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

Anmerkung: Zwei Schichten aus einer Doppelschicht – Mikrofluidik – Vorrichtung sind so konzipiert , eine Zeichnungssoftware, beispielsweise AutoCAD und gedruckten hochauflösenden Filmmasken zu bilden, mit einem Merkmal Genauigkeitsgrenze von 5 um. Master-Formen werden durch SU-8-Lithographie auf 4 "Siliziumwafern geschaffen, so dass die Erzeugung von Strukturen 50 & mgr; m in der Höhe. 1. Master Formenbau Mit SU-8-Lithografie Platzieren Sie den Silizium-Wafer auf einer Heizplatte bei 200 ° C für 10 min zu entwässern. Hinweis: Silizium-Wafer Dehydratation einen besseren Kontakt bereitstellt und die gewährleistet, während der Spin-Beschichtungsschritt des SU-8 Photoresist zu verbreiten. Kühlen des dehydratisierten Wafer auf Raumtemperatur über einen Zeitraum von 3 min. Laden Sie den Wafer auf einen Spin Coater und Ablagerung 4 ml SU-8 Photoresist (etwa 1 ml SU-8 pro Zoll Substrat) in der Mitte des Wafers. Zunächst verbreitete sich die abgelagerten SU-8 langsam bei 500 Revoons pro Minute (rpm) für 10 sec. Eine solche Drehgeschwindigkeit stellt sicher, dass die SU-8-Abdeckung erstreckt sich über die gesamte Waferoberfläche erhöht wird. Zweitens steuern die Dicke der SU-8, indem das Substrat bei höheren Geschwindigkeiten zu drehen. In den aktuellen Experimenten eine Schleuderdrehzahl von 3000 Umdrehungen pro Minute für 30 Sekunden verwenden SU-8 verfügt über 50 & mgr; m hoch zu erzeugen. Wischen Sie den Randwulst des Wafers vorsichtig mit einem Baumwolltuch, während bei niedriger Drehzahl Spinnen (typischerweise 100 Umdrehungen pro Minute). Erwärmen , um die Spin-beschichtete Wafer auf einer heißen Platte bei 95 ° C für 15 min Restlösungsmittel aus der SU-8 (dh "soft bake") zu entfernen. Hinweis: Das Vorhandensein von Mustern oder "Falten" in die Resistschicht zeigt die unvollständige Entfernung des Lösungsmittels. Kühlen Sie die gebackenen Waffel wieder auf Raumtemperatur und kontaktieren Sie die Emulsion bedruckte Seite der Photomaske mit dem Wafer vor der Belichtung. Schalten Sie die UV-Lampe und Belichtungseinheit und lassen Sie das System stabilisieren sich über einen Zeitraum von 10 min. Messen bei 365 nm die Lampenintensität einen UV-Optometers, und schätzen die erforderliche Belichtungszeit (nach Zeit = Belichtungsenergie / Intensität bei 365 nm) verwendet wird. Hinweis: Die Belichtungsenergie in der aktuellen Experimenten berechnet wurden 250 mJ / cm 2 sein. Belichten der Photomaske auf dem spinnbeschichteten Wafers mit UV-Licht für die im vorhergehenden Schritt geschätzten Zeit. Hier aussetzen für 79,6 Sek. Unmittelbar nach dem Belichten backen des belichteten Wafers auf einer Heizplatte bei 65 ° C für 1 min und anschließend bei 95 ° C für 5 min. In diesem Schritt wird die Reaktion durch UV -Licht und beendet nach dem Backen eingeleitet. Lassen Sie die nachgebacken Wafer auf Raumtemperatur über einen Zeitraum von 3 min abkühlen. Entwickeln Sie die nicht-vernetzten SU-8 auf dem Wafer, indem sie in der SU-8-Entwickler über 8 min zu lösen. Um eine vollständige Entfernung des nicht vernetzten SU-8, spaltete das Verfahren in zwei Schritten. In dem ersten, eintauchen, den Wafer in der Entwicklerlösung für 5 min, erneutBewegen der Mehrzahl der nicht-vernetzten SU-8. Dann Eintauchen der Wafer in einer frischen Lösung von Entwickler für 3 min die restlichen nicht vernetzten SU-8 (typischerweise zwischen vernetzten Strukturen eingeschlossen) aufzulösen. Spülen Sie die entwickelte Wafer mit Isopropanol und ließ den Wafer strukturiert Strukturen (im Folgenden als "Urform") stehen, um zu trocknen. Die Beobachtung einer milchigen Rückstand auf die Urform Spülung zeigt an, dass die Entwicklung nicht vollständig ist. Erhitzen Sie die getrockneten Masterform auf einer heißen Platte bei 200 ° C für 2-5 min auf "harte backen" das Substrat und die Ausheilung mögliche Risse im Lack. Lassen Sie den hergestellten Masterform auf Raumtemperatur abkühlen lassen. Legen Sie die Master-Form in einem Exsikkator (verbunden mit einer Vakuumpumpe) im Inneren einer Abzugshaube. Gießen Sie 100 ul Trimethylsilylchlorid (TMCS) in ein Becherglas und legen Sie diese in den Exsikkator gestellt. ACHTUNG: TMCS ist brennbar, corrosive und toxisch sind; daher sollte Handhabungsschritte unter einem Abzug durchgeführt werden, wobei der Benutzer mit Schutzhandschuhen, Schutzbrille und einen Laborkittel. Setzen Sie den Exsikkator unter Vakuum und warten Sie mindestens 1 Stunde die TMCS Dampf zu ermöglichen, auf das Master-Formoberfläche abzuscheiden. Nach 1 Stunde äquilibrieren langsam den Druck innerhalb Exsikkator und offen für die Atmosphäre. ACHTUNG: nicht einatmen direkt über dem offenen Exsikkator. Entfernen Sie die silanisierten Master und schließen Sie den Exsikkator. 