미세 유체 압축 공기를 넣은 케이지 : A의 칩 크리스탈 트래핑, 조작에 대한 새로운 접근 방식 및 제어 화학 처리
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
분자 물질은 긴 때문에 이러한 분자 전자 공학, 광학 및 센서 1-4 등의 분야에서 응용 프로그램을 자신의 다양한 수의 과학계에서 연구되고있다. 이 사이에, 유기 전도체 때문에 플렉시블 디스플레이 및 통합 기능 장치 5,6에서의 중심적인 역할의 고분자 재료의 특히 흥미로운 클래스입니다. 그러나, 고분자 계 재료의 전자 전하 수송을 가능하게하기 위해 사용 된 방법론은 전하 수송 착물 (CTCS) 및 전하 수송 염 (CTSS) 7-10의 형성에 제한된다. 자주, CTCS 및 CTSS는 전기 화학적 방법에 의해 또는 직접 화학적 산화 환원 반응에 의해 생성된다; 다 기능성이 생각 할 수 있습니다 더 복잡한 구조에 기증자 또는 수용체 부분의 제어 변환을 방해 처리합니다. 제어 가능한 생성 및 분자 기반의 조작을위한 새로운 체계적인 방법에 따라서, 해명D 재료는 재료 과학 및 분자 공학의 분야에서 중요한 과제로 남아, 성공할 경우 의심 할 여지없이 새로운 기능과 새로운 기술의 응용으로 이어질 것입니다.
이러한 맥락에서, 미세 유체 기술은 최근에 의한 합성 방법 (11, 12) 중 열 및 물질 전달과 시약의 반응 확산 량을 제어 할 수있는 능력에 대한 분자 계 재료를 합성하기 위해 사용되었다. 혼합 만 확산 13-16 통해 발생 유로 안에 잘 제어 된 반응 구역의 형성을 수득 달성 될 수있는 둘 이상의 반응물 스트림 사이의 안정적인 계면 연속 흐름의 저 레이놀즈 수에 단순히 넣는다. 사실, 우리는 이전에 이러한 미세 유체 채널 (17) 내부 조정 폴리머 (CPS) 등의 결정질 물질의 합성 경로를 국산화 층류 흐름을 사용했다. 이 방법이 표시되었지만 g그 형성이 아직 신규 한 후 CP의 나노 구조 표면 상에 이러한 구조의 직접적인 통합뿐만 아니라 제어 된 화학적 처리를 실현 reat 약속 시츄 (18)에 실현된다. 이러한 한계를 극복하기 위해 최근 이중층 미세 유동 장치에 통합 마이크로 유체 압 케이지 (또는 밸브)의 작동은 바람직하게는 이러한 측면에서 사용할 수 있음을 보여 주었다. 지진의 그룹 (19)의 선구적인 작업 때문에, 미세 유체 공압 밸브 자주 단일 셀 트래핑 및 격리 (20), 효소 활성 조사 (21), 작은 유체 볼륨 (22)의 트래핑, 표면 (23)과 단백질 결정화 (24)에 기능성 재료의 국산화를 위해 사용되어왔다. 그러나 이중층 미세 유동 장치가 지역화 형성된 현장에서 구성 요소를 판독하는 구조를 통합하고 표면 (18)에 트랩을 사용할 수 있음을 보여 주었다. 더욱이, 우리는 모두 가능 이러한 기술은 트래핑 구조를 제어 화학 치료를 수행 할 수 있음을 입증 한 유기 결정 18,25의 "미세 유체 보조 된 리간드 교환"(18) 및 제어 된 화학적 도핑. 두 경우 CTCS 제어 미세 유동 조건에서 합성 할 수 있고, 가장 최근의 연구에서, 다 기능성은 동일한 재료 부분에서 설명 될 수있다. 여기서, 우리는 염료 함유 흐름을 이용하는 이러한 이중층 미세 유체 장치의 성능을 입증 생성 코디 A를 CP의 경로뿐만 아니라, 미세 유체 채널의 표면에 현지화를 제어하고, 최종적 칩 상에 제어 된 화학 치료 평가 갇혀 구조.
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 | – |
