כלובי פניאומטיים Microfluidic: גישה חדשנית עבור In-שבב קריסטל שמן, מניפולצית טיפול כימי מבוקרת

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

חומרי מולקולרי כבר מזמן למד בקהילה המדעית בגלל המספר הרחב של יישומים בתחומים כמו אלקטרוניקה מולקולרית, אופטיקה וחיישנים ^1-4. בין אלה, מוליכים אורגניים הם מעמד מרגש במיוחד של חומרים מולקולריים בגלל תפקידם המרכזי מציג גמישות מכשירים פונקציונליים משולבים ^5,6. עם זאת, מתודולוגיות משמשת להפעלת תחבורת מטען אלקטרונית בחומרים מולקולריים מבוסס מוגבלות להיווצרות של מתחמי תחבורת תשלום (CTCs) ומלחים תחבורת תשלום (CTSs) ^7-10. לעתים קרובות, CTCs ו CTSs מופקים על ידי שיטות אלקטרוכימי או באמצעות תגובות חמצון-חיזור כימיים ישירות; תהליכים המעכבות טרנספורמציה מבוקרת של moieties התורם או acceptor כדי ארכיטקטורות מורכבות יותר שבו multifunctionality ניתן לתפוס. בהתאם לכך, להבהרת שיטות שיטתיות חדשות עבור הדור לשליטה והמניפולציה של מולקולרי-בסיסחומרים ד עדיין מהווה אתגר משמעותי בתחומי מדע חומרים והנדסה מולקולרית, ואם מוצלח ללא ספק יובילו פונקציות חדשות ויישומים טכנולוגיים חדשניים.

בהקשר זה, טכנולוגיות microfluidic לאחרונה שימשו לסנתז חומרים מולקולריים מבוססי בשל יכולתם לשלוט חום ומסה כמו גם את עוצמת התגובה דיפוזיה של חומרים כימיים במהלך תהליך סינתטי ^11,12. במילות פשוטות, בתזרים רציף במספרים נמוכים ריינולדס ממשק יציב בין שניים או יותר זרמים מגיבים יכול להיות מושג, אשר פותח פתח להיווצרות אזור תגובה מבוקר היטב בתוך נתיב הזרימה, שבו הערבוב מתרחש רק באמצעות דיפוזיה ^13-16. אכן, יש לנו העובדים בעבר תזרים למינרית למקם את המסלול הסינטטי של חומרים מולקולריים גבישים כגון פולימרי תיאום (CPS) בתוך ערוצי microfluidic ^17. למרות מתודולוגיה זו הוכיחה gההבטחה reat במימוש ננו CP הרומן, שילוב ישיר של מבנים כאלה על גבי משטחים, כמו גם טיפול כימי נשלט לאחר היווצרותם טרם להתממש באתרו ^18. כדי להתגבר על מגבלה זו, הראינו לאחרונה כי actuation של כלובי פנאומטי microfluidic (או שסתומים) המאוגדת מכשירים microfluidic דו שכבתי ניתן להשתמש ביתרון מבחינה זו. מאז עבודתו החלוצית של הקבוצה של Quake ^19, שסתומים פנאומטיים microfluidic שימשו לעתים קרובות ללכידה תא בודד ובידוד ^20, חקירות הפעילות האנזימטית ^21, לכידה של כרכים נוזל קטן ^22, לוקליזציה של חומרים תפקודיים על משטחים ²³ וחלבון התגבשות ^24. עם זאת, הראינו כי מכשירי microfluidic שכבה כפולה יכולים לשמש מלכודת, למקם ולשלב באתרו יצר מבנים להקריא רכיבים על משטחים ¹⁸. יתר על כן, יש לנו גם הוכיח כי ניתן להשתמש בטכנולוגיה כזו לבצע טיפולים כימיים נשלטו על מבנים לכודים, המאפשר הוא, "החילופי ליגנד בסיוע microfluidic" ¹⁸ ו סימום כימי מבוקר של גבישים אורגניים ^18,25. בשני המקרים, CTCs יכול להיות מסונתז בתנאי microfluidic מבוקר, במחקר האחרון, multifunctionality יכול לתארו פיסה אותו החומר. בזאת, אנחנו מדגימים את הביצועים של מכשירי microfluidic שכבה כפולה אלה העסיקו תזרים עמוס צבע, ליצור ולשלוט במסלול התיאום של CP וכן הלוקליזציה שלה על פני השטח של ערוץ microfluidic ולבסוף להעריך נשלט טיפולים כימיים על על שבב מבנים לכודים.

