hela skivans yta.
   2. För det andra, kontrollera tjockleken av SU-8 genom att snurra substratet vid högre hastigheter. I den aktuella experimenten, använd en centrifugeringshastighet av 3000 varv per minut under 30 sekunder för att generera SU-8 har 50 pm hög.
4. Torka kanten pärla av skivan försiktigt med en bomulls torka medan spinning vid en lågt varvtal (typiskt 100 rpm).
5. Värma spinnbelades wafer på en het platta vid 95 ° C under 15 min för att avlägsna kvarvarande lösningsmedel från SU-8 (dvs "mjuka bake").
   Obs: Förekomsten av mönster eller "rynkor" i resistskiktet indikerar ofullständigt avlägsnande av lösningsmedel.
6. Kyl den bakade rånet tillbaka ner till rumstemperatur, och kontakta emulsionen tryckta sidan av fotomasken med skivan före exponering.
7. Sätt på UV-lampan och exponeringsenheten och låta systemet stabiliseras under en period av 10 mi. Mät lampans intensitet vid 365 nm med hjälp av en UV-optometer, och uppskatta den erforderliga exponeringstiden (beroende på tid = exponerings energi / intensitet vid 365 nm).
   Obs: Den energi exponering i de aktuella experimenten beräknades vara 250 mJ / cm ^2.
8. Exponera fotomasken på spinnbelades wafer för UV-ljus under den tid som beräknades i det föregående steget. Här, utsätta för 79,6 sek.
9. Omedelbart efter exponering, baka den exponerade skivan på en varm platta vid 65 ° C under 1 min och därefter vid 95 ° C under 5 min. I detta steg, reaktionen initieras genom UV -ljus och avslutas efter bakning.
10. Lämna den post-bakade rånet svalna till rumstemperatur över en period av 3 min.
11. Utveckla den icke-tvärbundna SU-8 på skivan genom att lösa den i SU-8 utvecklare över 8 min. För att säkerställa fullständigt avlägsnande av icke-tvärbunden SU-8, dela upp processen i två steg.
    1. I den första, sänk wafern i framkallningslösningen under 5 min, reflytta majoriteten av icke tvärbundna SU-8.
    2. Sedan doppa skivan i en färsk lösning av utvecklare för tre minuter för att lösa de återstående icke-tvärbunden SU-8 (vanligtvis fångade mellan tvärbundna strukturer).
12. Skölj den utvecklade wafern med isopropanol och låt skivan som har mönstrade strukturer (i det följande kallad "master mold") står för att torka ut. Observation av en mjölkaktig återstod vid sköljning av masterform indikerar att utveckling är ofullständig.
13. Värm den torkade befälhavaren mögel på en varm platta vid 200 ° C under 2-5 min för att "hårda bake" substratet och härdnings potentiella sprickor i resisten.
14. Tillåta fabricerade befälhavaren formen för att svalna till rumstemperatur.
15. Placera master mögel i en exsickator (ansluten till en vakuumpump) inuti ett dragskåp.
16. Häll 100 pl trimetylsilylklorid (TMCS) i en glasbägare och placera detta i exsickatorn.
    VARNING: TMCS är brandfarligt, corrosive och toxiska; därför bör hanteringssteg utföras under ett dragskåp med användaren bär skyddshandskar, skyddsglasögon och en laboratorierock.
17. Placera torkapparat under vakuum och vänta minst en timme för att göra det möjligt för TMCS ångan att sätta på huvudformytan.
18. Efter 1 h, långsamt jämvikta trycket i exsickator och öppen mot atmosfären.
    VARNING: Undvik inandning direkt ovanför den öppna exsickator.
19. Avlägsna silaniserad befälhavaren och stäng exsickatorn.

2. Tillverkning av dubbla lager Mikrofluidikanordningar

Notera: Protokollet är särskilt känsligt för den tid och temperatur. Underlåtenhet att följa den tidsram och temperatur kan leda till tillverkning av icke-bundna och därför icke-funktionella enheter.

