Cages pneumatiques microfluidiques: Une nouvelle approche pour In-chip Cristal Piégeage, Manipulation et traitement chimique contrôlée
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
Matériaux moléculaires ont longtemps été étudiés dans la communauté scientifique en raison de leur large nombre d'applications dans des domaines tels que l' électronique moléculaire, optique et des capteurs 1-4. Parmi ceux – ci, les conducteurs organiques sont une classe particulièrement intéressante de matériaux moléculaires en raison de leur rôle central dans les écrans flexibles et dispositifs fonctionnels intégrés 5,6. Cependant, les méthodes utilisées pour permettre le transport de charge électronique dans les matériaux moléculaires à base sont limités à la formation de complexes de transport de charge (CTC) et des sels de transport de charge (CTSS) 7-10. Fréquemment, CTC et CTS sont générés par des procédés électrochimiques ou par des réactions redox chimiques directes; processus qui entravent une transformation contrôlée du donneur ou accepteur fragments d'architectures plus complexes où multifonctionnalité peut être conçu. En conséquence, l'élucidation de nouvelles méthodes systématiques pour la génération et la manipulation de la base moléculaire contrôlablematériaux d reste un défi important dans les domaines de la science des matériaux et de l'ingénierie moléculaire, et sans doute en cas de succès conduira à de nouvelles fonctions et applications technologiques nouvelles.
Dans ce contexte, les technologies microfluidiques ont récemment été utilisées pour synthétiser des matériaux à base moléculaire en raison de leur capacité de contrôler les transferts de chaleur et de masse, ainsi que le volume de réaction-diffusion des réactifs au cours d' un procédé de synthèse 11,12. En d'autres termes, des flux continus et à faible nombre de Reynolds d' une interface stable entre deux ou plusieurs courants de réactifs peuvent être obtenus, ce qui permet la formation d'une zone de réaction bien contrôlée à l' intérieur du trajet d'écoulement, où le mélange ne se produit que par diffusion 13-16. En effet, nous avons déjà utilisé des écoulements laminaires pour localiser la voie de synthèse des matériaux moléculaires cristallins tels que les polymères de coordination (CP) à l' intérieur des canaux microfluidiques 17. Bien que cette méthode a montré gpromesse reat dans la réalisation de nanostructures roman CP, l'intégration directe de ces structures sur des surfaces, ainsi que le traitement chimique contrôlée après leur formation doit encore être réalisé in situ 18. Pour surmonter cette limitation, nous avons récemment montré que l'actionnement des cages microfluidiques pneumatiques (ou des vannes) sont intégrés dans des dispositifs microfluidiques à deux couches peut être avantageusement utilisée à cet égard. Depuis les travaux pionniers du groupe Quake 19, vannes pneumatiques microfluidiques ont souvent été utilisés pour piéger une seule cellule et d' isolement 20, les enquêtes d'activité enzymatique 21, le piégeage de petits volumes de fluide 22, la localisation de matériaux fonctionnels sur les surfaces 23 et la cristallisation des protéines 24. Cependant, nous avons montré que des dispositifs microfluidiques double couche peuvent être utilisés pour piéger, localiser et d' intégrer formé in situ des structures à lire sur les composants et sur les surfaces 18. En outre, nous avons également démontré que cette technologie peut être utilisée pour effectuer des traitements chimiques contrôlées sur les structures piégées, permettant à la fois, "microfluidique échange de ligand assisté" 18 et contrôlé le dopage chimique des cristaux organiques 18,25. Dans les deux cas, les CTC peuvent être synthétisés dans des conditions contrôlées microfluidiques, et dans l'étude la plus récente, multifonctionnalité pourraient être décrits dans la même pièce de matériau. Ici, nous démontrons la performance de ces dispositifs microfluidiques double couche utilisant des flux de colorant chargé, de générer et de contrôler la voie de la coordination d'un CP, ainsi que sa localisation sur la surface d'un canal microfluidique et enfin évaluer contrôlé des traitements chimiques sur la puce structures piégées.
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.
Disclosures
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 | – |