Protocol

הערה: שתי שכבות של מכשיר microfluidic שכבה כפולה נועדו באמצעות תוכנת ציור, למשל, AutoCAD ומודפסות כדי ליצור מסיכות סרט ברזולוציה גבוהה, עם הגבלת דיוק תכונה של 5 מיקרומטר. תבניות הורים נוצרים על ידי ליתוגרפיה SU-8 על 4 "פרוסות סיליקון, המאפשר ייצור של מבנים 50 מיקרומטר גובה.

1. ייצור מאסטר עובש באמצעות SU-8 פוטו-ליתוגרפיה

1. מניחים את פרוסות סיליקון על פלטה חשמלית נקבע על 200 מעלות צלזיוס במשך 10 דקות כדי ליבש.
   הערה: התייבשות הסיליקון רקיק מספקת מגע טוב יותר ומבטיחה את התפשטות photoresist SU-8 במהלך שלב ציפוי ספין.
2. מצנן את הפרוסות המיובשות לטמפרטורת חדר על פני תקופה של 3 דק '.
3. טען את פרוסות על גבי coater ספין והפיקדונות 4 מ"ל של photoresist SU-8 (כ 1 מ"ל של SU-8 לאינץ של המצע) במרכז של פרוסות סיליקון.
   1. ראשית, להפיץ את שהופקד SU-8 לאט ב 500 revolutions לדקה (סל"ד) במשך 10 שניות. כזה מהירות הסיבוב מבטיחה כיסוי SU-8 הוא גדל על פני רקיק כולו.
   2. שנית, לשלוט בעובי של SU-8 על ידי ספינינג המצע במהירויות גבוהות. בניסויים הנוכחיים, להשתמש במהירות סחיטה של ​​3,000 סל"ד במשך 30 שניות כדי ליצור SU-8 כולל 50 מיקרומטר גבוהים.
4. נגב את חרוז בקצה רקיק בזהירות עם כותנה מחיקה בזמן ספינינג בכל בסל"ד נמוך (בדרך כלל 100 סל"ד).
5. מחממים את פרוסות סיליקון מצופה ספין על פלטה חשמלית ב 95 מעלות צלזיוס במשך 15 דקות כדי להסיר ממס שיורי מן SU-8 (כלומר, "לאפות רך").
   הערה: הנוכחות של דפוסים או "קמטים" ב להתנגד שכבה מציינת את ההסרה השלמה של ממס.
6. מצננים את רקיק אפוי בחזרה לטמפרטורת החדר ופנה לגורם צד אמולסיה מודפס של photomask עם רקיק לפני החשיפה.
7. הפעל את יחידת UV המנורה וחשיפה ולתת למערכת לייצב על פני תקופה של 10 מ 'ב. מדוד את עוצמת מנורה 365 ננומטר באמצעות UV-מד-הראות, ולהעריך את זמן החשיפה הנדרש (לפי עוצמת האנרגיה זמן = חשיפה / 365 ננומטר).
   הערה: אנרגית החשיפה בניסויים הנוכחיים הייתה מחושבת להיות 250 mJ / ² סנטימטר.
8. לחשוף את photomask על פרוסות סיליקון מצופה ספין לאור UV בפעם המוערכת בשלב הקודם. כאן, לחשוף עבור 79.6 שניות.
9. מיד לאחר החשיפה, לאפות את פרוסות סיליקון חשוף על פלטה חשמלית ב 65 מעלות צלזיוס במשך 1 דקות ולאחר מכן ב 95 מעלות צלזיוס למשך 5 דקות. בשלב זה, התגובה היא ביוזמת -light UV והשלים לאחר האפייה.
10. השאירו את פרוסות שלאחר אפוי להתקרר לטמפרטורת החדר על פני תקופה של 3 דק '.
11. לפתח את SU-8 הלא crosslinked על פרוסות סיליקון על ידי המסת אותו יזם SU-8 מ -8 דקות. כדי להבטיח הסרה מלאה של אי-crosslinked SU-8, לפצל את התהליך לשני שלבים.
    1. בחלק הראשון, לטבול את הפרוסות בפתרון המפתח למשך 5 דקות, מחדשהזזת רוב הלא-crosslinked SU-8.
    2. ואז לטבול את הפרוסות ב פתרון חדש של יזם במשך 3 דקות כדי לפזר את הלא-crosslinked SU-8 נותרים (לכודים בדרך כלל בין מבני crosslinked).
12. שוטף את הפרוסות פתחו עם isopropanol ולתת הרקיק שיש למבנים בדוגמת (להלן "מאסטר עובש") עומד להתייבש. תצפית של משקע חלבי על שטיפת עובש האמן עולה כי הפיתוח אינו שלם.
13. מחממי עובש אמן יבשים על צלחת חמה ב 200 מעלות צלזיוס במשך 2-5 דקות כדי "לאפות קשים" סדקי פוטנציאל המצע לחשל את להתנגד.
14. אפשר עובש אמן מפוברק כדי להתקרר לטמפרטורת החדר.
15. מניחים את התבנית מאסטר ייבוש (מחוברת משאבה ואקום) בתוך במנדף.
16. יוצקים 100 μl של כלוריד trimethylsilyl (TMCS) לתוך כוס זכוכית ומניחים זה בתוך תא ייבוש.
    זהירות: TMCS הוא דליק, corrosivדואר ורעיל; וכך, צעדי טיפול צריכים להתבצע תחת במנדף, עם המשתמש לובש כפפות מגן, משקפי מגן וחלוק מעבדה.
17. שים את הייבוש תחת ואקום ולחכות לפחות שעה 1 כדי לאפשר אדי TMCS להפקיד על פני שטח עובש אמן.
18. אחרי שעה 1, לאט לאזן את הלחץ בתוך ייבוש ופתוח לאווירה.
    זהירות: לא לנשום ישירות מעל הייבוש הפתוח.
19. הסר את המאסטר silanized ולסגור את הייבוש.

