ميكروفلويديك التوليف القائم على الأطر العضوية التساهمية (كوفس): أداة للإنتاج المستمر للألياف كوف والطباعة المباشرة على سطح

Summary

نقدم طريقة مستندة ميكروفلويديك الرواية لتوليف الأطر العضوية التساهمية (كوفس). نوضح كيف يمكن استخدام هذا النهج لإنتاج ألياف كوف المستمر، وأيضا هياكل 2D أو 3D كوف على الأسطح.

Abstract

الأطر العضوية التساهمية (كوفس) هي فئة من المواد التساهمية التي يسهل اختراقها والتي غالبا ما يتم تصنيعها كمساحيق بلورية غير قابلة للتجهيز. وقد تم الإبلاغ عن أول صندوق كوف في عام 2005 مع تركيز الكثير من الجهود على إنشاء طرق اصطناعية جديدة لإعداده. حتى الآن، تستند معظم الأساليب الاصطناعية المتاحة لتوليف كوف على الخلط السائبة في ظل ظروف سولفوثرمال. ولذلك، هناك اهتمام متزايد بوضع بروتوكولات منهجية لتوليف كوف التي تنص على التحكم الدقيق في ظروف التفاعل وتحسين قابلية التشغيل كوف على الأسطح، وهو أمر ضروري لاستخدامها في التطبيقات العملية. هنا، نقدم طريقة جديدة ميكروفلويديك القائم على توليف كوف حيث رد فعل بين اثنين من اللبنات المكونة، 1،3،5-بنزينتريكاربالديهيد (بتسا) و 1،3،5 تريس (4 أمينوفينيل) البنزين (تاب)، يحدث تحت ظروف الانتشار التي تسيطر عليها وفي درجة حرارة الغرفة. استخدام مثل هذا النهج يعطي الاسفنج مثل، البكاءألياف تالينية من المواد كوف، ويسمى فيما بعد مف-كوف. تسمح الخواص الميكانيكية ل مف-كوف والطبيعة الديناميكية للنهج بالإنتاج المستمر للألياف مف-كوف والطباعة المباشرة على الأسطح. تفتح الطريقة العامة تطبيقات جديدة محتملة تتطلب طباعة متقدمة لهياكل كوف ثنائية الأبعاد أو ثلاثية الأبعاد على أسطح مرنة أو صلبة.

Introduction

الأطر العضوية التساهمية (كوفس) هي فئة راسخة من المواد المسامية والبلورية التي يتم فيها تثبيت لبنات البناء العضوية معا معا بواسطة السندات التساهمية ^{1 ، 2 ، 3 ، 4 ، 5} . يتم تجميع كوفس عادة بعد مبادئ الكيمياء سوبرامولكولار، حيث يتم رد فعل اللبنات الجزيئية المكونة بشكل انتقائي لتحديد التجمع النهائي مسامية ومحددة سلفا. مثل هذا النهج يسمح بتوليف المواد مع هيكل التحكم والمرتبة (على سبيل المثال ، مع أبعاد المسام محددة) والتكوين ^{3 ، 6 ، 7 ، 8} . بالمقارنة مع غيرها من المواد التي يسهل اختراقها، كوفس هي فريدة من نوعها لأنها تتألف من العناصر الخفيفة (C، H، B، N و O) ولها بورو الانضباطي سيتس ^{1 ، 5} . مستوحاة من هذه الخصائص الفريدة والجوهرية، وقد تم تقييم كوفس للتطبيق المحتمل في الفصل الكيميائي ⁹ ، تخزين الغاز ¹⁰ والحفز ¹¹ ، وأجهزة الاستشعار ¹² ، الإلكترونيات الضوئية ¹³ ، تكنولوجيات الطاقة النظيفة ¹⁴ وأجهزة الطاقة الكهروكيميائية ¹⁵ .

حتى الآن، فإن الغالبية العظمى من الأساليب المستخدمة لإعداد مواد كوف تقوم على التكثيف الذاتي للحرارة والتفاعلات التكثيف المشترك، حيث درجات الحرارة العالية والضغوط هي المعيار. على الرغم من أن كوفس قوية حراريا، فإنها تعاني عادة من محدودية عملية، أي كوفس وعادة ما تكون غير قابلة للذوبان وغير قابلة للتجهيز مساحيق بلورية، وهذا يحد بشكل كبير من استخدامها في مجموعة من التطبيقات المحتملة والعمليةسس = "كريف"> 2 ^{، 6 ، 8 ، 16 ، 17} . وعلى الرغم من التقدم الملحوظ الذي تحقق في توليف كوف، فإن أحد التحديات الرئيسية في هذا المجال هو تطوير طريقة تمكن من إعداد كوف في ظروف التفاعل المناسبة ( مثل درجة الحرارة والضغط)، والتي يمكن بعد ذلك تسهيل قابليتها للتجهيز على الأسطح.