1. Hälla en blandning av PDMS elastomer och härdare (5: 1 i vikt) i en engångsvägningsskål och fullständigt blanda med en plastspatel. I det aktuella experimentets, använd 50 g av elastomer och 10 g härdningsmedel för att bilda en PDMS skikt ungefär 5 mm i höjd ^19,26.
2. Placera de väl blandade PDMS i en torkapparat under vakuum för att avgasa och avlägsna infångade bubblor i 15 min.
3. Blanda PDMS elastomer och härdare (20: 1 i vikt) i en engångsvägningsskål (t.ex. 10 g elastomer och 0,5 g härdningsmedel) ^19,26.
4. Fäst "kontrollskiktet" master mögel i en ram (i de aktuella experimenten, en 11 mm rund ring polytetrafluoretylen (PTFE)).
5. Efter 15 minuter, placera 20: 1 PDMS blandningen i torkapparat under vakuum för avgasning.
6. Samtidigt som det föregående steget, ta ut 5: 1 PDMS blandning ur exsickatorn och häll detta på den "kontrollskiktet" master mögel som ligger inne i rund ram. Placera ramen innehållande PDMS och befälhavaren mögel in i torkapparat under vakuum samt. Håll överskott PDMS.
7. Efter 45 min (och 30 min efter putting både PDMS blandningar i torkapparat), ta båda PDMS blandningar av exsickatorn och placera ramen innehållande 5: 1 PDMS och "kontroll lagret" master mögel i en ugn vid 80 ° C.
8. Samtidigt, börjar att snurra belägga "fluidic skiktet" master mold med 20: 1 PDMS-blandning. Rotationshastigheten för rotationsbeläggning bestäms baserat på önskad höjd, och har rapporterats på annat håll ^27. Sikta på att avsluta spinnbeläggning vid 60 min och hålla rest PDMS.
9. Efter 60 minuter, satte "fluidic lagret" master mögel spinnbelades med 20: 1 PDMS i en ugn vid 80 ° C.
10. Vid 75 min, ta både master formar ur ugnen.
11. Lossna bara 5: 1 PDMS från "kontrollskiktet" master mögel, tärna substrat med ett blad och stansa hål för styrskikten med en 1 mm biopsi laget vid inloppen positionerna bestäms i konstruktionen. Här är styrskiktet 24 mm i längd och 24 mm i bredd.
12. REFlytta skräp från tärnade chips med hjälp av tejp.
13. Montera manuellt de tärnade och stansade styrskiktschips på toppen av 20: 1 PDMS spinnbelades på "fluidic skiktet" master mögel med ett stereomikroskop med förstoringen av 500X (Figur 1).
14. Häll och dra rest PDMS runt de monterade chips för att göra en tjockare PDMS lager och därigenom underlätta avlägsnande av bundna fluidic och styrlager i slutet.
15. Placera "fluidic skiktet" master mold som innehåller de två skiktanordningar i en ugn vid 80 ° C och lagra över natten.
16. Följande dag, ta det härdade aggregatet ut ur ugnen och låt den svalna till rumstemperatur.
17. Dra av PDMS enheten från "fluidic lagret" master mögel, tärning de tillverkade dubbla lager enheter med ett blad (24 mm i längd och 24 mm i bredd) och stansfluid inlopp / utlopp med en 1,5 mm biopsistans.
18. Behandla ytan hos chips med öppn kanaler och glastäck (24 mm x 40 mm) med en koronaurladdning och omedelbart binda ihop dem. Behandla genom att flytta koronaurladdningen över PDMS platta och täckglas över en minut. Alternativt kan du använda en bänk plasmasystem för att underlätta bindning.
19. Lagra de bundna dubbla lager chips i en ugn vid 70-80 ° C under minst fyra timmar.

3. mikroflödessystem Assembly

1. Efter mikroflödessystem enheten har monterats, anslut fluidic skikt inlopp av chip till fluidic reservoarer (sprutor) med hjälp av polytetrafluoretylen (PTFE) rör (0,8 mm id).
2. Anslut tryckkälla till styrskiktet inlopp med hjälp av silikongummi slangar och kopplingar av metall som har en ytterdiameter på 1,6 mm.
3. Öppna och stänga ventilerna genom att applicera tryckluft vid 3 bar med hjälp av en tryckkälla som manövreras manuellt. Supply fluider till kanalerna med hjälp av en serie datorstyrda sprutpumpar.
4. Visualisera manövrering av ventiler och enhetens funktion med en kamera med hög upplösning monterad på ett inverterat mikroskop. Använd 5X till 63X förstoring.