2. ייצור של מכשירי שכבה כפולה Microfluidic

הערה: הפרוטוקול הוא רגיש במיוחד הזמן והטמפרטורה. כל אי מילוי למסגרת הזמן והטמפרטורה עלולה להוביל ייצור של הלא-ערובה, ולכן, מכשירים שאינם פונקציונליים.

1. יוצקים תערובת של אלסטומר PDMS וריפוי סוכן (5: 1 במשקל) לתוך צלחת במשקל הפנויה ומערבבים לחלוטין בעזרת מרית פלסטיק. בניסוי הנוכחיים, השתמש 50 גרם של אלסטומר ו -10 גרם של סוכן ריפוי ליצור שכבת PDMS כ 5 מ"מ גובה ^19.26.
2. מניח את PDMS המעורבת גם ייבוש תחת ואקום כדי דגה ולהסיר בועות לכודים במשך 15 דקות.
3. מערבבים PDMS אלסטומר וריפוי סוכן (20: 1 במשקל) בצלחת במשקל הפנויה (למשל, 10 אלסטומר גרם ו -0.5 גרם סוכן ריפוי) ^19.26.
4. תקן עובש האמן "שכבת שליטה" בתוך מסגרת (בניסויים הנוכחיים, טבעת polytetrafluoroethylene עגולה 11 מ"מ (PTFE)).
5. לאחר 15 דקות, מניחים את 20: תערובת 1 PDMS ב תא ייבוש תחת ואקום עבור סילוק גזים.
6. במקביל כמו בשלב הקודם, להוציא את 5: תערובת 1 PDMS מן הייבוש ויוצקים זה על תבנית מאסטר "שכבת שליטה" הנמצאת בתוך המסגרת העגולה. מניחים את המסגרת שמכילה את PDMS עובש מאסטר לתוך ייבוש תחת ואקום גם כן. שמור את PDMS העודף.
7. אחרי 45 דקות (ו -30 דקות לאחר המכהing הוא PDMS תערובות לתוך הייבוש), לקחת את שני PDMS תערובות מתוך הייבוש ומניח את המסגרת שמכילה 5: 1 PDMS ואת העובש "שכבת שליטה" מאסטר בתנור על 80 מעלות צלזיוס.
8. במקביל, מתחילים לסובב מעיל המאסטר עובש "שכבת fluidic" עם 20: תערובת 1 PDMS. מהירויות הסיבוב לציפוי ספין נקבעו בהתבסס על לגובה הרצוי, ואת דווחה במקום אחר ^27. שואפים לסיים ציפוי ספין ב 60 דקות ולשמור את PDMS שיורית.
9. לאחר 60 דקות, לשים את הספין עובש "שכבת fluidic" מאסטר מצופה 20: 1 PDMS לתוך בתנור על 80 מעלות צלזיוס.
10. בשעה 75 דקות, לקחת את שני תבניות הורים מהתנור.
11. לקלף רק 5: PDMS 1 מהתבנית "שליטת השכבה" מאסטר, קוביות המצע עם להב ומחייג את החורים עבור שכבות שליטה עם אגרופן ביופסית 1 מ"מ לעבר עמדות צריכת האוויר שנקבעו העיצוב. כאן, שכבת השליטה היא 24 מ"מ אורך 24 מ"מ רוחב.
12. Rפסולת סר משבבי לקוביות באמצעות נייר דבק.
