Микрожидком Пневматические Садки: Новый подход к В микросхеме Кристал Trapping, манипуляция и управляемому Химическая обработка

Chemistry
 

Cite this Article

Copy Citation | Download Citations | Reprints and Permissions

Abrishamkar, A., Paradinas, M., Bailo, E., Rodriguez-Trujillo, R., Pfattner, R., Rossi, R. M., Ocal, C., deMello, A. J., Amabilino, D. B., Puigmartí-Luis, J. Microfluidic Pneumatic Cages: A Novel Approach for In-chip Crystal Trapping, Manipulation and Controlled Chemical Treatment. J. Vis. Exp. (113), e54193, doi:10.3791/54193 (2016).

Please note that all translations are automatically generated.

Click here for the english version. For other languages click here.

Abstract

Introduction

Молекулярные материалы уже давно изучены в научном сообществе из - за их широкого ряда применений в таких областях, как молекулярная электроника, оптика и датчиков 1-4. Среди них, органические проводники являются особенно захватывающе класс молекулярных материалов из - за их центральной роли в гибких дисплеев и интегрированных функциональных устройств 5,6. Тем не менее, методологии , используемые для обеспечения электронного переноса заряда в молекулярных материалов на основе ограничиваются образованием комплексов переноса заряда (ЦОК) и переноса заряда солей (CTSS) 7-10. Часто, ЦОК и CTSS генерируются электрохимическими методами или путем прямых химических окислительно-восстановительных реакций; процессы, которые тормозят контролируемое превращение донорских или акцепторных фрагментов для более сложных архитектур, где многофункциональность может быть задумано. Таким образом, выяснение новых систематических методов контролируемого генерации и манипулирования молекулярной базыD материалы остается серьезной проблемой в области материаловедения и молекулярной инженерии, и в случае успеха, несомненно, приведет к новым функциям и новых технологических применений.

В связи с этим, в последнее время используются микрофлюидальные технологии для синтеза молекулярных материалов на основе из - за их способности контролировать тепло и массообмен, а также объем реакции-диффузии реагентов во время процесса синтеза 11,12. Проще говоря, в непрерывных потоках и при низких числах Рейнольдса стабильный интерфейс между двумя или большим количеством потоков реагентов может быть достигнуто, которая обеспечивает формирование хорошо контролируемой зоне реакции внутри канала потока, где смешивание происходит только за счет диффузии 13-16. Действительно, ранее мы использовали ламинарные потоки для локализации пути синтеза кристаллических молекулярных материалов , таких как координационных полимеров (ХП) внутри микроканалов 17. Хотя эта методика показала грасно обещание в реализации романа CP наноструктуры, прямую интеграцию таких структур на поверхности, а также контролируемой химической обработки после их образования еще предстоит реализовать на месте 18. Чтобы преодолеть это ограничение, мы показали, что приведение в действие микрофлюидальных пневматических сепараторов (или клапаны), включенному в двухслойных микрофлюидальных устройства могут быть преимущественно использованы в этом отношении. Поскольку пионерской работы группы Quake в 19, микрофлюидальные пневматические клапаны часто использовались для одноклеточного отлова и изоляции 20, ферментативных исследований активности 21, отлова небольших объемов жидкости 22, локализации функциональных материалов на поверхностях 23 и кристаллизации белков 24. Тем не менее, мы показали , что двухслойные микрофлюидальные устройства могут быть использованы для улавливания, локализации и интеграции на местах формируются структуры зачитать компонентов и на поверхностях 18, Кроме того, мы также показали , что такая технология может быть использована для выполнения контролируемых химических обработок на запертых структур, что позволяет как "Микрожидкостных Assisted обмен лиганд" 18 и контролируемое химическое легирование органических кристаллов 18,25. В обоих случаях ЦОК могут быть синтезированы в контролируемых условиях микроканалов, а в самом последнем исследовании, многофункциональность могут быть описаны в том же часть материала. Здесь мы покажем эффективность этих двухслойных микрофлюидальных устройств, использующих красителем обремененные потоки, формировать и контролировать координацию тропу СР, а также его локализацию на поверхности микрожидком канала и, наконец, оценить контролируемых химических обработок на на-чипе запертые структуры.

Protocol

Примечание: Два слоя двухслойной микрожидкостных устройства разработаны с использованием программного обеспечения для рисования, например, AutoCAD и распечатываются для формирования маски пленки с высокой разрешающей способностью , с точностью функция предела 5 мкм. Исходные формы создаются СУ-8 литографию на 4 "кремниевых пластин, что позволяет производство структур 50 мкм в высоту.