4. Manipulering av laminärt flöde regimen genom Pneumatic Cage Aktivering

Obs! Fluidic skiktet består av två inlopps konvergerande kanaler, som är 150 um i bredd, till en bredare huvudkanal 300 um i bredd. Och styrskiktet har en rad identiska rektangulära ventiler (250 um x 200 pm) som är belägna på toppen av huvudflödeskanalen.

1. När set-up är ansluten till sprutpumpen och pneumatiska controller system, införa en vattenhaltig färgämnesflödet via en av inloppskanalerna vid flödeshastighet av 20 pl / min.
2. Stäng ventilen genom att den manövreras på 3 bar.
3. Var medveten om att vätskan fortfarande kan strömma runt ventilen. Den här funktionen är viktig för att uppnå kontrollerad kemisk behandling av fångade strukturer ^{18,25 <}/ Sup>.
4. Öppna ventilen genom att släppa trycket.
5. Medan färgämneslösningen flödar genom den första kanalen, injektion av ett annat vattenhaltigt fluidum in i den andra inloppskanalen på 20 | j, l / min. Ett gränssnitt mellan två vattenhaltiga flöden bildas på grund av den laminära flödesregimen närvarande i mikrofluidanordningen.
6. Stäng ventilen genom att den manövreras på 3 bar. I detta fall manövreringen av ventilen ändrar gränsytan mellan de två vatten flöden; ett resultat som kan användas för att modifiera syntesvägen under bildandet av en CP (se nedan) ^18,28.
7. Ändra vätskeflödeshastigheter till 30 l / min och 10 l / min och observera ned- eller upp-skiftas styrning av gränssnittet genereras mellan de två vätskorna.

5. Lokalisering av mikropartiklar

1. Anslut den fabricerade dubbla lager chip till sprutpumpen och pneumatiska controller system.
2. Framställa en vattenlösning innehållande 10 vikt-.% Polystyrenfluorescerande partiklar (5 mikrometer i diameter, excitation och max emission vid 468 nm och 508 nm, respektive).
3. Använd laserexciteringskälla som arbetar vid en våglängd på 488 nm.
4. Introducera partikelbemängt vätska in i de två inloppskanaler vid en total flödeshastighet av 20 pl / min.
5. Vänta i 2 min tills ett stabilt flöde är etablerat.
6. Manövrera ventilen vid 3 bar för att stänga den. Flera partiklar kommer att fastna på undersidan av ventilen och placerat på ytan under det att flödet bibehålls.

6. Generation och kontrollerad minskning av en polymer samordnings (CP)

1. Förbered en 2,5 mM vattenlösning av silvernitrat (AgNOs _3).
2. Bered en 2,5 mM vattenhaltig lösning av cystein (Cys).
3. Förbered en mättad askorbinsyralösning i etanol ^18.
4. Använd samma dubbla lager chip och injicera de två reagensen in i de två inloppskanalerna (ett reagens per inlopp) var och en vid en flödeshastighet av50 | j, l / min.
5. Observera bildandet av silver och cystein (Ag (I) Cys) CPs vid gränsytan mellan två samverkande flödande ångar.
6. Manövrera ventilen vid 3 bar för att fånga den bildade Ag (I) Cys CPs nedanför ventilen.
7. Flush destillerat vatten in i inloppskanalerna vid en flödeshastighet av 50 ml / min för att tvätta bort de överskjutande reagens som används under syntesprocessen.
8. Släppa ut trycket och öppna ventilen. De genererade CP kvar under ventilen under stoppad-flöde.
9. I syfte att genomföra en kontrollerad kemisk reduktion av instängd Ag (I) Cys CPs släpper ventiltrycket vid 1 bar och spola den mättade askorbinsyralösning i etanol vid en flödeshastighet av 10 ul / min.
10. Observera en tydlig färgförändring som kan tillskrivas en minskning av Ag (I) till metalliskt silver (Ag (0)) av askorbinsyra ^18.