13. ידני להרכיב את קוביות וחבט שבבי השכבה מלאה על גבי 20: ספין 1 PDMS מצופה על עובש "שכבת fluidic" מאסטר באמצעות סטראו עם ההגדלה של 500X (איור 1).
14. יוצקים לצייר את PDMS שיורית סביב השבבים התאספו כדי ליצור שכבה עבה PDMS ובכך להקל הסרת שכבות fluidic ובקרה מלוכדות בסוף.
15. מניחים את התבנית "שכבת fluidic" מאסטר המכיל את התקנים שכבת שני בתנור על 80 מעלות צלזיוס ולאחסן לילה.
16. למחרת, לקחת את מכלול נרפא מהתנור ולאפשר לו להתקרר לטמפרטורת החדר.
17. פיל ממכלול PDMS מן אדון עובש "שכבת fluidic", קוביות מכשירי השכבה כפולה המפוברקים עם להב (24 מ"מ אורך ו 24 מ"מ רוחב) פתחי כניסה / שקעי fluidic אגרוף עם אגרופן ביופסיה 1.5 מ"מ.
18. פנקו את פני השטח של שבבי עם אופn ערוצי coverslips זכוכית (24 מ"מ × 40 מ"מ) עם פרשת קורונה ומייד להצמיד אותם יחד. פנקו ידי הזזת פריקה קורונה מעל coverslip לוח וזכוכית PDMS מעל 1 דקות. לחלופין, להשתמש במערכת פלזמה המעבדתיים כדי להקל מליטה.
19. אחסן את שבב השכבה כפולה המלוכדת בתנור על 70-80 מעלות צלזיוס במשך שעה לפחות 4.

3. אסיפת מערכת Microfluidic

1. אחרי המכשיר microfluidic כבר התאספו, לחבר את צריכת האוויר של שכבת fluidic של השבב אל מאגרי fluidic (מזרקים) באמצעות polytetrafluoroethylene צינורות (PTFE) (0.8 מ"מ id).
2. חבר את מקור לחץ אספקת צריכת האוויר של שכבת שליטה באמצעות צינור גומי סיליקון ומחברי מתכת שיש בקוטר חיצוני של 1.6 מ"מ.
3. לפתוח ולסגור את השסתומים על ידי יישום אוויר דחוס בבר 3 שימוש במקור לחץ מופעל באופן ידני. נוזלי היצע הערוצים באמצעות סדרה של משאבות מזרק מבוקרת מחשב.
4. דמיין actuation של שסתומי פעולת מכשיר עם מצלמה ברזולוציה גבוהה רכובה על מיקרוסקופ הפוכה. השתמש 5X הגדלה 63X.

מניפולציה 4. של משטר זרימה למינרית על ידי פניאומטיים קייג Actuation

הערה: שכבת fluidic מורכבת משני ערוצים מתכנסים כניסה, שהן 150 מיקרומטר רוחב, לערוץ ראשי רחב 300 מיקרומטר רוחב. ואת השכבה המלאה יש סדרה של שסתומים מלבנים זהים (250 מיקרומטר × 200 מיקרומטר), הנמצאים על גבי ערוץ fluidic הראשי.

