Mikrofluidik Pneumatische Käfige: Ein neuer Ansatz für In-Chip-Kristall-Trapping, Manipulation und Steuerung chemischer Behandlung
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
Molekulare Materialien sind seit langem in der wissenschaftlichen Gemeinschaft sucht wegen ihrer breiten Vielzahl von Anwendungen in Bereichen wie der molekularen Elektronik, Optik und Sensoren 1-4. Unter diesen sind organische Leiter eine besonders spannende Klasse von molekularen Materialien aufgrund ihrer zentralen Rolle in flexiblen Displays und integrierten Funktionsgeräte 5,6. Allerdings verwendeten Methoden elektronischen Ladungstransport in molekular-basierte Materialien zu ermöglichen, die Bildung von Ladungstransportkomplexe (CTCs) und Ladungstransportsalze (CTSs) 7-10 sind eingeschränkt. Häufig CTCs und CTSs werden durch elektrochemische Verfahren oder durch direkte chemische Redox-Reaktionen erzeugt; Prozesse, die eine kontrollierte Transformation von Donor- oder Akzeptor-Reste zu komplexeren Architekturen behindern wo Multifunktionalität gedacht werden kann. Dementsprechend ist die Aufklärung neuer systematischen Verfahren zur steuerbaren Erzeugung und Manipulation von Molekülbasisd Materialien bleibt eine große Herausforderung in den Bereichen Materialwissenschaft und Molekulartechnik, und wenn sie erfolgreich sind zweifellos zu neuen Funktionen und neuen technologischen Anwendungen führen.
In diesem Zusammenhang haben mikrofluidischen Technologien kürzlich verwendet wurden molekularbasierten Materialien aufgrund ihrer Fähigkeit , die Synthese zu steuern Wärme- und Stoffaustausch sowie der Reaktions-Diffusionsvolumen von Reagenzien während eines Syntheseprozesses 11,12. Einfach gesagt, in kontinuierlicher Strömen und bei niedrigen Reynolds – Zahlen einer stabilen Grenzfläche zwischen zwei oder mehreren Reagenzienströmen erreicht werden kann, die innerhalb des Strömungswegs um die Bildung einer gut kontrollierten Reaktionszone liefert, wo das Mischen nur 13-16 durch Diffusion erfolgt. Tatsächlich haben wir bisher laminare Ströme verwendet , um den Syntheseweg von kristallinen Molekular Materialien wie Koordinationspolymere (CPs) innerhalb mikrofluidischen Kanäle 17 zu lokalisieren. Obwohl diese Methode hat gezeigt, great Versprechen neuartige CP – Nanostrukturen zu realisieren, die direkte Integration solcher Strukturen auf Oberflächen, sowie kontrollierte chemische Behandlung nach ihrer Entstehung noch realisiert 18 in situ werden muss. Um diese Einschränkung zu überwinden, haben wir, dass die Betätigung von mikrofluidischen pneumatischen Käfige kürzlich gezeigt (oder Ventile) eingebaut in zweischichtigen mikrofluidischen Vorrichtungen können in vorteilhafter Weise in dieser Hinsicht verwendet werden. Seit der Pionierarbeit von Quake der Gruppe 19, mikrofluidischen pneumatische Ventile haben häufig für Einzelzellen – Trapping und Isolierung 20, enzymatische Aktivität Untersuchungen 21, das Einfangen von kleinen Flüssigkeitsvolumina 22, Lokalisierung von funktionellen Materialien auf Oberflächen 23 und Proteinkristallisation 24 verwendet. Wir haben jedoch gezeigt , dass eine Doppelschicht Mikrofluidik – Vorrichtungen zu stoppen verwendet werden können, zu lokalisieren und in situ gebildeten Strukturen auszulesen Komponenten und auf Oberflächen 18 integrieren. Außerdem haben wir auch gezeigt , dass eine solche Technologie verwendet werden kann , um eine kontrollierte chemische Behandlungen auf eingeschlossenen Strukturen führen, die beide ermöglichen, "Mikrofluidik – assistierten Ligandenaustausch" 18 und kontrollierte chemische Dotierung von organischen Kristallen 18,25. In beiden Fällen könnte CTCs unter kontrollierten mikrofluidischen Bedingungen synthetisiert werden, und in der jüngsten Studie, Multifunktionalität kann in dem gleichen Materialstück beschrieben. Hierbei wir die Leistung dieser Doppelschicht-Mikrofluidik-Vorrichtungen, die farbstoffbeladenen Ströme zeigen, erzeugen und die Koordinations Weg einer CP steuern sowie deren Lokalisierung auf der Oberfläche eines Mikrofluidkanals und schließlich beurteilen kontrollierten chemischen Behandlungen auf On-Chip eingeschlossene Strukturen.
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 | – |