Representative Results

Dubbelskiktet mikrofluidikanordningar består av två sammanbundna mikrofluidiska chips strukturerade i PDMS såsom visas i figur 1. Det första skiktet, som är samtidigt bunden till en yta, används för att flöda vätskor (vätskeskikt), medan det andra skiktet, som är direkt bunden till den första PDMS skiktet, används för att flöda gas (kontrollskikt).

Figur 1. Dubbla lager mikroflödessystem enhet. (A) Schematisk illustration och (B) mikrograf av dubbla lager mikroflödessystem enhet som används i våra undersökningar. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Injektion av gas genom kanalerna ikontrollskiktet pressar fluiden skiktet mot ytan (Figur 2A och figur 2B), vilket möjliggör infångning och lokalisering av strukturer på mikroflödeskanalytan. PDMS membran aktivering kan användas för att generera pneumatiska burar och / eller mikroventiler som styrs av en pneumatisk styrenhet. Som exempel modeller av membranmanövrering, visar vi hur den fullständiga deformationen av fluidskiktet undviks ett färgämne-lastat flöde för att cirkulera under ventilen efter dess aktivering (figur 2C) och fångst av fluorescerande mikropartiklar på mikrokanalytan (figur 2D och 2E) .

Figur 2. Membran aktivering och fångst av strukturer. (A) Side och (B) Uppifrån illustrationer som visar dubbla lager mikrofluidikanordning varafören (överst) och efter (nederst) aktivering av den pneumatiska ventilen. (C) mikrofotografier av ett dubbelskikt mikrofluidikanordning före (överst) och efter klämning av fluidskiktet (botten). I bottenpanel, är fluidskiktet fylls med en vattenhaltig lösning av rodaminfärgämne för en bättre uppfattning av membranet aktivering. (D) Bright-field-mikrografer av ett dubbelskikt mikrofluidikanordning före (överst) och efter (nederst) aktivering av ventilen med en flödande vattenlösning innehållande polystyren fluorescerande partiklar (10 vikt-.%). (E) Fluorescerande bilder av de optiska mikroskopbilder som visas i D. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figur 3A illustrerar fångst av in situ-genererade CPs i en dubbla lager mikrofluidikanordning genom actuatjonen av en pneumatisk bur. Lägg märke till att en ny samordning pathway genereras efter aktiveringen av den första ventilen. Ventilaktiverings säkerställer infångning av den Ag (I) Cys CP genereras vid gränsytan av de två reagensströmmarna och underlättar bildandet av en ny samordnings vägen (figur 3A). En detaljerad kemisk karakterisering av Ag (I) Cys CP genereras vid gränsytan av de två reagensströmmarna kan hittas i tidigare studier ^17,18. Dessutom, och efter avlägsnande av överskottet reagens lösningar med ett flöde av rent vatten (fig 3B), en mättad askorbinsyralösning i etanol kan tillsättas till mikroflödeskanalen för styrd kemisk reduktion av on-chip fångade strukturer (Figur 3C). Reducera ventiltrycket från 3 bar till 1 bar gynnar en kontrollerad kemisk behandling av fångade Ag (I) Cys CP under det klämda området ^18. Färgförändringen hos fångade Ag (I) Cys CPs till mörkbrun är enttributed till minskningen av monovalent silver till metallen, i överensstämmelse med tidigare iakttagelser ^18,29.

Figur 3. Fångst av Ag (I) Cys CPs och kontrollerad kemisk reduktion. (A) Optisk mikroskopbild som visar infångning av en in situ syntetiseras Ag (I) Cys CP och generering av en ny samordningsvägen. (B) Micrograph fångade partierna nedanför det klämda området efter avlägsnande av överskotts reagenser lösningar med ett vattenflöde, och (C), mikrograf av samma mikroventilen efter reduktionsreaktionen processen. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

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	-