في الآونة الأخيرة، أظهرت الدراسات أن الكيمياء شيف قاعدة يمكن استخدامها لتجميع كوف القائم على إيمين في درجة حرارة الغرفة. تم إنتاج كوف، واسمه رت-كوف-1، أشكال بسبب رد فعل سريع وفعال بين 1،3،5 تريس (4-أمينوفينيل) البنزين (تاب) و 1،3،5-بينزينتريكاربالهيد (بتسا) ¹⁷ ( الشكل 1A ). وقد أثبتت فعالية هذه الطريقة الاصطناعية من خلال الطباعة المباشرة للميكرون وأنماط سوبيكرون من رت-كوف-1 على كل من الأسطح الصلبة والمرنة باستخدام الطباعة الحجرية أوتقنيات الطباعة النافثة للحبر. في الآونة الأخيرة، والاستفادة من ميكروفلويديكش، أثبتنا نهجا فعالا للتوليف المستمر للألياف من نفس إيمين القائم على كوف الآخرة يسمى مف-كوف ⁶ . خلافا لغيرها من النهج الاصطناعية ذكرت لتوليد كوفس ¹⁸ ، مكنت هذه الطريقة الاصطناعية ميكروفلويديك التوليف السريع للألياف مف-كوف في درجات الحرارة المحيطة والضغوط في غضون ثوان قليلة. وعلاوة على ذلك، ونظرا للاستقرار الميكانيكي للألياف مف-كوف توليفها، أثبتنا كيف يمكن لهذه الطريقة القائم على ميكروفلويديك تمكين الطباعة المباشرة للهياكل 2D و 3D على الأسطح. هنا، ونحن نبرهن على أن هذه الطريقة يمكن استخدامها لرسم هياكل كوف على الأسطح المختلفة التي لها خصائص كيميائية ومادية مختلفة. ونعتقد أن هذه الطريقة الجديدة تفتح آفاقا جديدة للنمط الجيد التحكم والطباعة المباشرة ل كوف في اتجاهات مختلفة وعلى أسطح مختلفة.

Protocol

1. ماستر تصنيع القالب

1. أداء تصنيع فوتوليثوغرافيك من 4 بوصة السيليكون العفن الرئيسي كما هو موضح بالتفصيل سابقا ¹⁹ ؛ وقد تم ملفقة العفن الرئيسي المستخدمة في هذه الدراسة باستخدام نفس البروتوكول.
   ملاحظة: عادة ما يتم ملفقة الأجهزة ميكروفلويديك من خلال عملية متعددة الخطوات. الخطوة الأولى هي تصميم قناة ميكروفلويديك باستخدام برنامج الرسم التقليدية. ثم، يتم إنتاج عالية الدقة فوتوماسكس فيلم تحتوي على شبكة ميكروفلويديك مع دقة ميزة ما يقرب من 5 ميكرون. بعد ذلك، يتم تصنيع القوالب الرئيسية على رقاقة السيليكون 4 في السيليكون من خلال تقنيات ضوئية قياسية. سو-8، مقاوم للضوء السلبية، ويعمل لتصنيع القوالب الرئيسية في التحقيقات الحالية. يتم تعريف ارتفاع الهياكل سو-8 ليكون 50 ميكرون في أجهزتنا. وأخيرا، ملفقة الأجهزة ميكروفلويديك عن طريق صب مباشرة البوليمر شفافة، بوليديميت عادةهيلزيلوكسان (بدمس)، ضد العفن الرئيسي.

2. تصنيع الأجهزة ميكروفلويديك طبقة واحدة

ملاحظة: يتطلب البروتوكول فرن يعمل في 70 درجة مئوية. يجب استقرار درجة حرارة الفرن عند 70 درجة مئوية قبل بدء تشغيل بروتوكول التصنيع. ويمكن أن تؤدي درجات الحرارة المنخفضة إلى أجهزة ضعيفة الترابط وغير وظيفية.