1. Мастер Mold Изготовление Используя SU-8 фотолитографии

  1. Поместите кремниевой пластины на горячей плите при 200 ° С в течение 10 мин для дегидратации.
    Примечание: Кремниевая пластина обезвоживание обеспечивает лучший контакт и обеспечивает распространение СУ-8 фоторезиста во время стадии нанесения покрытия.
  2. Охлаждают обезвоженную вафлю до комнатной температуры в течение 3 мин.
  3. Загрузите пластины на спин для нанесения покрытий и депозит 4 мл SU-8 фоторезиста (приблизительно 1 мл SU-8 на дюйм подложки) в центре пластины.
    1. Во-первых, распространение осажденный СУ-8 медленно со скоростью 500 revolutiдополнений в минуту (оборотов в минуту) в течение 10 сек. Такая скорость вращения гарантирует, что СУ-8 охват увеличивается по всей поверхности пластин.
    2. Во-вторых, контроль толщины SU-8, крутя субстрат на более высоких скоростях. В современных экспериментах используют скорость отжима 3000 оборотов в минуту в течение 30 секунд, чтобы генерировать SU-8 оснащен 50 мкм высокой.
  4. Протрите края шарик пластины тщательно с хлопком протирать при вращении на низких оборотах (обычно 100 оборотов в минуту).
  5. Нагреть вафлю спиновый покрытием на горячей плите при температуре 95 ° С в течение 15 мин для удаления остатков растворителя из SU-8 (то есть «мягкие выпекать»).
    Примечание: Наличие шаблонов или "морщин" в слое резиста указывает на неполное удаление растворителя.
  6. Охлаждают запеченный пластины обратно вниз до комнатной температуры и обратитесь к эмульсионной отпечатанной стороне фотошаблона с пластиной до воздействия.
  7. Включите УФ-лампы и экспонирования блока, и пусть система стабилизации в течение периода 10 мв. Измерьте интенсивность лампы при 365 нм с использованием УФ-optometer, и оценить необходимое время экспозиции (в зависимости от времени = воздействия энергии / интенсивности при длине волны 365 нм).
    Примечание: Рассчитана энергия экспозиции в текущих экспериментах , чтобы быть 250 мДж / см 2.
  8. Выставляют фотошаблона на спин-покрытием пластины ультрафиолетовым светом в течение времени, оцененной на предыдущем шаге. Здесь, выставить на 79,6 сек.
  9. Сразу после экспозиции, выпекать обнаженную пластины на горячей плите при температуре 65 ° С в течение 1 мин, а затем при 95 ° С в течение 5 мин. На этом этапе реакцию инициируют УФ--light и завершается после выпечки.
  10. Оставьте пост-запеченные пластины остыть до комнатной температуры в течение 3 мин.
  11. Разработка несшитый SU-8 на пластине путем растворения его в проявитель SU-8 в течение 8 мин. Для того, чтобы обеспечить полное удаление несшитых SU-8, разделить процесс на два этапа.
    1. В первом из них погружают пластины в раствор проявителя в течение 5 мин, повторноперемещение большинства несшитых SU-8.
    2. Затем погружают пластину в свежий раствор проявителя в течение 3 мин, чтобы растворять остальные несшитый SU-8 (как правило, в ловушке между сшитыми структурами).
  12. Промыть пластины с развитой изопропанола и пусть пластину, имеющую узорной структуры (далее по тексту «мастер-формы") стоят высыхать. Наблюдение молочного остатка после ополаскивания мастер формы указывает на то, что развитие является неполным.
  13. Тепло высушенного мастер плесень на горячей плите при 200 ° С в течение 2-5 мин до "жесткого" выпекать субстратом и отжига потенциальные трещины в резиста.
  14. Дайте сфабриковано мастер формы остыть до комнатной температуры.
  15. Поместите мастер-формы в эксикаторе (соединенный с вакуумным насосом) внутри вытяжного шкафа.
  16. Залить 100 мкл триметилсилилхлорида (ТМЦ) в ​​стеклянный стакан и поместите это внутри эксикаторе.
    ВНИМАНИЕ: ТМС является горючим, corrosivе и токсичен; Таким образом, обработку шаги должны выполняться под вытяжкой, с пользователем, носить защитные перчатки, очки и пальто лаборатории.
  17. Поместите эксикаторе под вакуумом и подождите не менее 1 часа, чтобы позволить пар ТМЦ для нанесения на поверхность мастер-формы.
  18. Через 1 ч медленно уравновешивать давление в эксикаторе и открытой для атмосферы.
    ВНИМАНИЕ: Не вдыхать непосредственно над открытым эксикаторе.
  19. Удалите силанизированы мастера и закройте эксикаторе.

