أقفاص الهوائية ميكروفلويديك: مقاربة رواية لفي رقاقة كريستال الاصطياد، التلاعب والتحكم المعالجة الكيميائية
Summary
Herein, we describe the fabrication and operation of a double-layer microfluidic system made of polydimethylsiloxane (PDMS). We demonstrate the potential of this device for trapping, directing the coordination pathway of a crystalline molecular material and controlling chemical reactions onto on-chip trapped structures.
Abstract
The precise localization and controlled chemical treatment of structures on a surface are significant challenges for common laboratory technologies. Herein, we introduce a microfluidic-based technology, employing a double-layer microfluidic device, which can trap and localize in situ and ex situ synthesized structures on microfluidic channel surfaces. Crucially, we show how such a device can be used to conduct controlled chemical reactions onto on-chip trapped structures and we demonstrate how the synthetic pathway of a crystalline molecular material and its positioning inside a microfluidic channel can be precisely modified with this technology. This approach provides new opportunities for the controlled assembly of structures on surface and for their subsequent treatment.
Introduction
منذ فترة طويلة ودرس المواد الجزيئية في الأوساط العلمية بسبب عددهم واسعة من التطبيقات في مجالات مثل الالكترونيات الجزيئية وعلم البصريات وأجهزة الاستشعار 1-4. من بين هؤلاء، الموصلات العضوية هي فئة خاصة مثيرة من المواد الجزيئية بسبب دورها المركزي في شاشات العرض المرنة وأجهزة وظيفية متكاملة 5،6. ومع ذلك، يتم تقييد المنهجيات المستخدمة لتمكين نقل الشحنة الإلكترونية في المواد التي تقوم الجزيئية لتشكيل مجمعات النقل تهمة (CTCs) والأملاح النقل تهمة (CTSS) 7-10. في كثير من الأحيان، يتم إنشاؤها CTCs وCTSS بواسطة الطرق الكهروكيميائية أو عن طريق تفاعلات الأكسدة والاختزال الكيميائية المباشرة؛ العمليات التي تعرقل تحول رقابة من الجهات المانحة أو متقبل الأنصاف إلى أبنية أكثر تعقيدا حيث يمكن تصور تعدد الوظائف. وفقا لذلك، وتوضيح أساليب منهجية جديدة للجيل السيطرة والتلاعب الجزيئي قاعدةتبقى المواد د تحديا كبيرا في مجالات علوم المواد والهندسة الجزيئية، وإذا نجحت سوف تؤدي بلا شك إلى وظائف جديدة والتطبيقات التكنولوجية الجديدة.
وفي هذا السياق، تم مؤخرا استخدام تقنيات الموائع الدقيقة لتجميع المواد التي تقوم الجزيئية بسبب قدرتها على السيطرة على الحرارة ونقل الجماعي فضلا عن حجم رد الفعل نشر الكواشف خلال عملية الاصطناعية 11،12. ببساطة، في تدفقات مستمرة وفي أرقام رينولدز منخفضة واجهة مستقرة بين اثنين أو أكثر من تيارات كاشف يمكن تحقيقه، والذي يتيح للتشكيل منطقة تفاعل جيد للرقابة داخل مسار التدفق، حيث يحدث خلط إلا من خلال نشر 13-16. في الواقع، لقد استخدمنا سابقا التدفقات الصفحي في توطين مسار الاصطناعية المواد الجزيئية البلورية مثل البوليمرات التنسيق (CPS) داخل قنوات الموائع الدقيقة 17. وعلى الرغم من إظهار هذه المنهجية زوعد ريات في تحقيق النانو رواية CP، والتكامل المباشر لمثل هذه الهياكل على السطوح، فضلا عن العلاج الكيميائي تسيطر بعد تكونها لم تتحقق بعد في الموقع 18. للتغلب على هذا القيد، لقد أظهرنا مؤخرا أن يشتغل أقفاص الموائع الدقيقة الهوائية (أو صمامات) تأسست في أجهزة ميكروفلويديك طبقة اثنين يمكن أن تستخدم مفيد في هذا الصدد. منذ العمل الرائد لمجموعة الزلزال البالغ عددهم 19، وكثيرا ما تستخدم الصمامات الهوائية ميكروفلويديك لمحاصرة وحيدة الخلية والعزلة 20، التحقيقات النشاط الأنزيمية 21، محاصرة من كميات السوائل صغيرة 22، توطين المواد الفنية على أسطح 23 والبروتين تبلور 24. ومع ذلك، لقد أظهرنا أن الأجهزة ميكروفلويديك طبقة مزدوجة يمكن استخدامها لاعتراض وتوطين ودمج في الموقع شكلت هياكل لقراءة المكونات وعلى أسطح 18. وعلاوة على ذلك، لقد أثبتنا أيضا أن هذه التكنولوجيا يمكن استخدامها لإجراء العلاجات الكيميائية التي تسيطر على هياكل المحاصرين، وتمكين كل "ميكروفلويديك بمساعدة الصرف يجند" (18) والتي تسيطر المنشطات الكيميائية للبلورات العضوية 18،25. في كلتا الحالتين، يمكن توليفها CTCs في ظل ظروف الموائع الدقيقة التي تسيطر عليها، وفي أحدث دراسة، يمكن وصف الوظائف المتعددة في نفس المواد قطعة. هنا، علينا أن نظهر أداء هذه الأجهزة ميكروفلويديك طبقة مزدوجة توظيف التدفقات صبغ لادن، وتوليد والسيطرة على مسار التنسيق لCP فضلا عن توطين على سطح قناة ميكروفلويديك وتقييم أخيرا تسيطر عليها المعالجات الكيميائية على على رقاقة هياكل المحاصرين.