1. وضع العفن الرئيسي ملفقة في المجففة، ومجهزة مضخة فراغ. ثم، صب 100 ميكرولتر من كلوروتريميثيلزيلان في قارورة زجاجية ووضع هذا داخل المجففة.
   ملاحظة: تنبيه! كلوروتريميثيلزيلان مادة تآكل، خطرة وسامة. وفقا لذلك، يجب أن يتم تنفيذ جميع خطوات المناولة تحت غطاء جيد الدخان التهوية، ونظارات واقية المناسبة، والقفازات ومعطف المختبر يجب أن ترتديه.
2. إغلاق المجفف ووضع تحت فراغ (في هذه التجربة، 51 ملي بار). انتظر لمدة ساعة واحدة على الأقل لضمان ترسب الكلوروتريميثيل المتبخرسيلاني على سطح القالب الرئيسي. بعد 1 ساعة، فتح بلطف صمام الهواء من المجفف لتوازن ذلك إلى الضغط الجوي وفتحه.
   ملاحظة: تنبيه! حالما يتم فتح المجفف، تسرب كلوروتريميثيلزيلان خارج؛ لا التنفس مباشرة فوق المجففة ودائما أداء ما سبق في غطاء محرك السيارة التهوية الدخان.
3. بعناية اتخاذ القالب سيلانيزد الرئيسي باليد وإغلاق المجفف. تخزين العفن الرئيسي في صندوق مغلق (أو داخل غطاء تدفق الصفحي) لتجنب ترسب الجسيمات على سطحه.
   ملاحظة: يجب تنفيذ جميع خطوات المتابعة تحت غطاء تدفق الصفحي تعمل مع سرعة الهواء موحدة.
4. إعداد خليط من بدمس قبل البوليمر وكيل علاج (10: 0.9 في الوزن) في كوب المتاح ومزيج بقوة مع ملعقة بلاستيكية. كدليل، واستخدام 20 غرام من المطاط الصناعي و 1.8 غرام وكيل علاج لافتعال أربعة أجهزة ميكروفلويديك بدمس حوالي 5 مم.
5. ضع الكأس الذي يحتوي على بد مختلطة جيدامس في مجفف تحت فراغ إلى ديغاس وإزالة فقاعات الهواء. وبمجرد أن بدمس هو ديغاسد، افتح المجفف وإزالة الكأس.
   ملاحظة: في هذه التجربة، يستغرق حوالي 30 دقيقة في 51 ميغا بار.
6. وضع بلطف أربعة إطارات مربع (على سبيل المثال ، بوليتيترافلورثيلين (بتف) إطارات مع أبعاد الداخلية 24 مم × 24 مم) على العفن الرئيسي بحيث أن كل شكل جدار حول بنية منقوشة واحدة على العفن الرئيسي.
7. صب بدمس ديغاسد في الإطارات وعلى رأس القالب الرئيسي حتى الكامل. وضع العفن الرئيسي مع إطارات مربع شغل في فرن في 70 درجة مئوية لمدة 2 ساعة.
8. بعد 2 ساعة، قم بإزالة القالب الرئيسي من الفرن واترك التجميع ليبرد إلى درجة حرارة الغرفة.
9. تقشر يدويا ألواح بدمس منظم (أو رقائق بدمس) وإطارات مربع من قبل فصلها بعناية من العفن الرئيسي والانزلاق رقائق بدمس من إطارات مربع.
10. لكمة مدخل ومخرج الثقوب باستخدام 1.5 مم الخزعة الناخس في ديومواقع متلقاة في التصميم، على سبيل المثال ، في نهاية القنوات ميكروفلويديك. قطع قطع إضافية من بدمس وإزالة أي الحطام من سطح رقائق بدمس منظم باستخدام شريط لاصق.
11. وضع رقائق بدمس (مع قنوات مفتوحة مواجهة) وكذلك كوفرسليبس الزجاج، في غرفة مولد البلازما وإغلاق الغرفة.
12. وضع مولد البلازما تحت فراغ (1.4 ميليبار هنا)؛ تبديل مولد البلازما لمدة 1 دقيقة.
13. بعد 1 دقيقة، تبديل مولد البلازما قبالة، تهوية الغرفة وإخراج رقائق بدمس المعالجة والزجاج كوفرسليبس. السندات رقائق بدمس (من الجانب مع قنوات منظمة) والزجاج كوفرسليبس معا لإغلاق القنوات. عند هذه النقطة هي ملفقة الأجهزة ميكروفلويديك طبقة واحدة.
14. وأخيرا، ضع الأجهزة ميكروفلويديك المستعبدين في فرن في 70 درجة مئوية لمدة 4 ساعات على الأقل لتعزيز الترابط بين بدمس والزجاج، إلى حد كبير.