2. Изготовление двухслойных микрожидком устройств

Примечание: Протокол особенно чувствителен ко времени и температуры. Любое невыполнение в установленный срок и температура может привести к фабрикации невалентных, и, следовательно, не-функциональных устройств.

  1. Налейте смесь PDMS эластомера и отвердитель (5: 1 по весу) в одноразовый чашу весов и полностью перемешать с пластиковым шпателем. В текущем экспериментес, используют 50 г эластомера и 10 г отвердителя , чтобы сформировать PDMS слой примерно 5 мм в высоту 19,26.
  2. Поместите хорошо перемешанные PDMS в эксикаторе под вакуумом с дегазацию и удалить захваченные газовые пузырьки в течение 15 мин.
  3. Смешайте PDMS эластомера и отвердителя (20: 1 по весу) в одноразовом чашу весов (например, 10 г эластомера и 0,5 г отвердителя) 19,26.
  4. Закрепить "контроль уровня" мастер-формы в кадре (в текущих экспериментах, 11 мм круглая политетрафторэтилена (PTFE) кольцо).
  5. Через 15 мин, место 20: 1 смесь PDMS в эксикаторе под вакуумом для дегазации.
  6. В то же время, как на предыдущем этапе, вынуть 5: 1 смесь PDMS от эксикаторе и вылить это на "контроль уровня" мастер-формы, которая находится внутри круглой рамке. Поместите рамку, содержащую PDMS и мастер-формы в эксикаторе под вакуумом, а также. Держите излишки PDMS.
  7. Через 45 мин (до 30 мин после патING как PDMS смеси в эксикаторе), принимать как PDMS смеси из эксикаторе и поместите кадр, содержащий 5: 1 PDMS и "контроль уровня" мастер-формы в печи при 80 ° C.
  8. В то же время, начинает вращаться Покройте "жидкостный слой" мастер-формы с 20: 1 смеси PDMS. Скорость вращения для покрытия центрифугированием определяется на основании желаемой высоты, и было сообщено в другом месте 27. Цель прекратить спиновый покрытие при температуре 60 мин и сохранить остаточные PDMS.
  9. Через 60 мин положить "жидкостный слой" Master Spin пресс-формы, покрытую 20: 1 PDMS в печь при температуре 80 ° C.
  10. В 75 мин, принимают как мастер формы из духовки.
  11. Снимают только 5: 1 PDMS из "Контроль уровня" мастер-формы, кости подложки с лезвием и пробивать отверстия для уровней управления с перфоратором для биопсии 1 мм в положениях заливы, определенных в проекте. Здесь управление слой составляет 24 мм в длину и 24 мм в ширину.
  12. ралить мусор из нарезанных чипов с помощью клейкой ленты.
  13. Вручную собрать нарезанные и перфорированные чипы управления слоями на верхней части 20: спина 1 PDMS покрытием на "жидкостный слой" мастер - формы с использованием стереомикроскопа с увеличением 500X (рисунок 1).
  14. Налить и начертить остаточные PDMS вокруг собранных фишек, чтобы сделать более толстый слой PDMS и тем самым облегчить удаление склеенных жидкостных и контроля слоев в конце.
  15. Поместите "жидкостный слой" мастер-формы, содержащей два устройства слоя в печи при 80 ° C и хранят в течение ночи.
  16. На следующий день, возьмите отвержденного сборку из духовки и дайте ему остыть до комнатной температуры.
  17. Снимают сборки PDMS от "жидкостный слой" мастер-формы, кости сфабрикованному устройства двухслойные с лезвием (24 мм в длину и 24 мм в ширину) и пробивные жидкостный входов / выходов с перфоратором для биопсии 1,5 мм.
  18. Обработать поверхность чипов с ОПЕп каналов и покровные стекла (24 мм × 40 мм) с коронным разрядом и немедленно объединить их. Лечить перемещением коронного разряда над плитой и покровного стекла PDMS в течение 1 мин. В качестве альтернативы, используйте Benchtop плазменную систему для облегчения склеивания.
  19. Храните облигационных чипы двухслойных в печи при температуре 70-80 ° С в течение не менее 4 ч.