Protocol
Representative Results
Discussion
The reported approach can be easily modified to fabricate different valve shapes to afford other applications such as fluid confinement. Indeed, the flexibility of this protocol also allows for modification of the thickness of the bottom layer, and thereby of the PDMS membrane, from a couple of tens to a few hundreds of microns to fulfill any application of interest. Moreover, dimensions of structures in each layer of the device can be optimized for the desired application and various heights of structures on the master molds can be simply achieved by spinning the photoresist at different velocities. Spinning the photoresist at a higher speed results in thinner structures.
To better implement the protocol, a clean room environment for the fabrication of the master molds is substantially essential; otherwise, the fabrication procedure will lead to defective master molds and thereby to unusable microfluidic devices. Two critical aspects should be emphasized in this protocol: i) the constant temperature of the oven that needs to be adjusted to 80 °C and ii) the programmed time period between processes that has to be complied accurately. Any modification of temperature and time frame in the protocol might lead to non-bonded chips, and thus, to non-functional devices.
The “turbulent free” conditions typically encountered in microfluidic systems have recently been employed for the generation of microstructures or molecular materials inside30 and outside single layer microfluidic chips31. In double-layer microfluidic chips, the laminar flow regime, and hence, the interface generated between continuous co-flows can be manipulated using pneumatic cages18,28. These devices also provide for effective control over the synthetic pathway, which in turn leads to precise localization and trapping on surfaces18.
As mentioned earlier, pneumatic actuation in double-layer microfluidic chips has been previously employed for various applications such as cell trapping20, enzymatic activity studies21 and protein crystallization24. However, the main objective of the reported approach is to propose a platform to be used for trapping and directing the coordination pathway of a crystalline molecular material and controlling chemical reactions onto on-chip trapped structures18,25.
The described method does not only allow trapping of anisotropic structures but can be used to localize particles onto surfaces. Future studies can be effectively directed towards the design of new valve shapes for additional application in biology, materials science and sensor technologies. The combination of different valve shapes as well as altered channel heights and membrane thicknesses can be employed to fulfill specific applications, such as chemical studies based on diffusional mixing and the localization of material growth.
A further application of the described microfluidic platforms is in the controlled chemical doping of crystals, which can lead to a rationalized formation of interfaces in crystalline structures19. This approach also provides for a wide range of post-treatments of on-chip trapped structures; a methodology that will undoubtedly open new horizons in materials engineering.
It is important to underline that the number of technologies enabling controlled chemical reactions under dynamic conditions and onto crystalline matter are very limited at present, hence making this approach very attractive in materials-related fields. However, a major limitation of this technology is the use of PDMS. PDMS elastomer is incompatible with many organic solvents, which limits the number of reactions that can be conducted inside these microfluidic chips. In future, the development of other elastomers that can tolerate and be stable against a broader number of organic solvents will be highly required in order to expand this field of research to other materials and chemistries.
Divulgaciones
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Authors would like to thank the financial support from Swiss National Science Foundation (SNF) through the project no. 200021_160174.
Materials
| High resolution film masks | Microlitho, UK | – | Features down to 5um |
| 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 um, 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 | – |