3 - الإعدادأيون من مجموعة ميكروفلويديك والحلول السلائف

1. إعداد حل 0.040 M من بتكا في حامض الخليك.
   ملاحظة: تنبيه! حمض الخليك هو مركب خطير، تآكل وقابل للاشتعال وبخاره هو مزعجة للغاية للعيون والجهاز التنفسي. وفقا لذلك، يجب أن يتم تنفيذ خطوات التعامل في غطاء الدخان. أيضا، يجب على المستخدم ارتداء معطف مختبر واقية، نظارات وقفازات.
2. إعداد محلول 0.040 M من تاب في حمض الخليك.
   ملاحظة: جهاز ميكروفلويديك المستخدمة في التجارب الحالية لديها أربع قنوات مدخل ( الشكل 1B والشكل 2 ).
3. تحميل بكا وحلول تاب في اثنين من المحاقن المختلفة (5 مل محاقن محملة 3 مل محلول هنا)، مكان وتأمين الحقن على مضخة حقنة وربطها إلى اثنين من مداخل الوسطى من رقاقة ميكروفلويديك ملفقة (كاشف واحد لكل مدخل) باستخدام أنابيب بتف (0.8 مم القطر الداخلي).
4. تحميل اثنين من المحاقن الأخرى مع نقيةحمض الخليك (هنا 5 مل محاقن محملة بالكامل)، مكان وتأمين الحقن على مضخة حقنة وربطها إلى مداخل الجانب اثنين من رقاقة ميكروفلويديك باستخدام نفس النوع من أنابيب بتف.
5. ربط أنابيب بتف طويلة بما فيه الكفاية (في التجربة الحالية، ~ 15 سم) إلى مخرج رقاقة ميكروفلويديك. استخدام مضخة الحقن التي تسيطر عليها الكمبيوتر لتحفيز تدفق السوائل كما هو موضح في الخطوات التالية.

4. التوليف المستمر للألياف مف-كوف

1. باستخدام مضخة حقنة إدخال تدفق اثنين غمد من حامض الخليك كل بمعدل تدفق 100 ميكرولتر / دقيقة. وتقع التدفقات غمد على الجانب الخارجي لتدفقات كاشف ( الشكل 2 ).
2. انتظر لمدة دقيقة واحدة وحقن الكواشف اثنين (تاب و بتسا) عن طريق مدخلين الوسطى (كاشف واحد لكل مدخل) كل بمعدل تدفق 50 ميكرولتر / دقيقة. انتظر لمدة دقيقة واحدة حتى يتم تأسيس تدفقات مستقرة.
3. مراقبة تشكيل المجهرية ليفي الأصفرأوريز التي سبق وصفها بأنها مف-كوف التي كتبها فورييه تحويل الأشعة تحت الحمراء (فت-إر) التحليل الطيفي، التحليل العنصري والحالة الصلبة ¹³ C كب-ماس-نمر ⁶ ؛ في ظل هذه الظروف تشكيل مف-كوف ليست مستمرة.
4. زيادة معدل تدفق تاب و بتكا إلى 200 ميكرولتر / دقيقة والحفاظ على تدفقات غمد اثنين من حمض الخليك في 100 ميكرولتر / دقيقة. الآن انتظر لمدة 1 دقيقة حتى يستقر تدفق. مراقبة تشكيل تعليق مركزة للغاية من الألياف الأصفر مف-كوف، الأمر الذي يؤدي في نهاية المطاف إلى انسداد من منفذ.
5. كما أنابيب رقاقة ومخرج الآن غير وظيفية، واستخدام شريحة جديدة وإعداده للتجربة وفقا للخطوات 3.3-3.6.
6. إدخال اثنين من التدفقات غمد من حمض الخليك كل بمعدل تدفق 100 ميكرولتر / دقيقة والانتظار لمدة 1 دقيقة. تعيين تدفقات تب و بتسا لكل 100 ميكرولتر / دقيقة ومراقبة تشكيل الأصفر المستمر الألياف مف-كوف.
7. وضع منفذ من الأنابيب في طبق بتري تحتوي على خلاتحمض. على سبيل المثال، ضع 10 مل من حمض الخليك في طبق بيتري زجاج مستدير (60 ملم في القطر). وبمجرد أن الألياف الاصطناعية يخرج الأنبوب الموجود في مخرج الجهاز ميكروفلويديك، نقل الأنبوب على سطح لتسهيل الخروج من الألياف مف-كوف المستمر.