3. Система Ассамблея Микрожидкостных

  1. После того, как Микрожидкостных устройство было собрано, подключите жидкостных впускные слоя чипа к жидкостных резервуаров (шприцы) с использованием политетрафторэтилена (PTFE) трубки (0,8 мм ID).
  2. Подключите источник питания давления на входы управления с использованием слоя силиконовой резины трубы и металлические соединители, которые имеют внешний диаметр 1,6 мм.
  3. Откройте и закройте клапаны с применением сжатого воздуха при давлении 3 бар с использованием источника давления, который управляется вручную. Жидкости питания к каналам с использованием ряда шприцевые насосы с компьютерным управлением,
  4. Визуализируйте приведение в действие клапанов и эксплуатации устройства с камерой высокого разрешения, установленной на инвертированный микроскоп. Используйте 5x до 63x увеличением.

4. Манипуляция ламинарного течения режима с помощью пневматических Кейджа Срабатывание

Примечание: Жидкостный слой состоит из двух впускных сходящихся каналов, которые 150 мкм в ширину, до более широкой основного канала 300 мкм в ширину. И управляющий слой имеет ряд одинаковых прямоугольных клапанов (250 мкм × 200 мкм), которые расположены на верхней части основного струйного канала.

  1. После того, как установка соединена с шприцевой насос, и пневматические системы контроллера, вводить водный поток краситель через один из впускных каналов при скорости потока 20 мкл / мин.
  2. Закройте клапан путем приведения его в 3 бар.
  3. Имейте в виду, что жидкость может еще течь вокруг клапана. Эта функция имеет важное значение для достижения контролируемого химической обработки захваченных структур 18,25 </ SUP>.
  4. Откройте клапан сброса давления.
  5. В то время как раствор красителя протекает через первый канал, вводят другую водную жидкость во второй впускной канал со скоростью 20 мкл / мин. Интерфейс между двумя водными потоками формируется за счет нынешнего режима ламинарного течения в микрожидком устройстве.
  6. Закройте клапан путем приведения его в 3 бар. В этом случае, приведение в действие клапана, изменяет интерфейс двух водных потоков; результат , который может быть использован для изменения пути синтеза в процессе формирования КП (смотри ниже) 18,28.
  7. Изменение скорости потока текучей среды в 30 мкл / мин и 10 мкл / мин и наблюдать за простои или вверх смещенной направляющей интерфейса, генерируемого между двумя жидкостями.

5. Локализация микрочастицами

  1. Соедините изготовленную микросхему двухслойный в шприцевой насос, и пневматических систем управления.
  2. Готовят водный раствор, содержащий 10 мас.% Полистиролафлуоресцентные частицы (5 мкм в диаметре, возбуждение и макс эмиссии при 468 нм и 508 нм, соответственно).
  3. С помощью лазерного источника возбуждения на длине волны 488 нм.
  4. Введем частиц нагруженные текучей среды в двух впускных каналов с общей скоростью потока 20 мкл / мин.
  5. Подождите в течение 2 мин до тех пор, стабильный поток не будет установлено.
  6. Привести в действие клапан на 3 бар, чтобы закрыть его. Некоторые частицы будут поглощенные под клапаном и локализована на поверхности в то время как поток поддерживается.

6. Формирование и контролируемое снижение Координирования полимера (СР)

  1. Готовят 2,5 мМ водный раствор нитрата серебра (AgNO 3).
  2. Готовят водный раствор, 2,5 мМ цистеина (Cys).
  3. Приготовьте насыщенный раствор аскорбиновой кислоты в этаноле 18.
  4. Используйте один и тот же чип двухслойную и впрыснуть двух реагентов в двух впускных каналов (один реагента на входе), каждый со скоростью потока50 мкл / мин.
  5. Обратите внимание на образование серебра и цистеина (Ag (I) Cys) ХП на границе раздела двух взаимодействующих протекающий пар.
  6. Задействовать клапан на 3 бар в ловушку образовавшийся Ag (I) Cys ХП под ним клапан.
  7. Промывка дистиллированной воды во впускные каналы при скорости потока 50 мкл / мин, чтобы смыть излишки реагенты, используемые в ходе процесса синтеза.
  8. Ослабить давление и открыть клапан. Сформированные ХП остаются под клапаном в условиях остановленного потока.
  9. Для того чтобы провести контролируемое химическое восстановление захваченной Ag (I) Cys ХП, снять давление клапана при давлении 1 бар и промыть насыщенный раствор аскорбиновой кислоты в этаноле при скорости потока 10 мкл / мин.
  10. Отметим , четкое изменение цвета , которое связывается с уменьшением Ag (I) до металлического серебра (Ag (0)) по аскорбиновая кислота 18.