1. לאחר הגדרת מחובר משאבת מזרק ומערכות בקר פנאומטי, להציג תזרים לצבוע מימית דרך אחד הערוצים כניסת בשיעור זרימת 20 μl / min.
2. סגור את השסתום על ידי מפעיל אותו 3 בר.
3. שימו לב כי הנוזל עדיין יכול לזרום סביב השסתום. תכונה זו חשובה בהשגת טיפול כימי מבוקרת של מבנים לכודים ^{18,25 <}/ Sup>.
4. פתח את השסתום על ידי שחרור הלחץ.
5. בעוד הפתרון לצבוע זורם דרך הערוץ הראשון, להזריק עוד נוזל מימי לתוך תעלת כניסת השני ב 20 μl / min. ממשק בין שני זרמי מימי נוצר בשל הווה משטר הזרימה למינרית במכשיר microfluidic.
6. סגור את השסתום על ידי מפעיל אותו 3 בר. במקרה זה, actuation של השסתום משנה את הממשק של שני תזרימי מימי; ניתן להשתמש מכך שכדי לשנות את המסלול הסינטטי במהלך ההיווצרות של CP (אינפרא vide) ^18,28.
7. שנה את הספיקות הנוזלות עד 30 μl / דקה 10 μl / min ולבחון את ולמטה או למעלה העביר המנחה של הממשק שנוצר בין שני הנוזלים.

לוקליזציה 5. של microparticles

1. חבר את שבב שכבה כפולה מפוברק על משאבת מזרק ומערכות בקר פנאומטי.
2. כן בתמיסה מימית המכילה 10 wt.% קלקרחלקיקי ניאון (5 מיקרומטר קוטר, עירור ומקס פליטה ב 468 ננומטר ו 508 ננומטר, בהתאמה).
3. השתמש במקור עירור לייזר ההפעלה באורך גל של 488 ננומטר.
4. הצג את נוזל החלקיקים עמוסים לשני ערוצי הכניסה בקצב זרימה כולל של 20 μl / min.
5. חכה 2 דקות עד זרימה יציבה היא הוקמה.
6. להניע את השסתום ב 3 בר לסגור אותו. חלקיקים מספר יילכדו מתחת השסתום מקומי על פני השטח תוך הזרם נשמר.

דור 6. ולצמצום המבוקר של פולימר תיאום (CP)

1. כן בתמיסה מימית 2.5 מ"מ של הכסף חנק (אגנו _3).
2. כן בתמיסה מימית 2.5 מ"מ של ציסטאין (Cys).
3. כן פתרון חומצה אסקורבית רווי באתנול ^18.
4. השתמש באותו שבב השכבה כפולה ולהזריק שני ריאגנטים לשני ערוצי הכניסה (אחד מגיב לכל כניסה) כל בקצב זרימה של50 μl / min.
5. לצפות את ההיווצרות של כסף ציסטאין (Ag (I) Cys) מחסומים על הממשק של שני כאד זורם-שיתוף.
6. להניע את השסתום ב 3 בר כדי ללכוד את מחסומי Ag (I) Cys נוצר מתחת השסתום.
7. מים מזוקקים פלאש לתוך ערוצי הכניסה בקצב זרימה של 50 μl / דקה כדי לשטוף את ריאגנטים העודפים המשמשים בתהליך הסינטטי.
8. שחרר את הלחץ ולפתוח את השסתום. המחסומים שנוצרו להישאר מתחת השסתום בתנאי זרימת עצר.
9. על מנת לערוך הפחתה כימית מבוקרת של לכודי Ag (I) Cys מחסומים, לשחרר את הלחץ שסתום בבר 1 ולשטוף את פתרון חומצה אסקורבית הרוויה באתנול בקצב זרימה של 10 μl / min.
10. שימו לב שינוי צבע ברור כי מיוחסת לירידה של Ag (אני) כדי כסף מתכתי (Ag (0)) על ידי חומצה אסקורבית ^18.

תוצאות

מכשירי microfluidic כפול השכבה מורכבות משני שבבי microfluidic מלוכדים אשר מאוגדים PDMS כפי שמוצגים באיור 1. הרובד הראשון, שהוא בעת ובעונה האחת קשורה משטח, משמש לזרום נוזלים (שכבת נוזל), בעוד השכבה השנייה, אשר הוא ערובה ישירות על שכבת PDMS הראשונה, משמש לזרום גז (השכבה מלאה).

