כלובי פניאומטיים Microfluidic: גישה חדשנית עבור In-שבב קריסטל שמן, מניפולצית טיפול כימי מבוקרת
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
חומרי מולקולרי כבר מזמן למד בקהילה המדעית בגלל המספר הרחב של יישומים בתחומים כמו אלקטרוניקה מולקולרית, אופטיקה וחיישנים 1-4. בין אלה, מוליכים אורגניים הם מעמד מרגש במיוחד של חומרים מולקולריים בגלל תפקידם המרכזי מציג גמישות מכשירים פונקציונליים משולבים 5,6. עם זאת, מתודולוגיות משמשת להפעלת תחבורת מטען אלקטרונית בחומרים מולקולריים מבוסס מוגבלות להיווצרות של מתחמי תחבורת תשלום (CTCs) ומלחים תחבורת תשלום (CTSs) 7-10. לעתים קרובות, CTCs ו CTSs מופקים על ידי שיטות אלקטרוכימי או באמצעות תגובות חמצון-חיזור כימיים ישירות; תהליכים המעכבות טרנספורמציה מבוקרת של moieties התורם או acceptor כדי ארכיטקטורות מורכבות יותר שבו multifunctionality ניתן לתפוס. בהתאם לכך, להבהרת שיטות שיטתיות חדשות עבור הדור לשליטה והמניפולציה של מולקולרי-בסיסחומרים ד עדיין מהווה אתגר משמעותי בתחומי מדע חומרים והנדסה מולקולרית, ואם מוצלח ללא ספק יובילו פונקציות חדשות ויישומים טכנולוגיים חדשניים.
בהקשר זה, טכנולוגיות microfluidic לאחרונה שימשו לסנתז חומרים מולקולריים מבוססי בשל יכולתם לשלוט חום ומסה כמו גם את עוצמת התגובה דיפוזיה של חומרים כימיים במהלך תהליך סינתטי 11,12. במילות פשוטות, בתזרים רציף במספרים נמוכים ריינולדס ממשק יציב בין שניים או יותר זרמים מגיבים יכול להיות מושג, אשר פותח פתח להיווצרות אזור תגובה מבוקר היטב בתוך נתיב הזרימה, שבו הערבוב מתרחש רק באמצעות דיפוזיה 13-16. אכן, יש לנו העובדים בעבר תזרים למינרית למקם את המסלול הסינטטי של חומרים מולקולריים גבישים כגון פולימרי תיאום (CPS) בתוך ערוצי microfluidic 17. למרות מתודולוגיה זו הוכיחה gההבטחה reat במימוש ננו CP הרומן, שילוב ישיר של מבנים כאלה על גבי משטחים, כמו גם טיפול כימי נשלט לאחר היווצרותם טרם להתממש באתרו 18. כדי להתגבר על מגבלה זו, הראינו לאחרונה כי actuation של כלובי פנאומטי microfluidic (או שסתומים) המאוגדת מכשירים microfluidic דו שכבתי ניתן להשתמש ביתרון מבחינה זו. מאז עבודתו החלוצית של הקבוצה של Quake 19, שסתומים פנאומטיים microfluidic שימשו לעתים קרובות ללכידה תא בודד ובידוד 20, חקירות הפעילות האנזימטית 21, לכידה של כרכים נוזל קטן 22, לוקליזציה של חומרים תפקודיים על משטחים 23 וחלבון התגבשות 24. עם זאת, הראינו כי מכשירי microfluidic שכבה כפולה יכולים לשמש מלכודת, למקם ולשלב באתרו יצר מבנים להקריא רכיבים על משטחים 18. יתר על כן, יש לנו גם הוכיח כי ניתן להשתמש בטכנולוגיה כזו לבצע טיפולים כימיים נשלטו על מבנים לכודים, המאפשר הוא, "החילופי ליגנד בסיוע microfluidic" 18 ו סימום כימי מבוקר של גבישים אורגניים 18,25. בשני המקרים, CTCs יכול להיות מסונתז בתנאי microfluidic מבוקר, במחקר האחרון, multifunctionality יכול לתארו פיסה אותו החומר. בזאת, אנחנו מדגימים את הביצועים של מכשירי microfluidic שכבה כפולה אלה העסיקו תזרים עמוס צבע, ליצור ולשלוט במסלול התיאום של CP וכן הלוקליזציה שלה על פני השטח של ערוץ microfluidic ולבסוף להעריך נשלט טיפולים כימיים על על שבב מבנים לכודים.
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 | – |