Representative Results

Микрожидкостных устройства двойной слой состоит из двух соединенных микроканалов чипсов структурированных в PDMS , как показано на рисунке 1. Первый слой, который в то же время , присоединенного к поверхности, используется для потока жидкости (жидкость слой), в то время как второй слой, который непосредственно связан с первым слоем PDMS, используется для управления расходом газа (уровень управления).

Рисунок 1
Рисунок 1. Двухслойный Микрожидкостных устройство. (А) Схематическое изображение и (Б) микрофотография двойного слоя микрожидком устройства , используемого в наших исследованиях. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.

Впрыск газа через каналыконтроль слой выдавливает слой жидкости в направлении поверхности (фиг.2А и фиг.2В), что позволяет улавливание и локализации структур на микрожидком поверхности канала. ПДМС мембрана приведения в действие может быть использован для создания пневматических клетей и / или микро клапаны, которые управляются с помощью пневматического регулятора. Как образцовые модели мембранного приведения в действие, мы покажем , как полное отклонение слоя жидкости позволяет избежать потока красителя нагруженные циркулировать под клапаном после его приведения в действие (рис 2С) и отлова флуоресцентных микрочастиц на поверхности микроканалов (рис 2D и 2E) ,

фигура 2
Рисунок 2. Мембрана приведение в действие и улавливание структур. (A) Side и (В) вид сверху иллюстрации , показывающие двухслойная Микрожидкостных устройство будетпередняя (сверху) и после (внизу) приведения в действие пневматического клапана. (C) Микрофотографии двойного слоя микрожидком устройства до (вверху) и после сжатия слоя жидкости (снизу). В нижней панели, слой жидкости заполнен водным раствором родамина красителя для лучшего восприятия мембранного приведения в действие. (D) светлого поля микрофотографии двойного слоя микрожидком устройства до (вверху) и после (внизу) приведения в действие клапана с фонтанирующей водным раствором , содержащим частицы полистирола флуоресцентных (10 мас.%). (E) Флуоресцентные изображения оптических изображений микроскопа , показанных в D. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.

Фигура 3А иллюстрирует захват на месте генерироваться ХП внутри двойного слоя микрожидком устройства через actuatион пневматической клетки. Обратите внимание на то, что новый координационный путь генерируется после того, как приведение в действие первого клапана. Приведение в действие клапана обеспечивает улавливание в Ag (I) Cys CP создаваемых на границе раздела двух реагентов потоков и способствует образованию нового координационного пути (фиг.3А). Подробный химический характеристика Ag (I) Cys CP создаваемых на границе раздела двух реагентов потоков можно найти в предыдущих исследованиях 17,18. Кроме того, и после удаления избытка реагентов растворов с потоком чистой воды (фиг.3В), насыщенный раствор аскорбиновой кислоты в этаноле может быть добавлен к микрожидком канал для регулирования химического восстановления на кристалле запертых структур (рис 3C). Снижение давления клапана от 3 ​​бар до 1 бар отдает предпочтение контролируемой химической обработки захваченной Ag (I) Cys CP под зажатой области 18. Изменение цвета запертых ХП Ag (I) Cys до темно-коричневого являетсяttributed к сокращению одновалентного серебра до металла, в соответствии с предыдущими наблюдениями 18,29.

Рисунок 3
Рисунок 3. отлов Ag (I) Cys ХП и контролируемое химическое восстановление. (A) Оптический микроскоп Изображение , показывающее пленение на месте синтезировали Ag (I) Cys CP и генерирование нового координационного пути. (B) Микрофотография запертых ХП под ним зажатой области после удаления избыточных реагентов растворов с потоком воды, а в (С), микрофотография того же микро-клапана после процесса реакции восстановления. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы увидеть увеличенную версию эта фигура.

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 -

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Nicolet iS5 User Guide. (2015).

Comments

0 Comments


    Post a Question / Comment / Request

    You must be signed in to post a comment. Please or create an account.

    Usage Statistics