איור 1. המכשיר microfluidic שכבה כפולה. (א) איור סכמטי ו- (ב) מיקרוסקופ של המכשיר microfluidic שכבה כפולה בשימוש בחקירות שלנו. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

הזרקה של גז דרך תעלותשכבת השליטה סוחטת את שכבת הנוזל לכיוון (איור 2 א ו תרשים 2B) פן, המאפשרת לכידה ולוקליזציה של מבנים על פני שטח ערוץ microfluidic. להפעלה ללא קרום PDMS יכול לשמש כדי ליצור כלובים פנאומטי ו / או שסתומי מיקרו הנשלטות על ידי בקר פנאומטי. כמודלי מופת של actuation קרום, אנו מראים כיצד הסטייה המוחלטת של שכבת הנוזל תמנע זרימת צבען עמוס לזרום מתחת השסתום לאחר actuation שלה (איור 2 ג) ו הלכידה של microparticles ניאון על משטח microchannel (איור 2 ד ו 2E) .

איור 2. להפעלה ללא ממברנה ולכידה של מבנים. (א) צד ו- (ב) איורי מבט מלמעלה מראים את מכשיר microfluidic השכבה הכפולה להיותקדמי (למעלה) ואחרי (למטה) actuation של שסתום פנאומטי. (C) micrographs של מכשיר microfluidic שכבה כפולה לפני (למעלה) ואחרי הסחיטה של שכבת הנוזל (למטה). בשנת הפאנל התחתון, בשכבת נוזל מלא בתמיסה מימית של צבע rhodamine עבור תפיסה טובה יותר של actuation הממברנה. (ד) micrographs-שדה המואר של מכשיר microfluidic שכבה כפולה לפני (למעלה) ואחרי (למטה) actuation של השסתום עם חלקיקי פלורסנט קלקר המכיל בתמיסה מימית זורמים (10 wt.%). (ה) תמונות פלורסנט של תמונות מיקרוסקופ האופטיות שמוצגות ד נא ללחוץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

איור 3 א ממחיש את הלכידה של באתרו שנוצרה מחסומים בתוך מכשיר microfluidic שכבה כפולה באמצעות actuatיון של כלוב פנאומטי. שים לב כי קיים מסלול תיאום חדש נוצר לאחר actuation של השסתום הראשון. Actuation שסתום מבטיח ההשמנה של CP Ag (I) Cys שנוצר על הממשק של שני הזרמים מגיבים ומקל על הקמת מסלול תיאום חדש (איור 3 א). אפיון כימי מפורט של CP Ag (I) Cys שנוצר על הממשק של שני הזרמים המגיבים ניתן למצוא במחקרים קודמים ^17,18. בנוסף, ואחרי הסרת עודפי ריאגנטים פתרונות עם זרימה של מים טהורים (איור 3 ב), פתרון חומצה אסקורבית רווי באתנול ניתן להוסיף את ערוץ microfluidic עבור הפחתה כימית מבוקרת של מבנים לכודים על-שבב (איור 3 ג). הפחתת הלחץ שסתום בין 3 ברים עד תיבה 1 גורסים שצריך טיפול כימי מבוקרת של CP Ag (I) לכודים Cys מתחת לאזור הידק ^18. שינוי הצבע של לכודים Ag (I) Cys המחסומים עד חום כהה הואttributed להפחתת כסף חד ערכי אל המתכת, בהסכמה עם תצפיות קודמות ^18,29.

איור 3. השמנה של Ag (I) Cys מחסומי והפחתה כימית מבוקרת. (א) תמונת מיקרוסקופ אופטית מראה את הלכידה של באתרו synthetized Ag (I) Cys CP ויצירת מסלול תיאום חדש. (ב) מיקרוסקופ של מחסומים לכודים מתחת לאזור הדק לאחר הסרת פתרונות ריאגנטים עודפים עם זרימת מים, וב (C), מיקרוסקופ של אותו שסתום מייקרו לאחר תהליך צמצום התגובה. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של נתון זה.

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 cages^18,28. 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 structures^18,25.

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.

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
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	-