5. الطباعة المباشرة من 2D و 3D مف-كوف الهياكل

ملاحظة: كما الألياف سينثتيزد قد لا تكون متجانسة تماما، يجب تعديل سرعة ترسب لضمان الطباعة المستمرة.

1. إعداد ميكروفلويديك انشاء كما هو موضح في القسم 3 وحقن جميع الحلول الأربعة كل بمعدل تدفق 100 ميكرولتر / دقيقة.
2. انتظر لمدة 1 دقيقة حتى تستقر التدفقات والألياف مف-كوف توليف تخارج الأنبوب الموجود في مخرج الجهاز ميكروفلويديك. إعداد الركيزة نظيفة بجانب مخرج الأنبوب الموجود في مخرج جهاز ميكروفلويديك للطباعة المباشرة للألياف مف-كوف.
   ملاحظة: في تحقيقاتنا، 24 ملمتم استخدام x 76 كوفرسليبس الزجاج مم لجميع التجارب الطباعة.
3. عقد أنبوب متصلا مخرج الجهاز ميكروفلويديك بحيث نهايته هو بضعة ملليمترات فوق ساترة الزجاج. تحرك ببطء الأنبوب على ساترة الزجاج لتسهيل الخروج من الألياف مف-كوف وتجنب التجميع.
4. وبمجرد أن تستقر التدفقات، ورفع ببطء الأنبوب الموجود في مخرج الجهاز ميكروفلويديك حوالي 2-3 سم بعيدا عن ساترة الزجاج لمراقبة الألياف قائما بذاته ومستقرة مف-كوف.
5. لمواصلة الطباعة، وجلب منفذ الأنبوب مرة أخرى نحو ساترة الزجاج وتحريك الأنبوب يدويا على السطح لرسم 2D أو 3D مف-كوف المطلوب هيكل.

النتائج

يتم ملفقة الجهاز ميكروفلويديك المستخدمة في تحقيقاتنا باستخدام بدمس نسخة طبق الأصل التقليدية صب ²⁰ ويتضمن أربعة قنوات مدخل ميكروفلويديك التي تندمج في متناهية الرئيسي. يتكون الجهاز ميكروفلويديك النهائي من طبقة بدمس منظم وزجاج ساترة تست...

Discussion

الأسلوب الاصطناعي القائم على ميكروفلويديك ذكرت هنا يوفر نهجا جديدا وبسيطة للطباعة المباشرة للمواد كوف على الأسطح. يتم تنفيذ التجميع باستخدام جهاز ميكروفلويديك طبقة واحدة، تتألف من رقاقة مدمفلويديك بدمس المستعبدين إلى ساترة الزجاج. تلفيق الجهاز ميكروفلويديك لا يم?...

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
High resolution film masks	Microlitho, UK	-	Features down to 5um
Silicon wafers	Silicon Materials Inc., Germany	4" Silicon Wafers	Front surface: polished, back surface: etched
Silicone Elastomer KIT (PDMS)	Dow Corning, USA	Sylgard 184	-
Chlorotrimethylsilane	Sigma-Aldrich, Switzerland	386529	≥97%, CAUTION: Handle it only under fume hood.
Biopsy puncher	Miltex GmBH, Germany	33-31A-P/25	1.5 mm
Glass coverslip	Menzel-Glaser, Germany	BB024040SC	24 mm × 40 mm, #5
Plasma generator instrument	Diener	Zepto B	Frequency: 40 kHz and plasma generator power: 0-30 W
PTFE tubing	PKM SA, Switzerland	AWG-TFS-XXX	AWG 20TFS, roll of 100 m
neMESYS Syringe Pumps	Cetoni GmbH, Germany	Low Pressure (290N)	-
Disposable Cup	Semadeni, Switzerland	8323	PS, 200 ml
Plastic Spatula	Semadeni, Switzerland	3340	L × W : 135 mm x 14 mm
Disposable Scalpels	B. Braun, Switzerland	233-5320	Nr. 20
Disposable Syringes	VWR, Switzerland	613-3951	5 ml, Discardit II
Acetic Acid	Sigma-Aldrich, Switzerland	695092-500	>=99.7%, CAUTION: Handle it only under fume hood.
1,3,5-benzenetricarbaldehyde	Aldrich-Fine Chemicals	753491	97%
1,3,5-Tris(4-aminophenyl)benzene	Tokyo Chemical Industry	T2728-5G	>93.0%