Микрожидком Пневматические Садки: Новый подход к В микросхеме Кристал Trapping, манипуляция и управляемому Химическая обработка
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
Молекулярные материалы уже давно изучены в научном сообществе из – за их широкого ряда применений в таких областях, как молекулярная электроника, оптика и датчиков 1-4. Среди них, органические проводники являются особенно захватывающе класс молекулярных материалов из – за их центральной роли в гибких дисплеев и интегрированных функциональных устройств 5,6. Тем не менее, методологии , используемые для обеспечения электронного переноса заряда в молекулярных материалов на основе ограничиваются образованием комплексов переноса заряда (ЦОК) и переноса заряда солей (CTSS) 7-10. Часто, ЦОК и CTSS генерируются электрохимическими методами или путем прямых химических окислительно-восстановительных реакций; процессы, которые тормозят контролируемое превращение донорских или акцепторных фрагментов для более сложных архитектур, где многофункциональность может быть задумано. Таким образом, выяснение новых систематических методов контролируемого генерации и манипулирования молекулярной базыD материалы остается серьезной проблемой в области материаловедения и молекулярной инженерии, и в случае успеха, несомненно, приведет к новым функциям и новых технологических применений.
В связи с этим, в последнее время используются микрофлюидальные технологии для синтеза молекулярных материалов на основе из – за их способности контролировать тепло и массообмен, а также объем реакции-диффузии реагентов во время процесса синтеза 11,12. Проще говоря, в непрерывных потоках и при низких числах Рейнольдса стабильный интерфейс между двумя или большим количеством потоков реагентов может быть достигнуто, которая обеспечивает формирование хорошо контролируемой зоне реакции внутри канала потока, где смешивание происходит только за счет диффузии 13-16. Действительно, ранее мы использовали ламинарные потоки для локализации пути синтеза кристаллических молекулярных материалов , таких как координационных полимеров (ХП) внутри микроканалов 17. Хотя эта методика показала грасно обещание в реализации романа CP наноструктуры, прямую интеграцию таких структур на поверхности, а также контролируемой химической обработки после их образования еще предстоит реализовать на месте 18. Чтобы преодолеть это ограничение, мы показали, что приведение в действие микрофлюидальных пневматических сепараторов (или клапаны), включенному в двухслойных микрофлюидальных устройства могут быть преимущественно использованы в этом отношении. Поскольку пионерской работы группы Quake в 19, микрофлюидальные пневматические клапаны часто использовались для одноклеточного отлова и изоляции 20, ферментативных исследований активности 21, отлова небольших объемов жидкости 22, локализации функциональных материалов на поверхностях 23 и кристаллизации белков 24. Тем не менее, мы показали , что двухслойные микрофлюидальные устройства могут быть использованы для улавливания, локализации и интеграции на местах формируются структуры зачитать компонентов и на поверхностях 18, Кроме того, мы также показали , что такая технология может быть использована для выполнения контролируемых химических обработок на запертых структур, что позволяет как "Микрожидкостных Assisted обмен лиганд" 18 и контролируемое химическое легирование органических кристаллов 18,25. В обоих случаях ЦОК могут быть синтезированы в контролируемых условиях микроканалов, а в самом последнем исследовании, многофункциональность могут быть описаны в том же часть материала. Здесь мы покажем эффективность этих двухслойных микрофлюидальных устройств, использующих красителем обремененные потоки, формировать и контролировать координацию тропу СР, а также его локализацию на поверхности микрожидком канала и, наконец, оценить контролируемых химических обработок на на-чипе запертые структуры.
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 | – |