2. Herstellung von Doppelschicht-Mikrofluidiksysteme Hinweis: Das Protokoll ist besonders empfindlich gegenüber der Zeit und Temperatur. Jeder Fehler auf den Zeitrahmen zu folgen und die Temperatur kann auf die Herstellung von nicht gebundenen und daher nicht funktionierender Geräte führen. Gießen einer Mischung aus PDMS-Elastomer und Härter (5: 1 in Gewicht) in ein Einweg-Wägeschale und vollständig mit einem Kunststoffspachtel mischen. Im aktuellen Experiments, verwenden 50 g des Elastomers und 10 g des Härters 19,26 eine PDMS – Schicht ca. 5 mm in der Höhe zu bilden. Legen Sie die gut gemischte PDMS in einem Exsikkator unter Vakuum entgast und entfernen eingeschlossene Luftblasen für 15 min. Mischungs PDMS – Elastomer und Härter (20: 1 in Gewicht) in einer wegwerfbaren Wägeschale (beispielsweise 10 g Elastomer und 0,5 g Härter) 19,26. Befestigen Sie die "Steuerschicht" Master-Form in einem Rahmen (in den aktuellen Experimenten wurde ein 11 mm Rund Polytetrafluorethylen (PTFE) Ring). Nach 15 Minuten, legen Sie die 20: 1 PDMS-Mischung im Exsikkator unter Vakuum zur Entgasung. Zur gleichen Zeit wie die vorherigen Schritt, nehmen Sie das 5: 1 PDMS-Mischung aus dem Exsikkator und diese Mengen auf die "Steuerschicht" Masterform, die innerhalb des runden Rahmen befindet. Platzieren Sie den Rahmen, um die PDMS und Master-Form in den Exsikkator unter Vakuum als auch enthalten. Halten Sie den Überschuss PDMS. Nach 45 Minuten (und 30 Minuten nach der Putting beide Mischungen in den Exsikkator) PDMS, nehmen beide PDMS Mischungen aus dem Exsikkator und legen Sie den Rahmen, das 5: 1 PDMS und die "Steuerschicht" Masterform in einem Ofen bei 80 ° C. Zur gleichen Zeit beginnen Mantel zu spinnen die "fluidische Schicht" Master-Form mit dem 20: 1 PDMS-Mischung. Die Rotationsgeschwindigkeit für die Rotationsbeschichtung basiert auf der gewünschten Höhe festgelegt und wurde an anderer Stelle 27 angegeben. Ziel Schleuderbeschichtung bei 60 min zu beenden und die restlichen PDMS halten. Nach 60 min setzen die Spin "fluidische Schicht" Masterform beschichtet mit 20: 1 PDMS in einem Ofen bei 80 ° C. Bei 75 min, nehmen beide Urformen aus dem Ofen. Ziehen Sie die nur 5: 1 PDMS von der "Steuerschicht" Masterform, Würfel des Substrats mit einer Klinge und die Löcher für Steuerschichten mit einer 1 mm Biopsie Puncher stanzen an den Einlässen in der Gestaltung bestimmten Positionen. Dabei ist die Steuerschicht 24 mm in der Länge und 24 mm in der Breite. Remove Trümmer von vereinzelten Chips Klebeband. Von Hand die Würfel geschnitten und gestanzt Steuerschicht – Chips auf der Oberseite des 20: 1 PDMS durch Spin – Beschichtung auf der "fluidische Schicht" Urform ein Stereomikroskop mit einer Vergrößerung von 500X (Abbildung 1). Gießen und die restlichen PDMS um die montierten Chips zeichnen, um eine dickere Schicht PDMS machen und erleichtern dadurch die Entfernung der gebundenen fluidischen und Steuerschichten am Ende. Legen Sie die "fluidische Schicht" Masterform, die aus zwei Schichten Geräte in einem Ofen bei 80 ° C enthält, und über Nacht speichern. Am nächsten Tag nehmen die gehärtete Anordnung aus dem Ofen und lassen Sie es auf Raumtemperatur abkühlen lassen. Ziehen Sie die PDMS-Baugruppe von der "fluidische Schicht" Masterform, Würfel der hergestellte Doppelschicht-Geräte mit einer Klinge (24 mm Länge und 24 mm in der Breite) und Stempel fluidischen Ein- / Ausgänge mit einer 1,5 mm Biopsie Puncher. Behandeln Sie die Oberfläche von Chips mit open-Kanäle und Deckgläser (24 mm × 40 mm) mit einer Koronaentladung und sofort miteinander zu verbinden. Behandeln Sie durch die Koronaentladung über die PDMS-Platte und Deckglas über 1 min bewegt. Alternativ können Sie einen Benchtop-Plasmasystem Bindung zu erleichtern. Speichern der gebundenen Doppelschicht-Chips in einem Ofen bei 70-80 ° C für mindestens 4 Stunden. 3. mikrofluidischen System Assembly Nachdem der Mikrofluidik-Vorrichtung zusammengebaut worden ist, schließen Sie die fluidische Schicht Einlässe des Chips an die fluidische Reservoirs (Spritzen) unter Verwendung von Polytetrafluorethylen (PTFE) Schlauch (0,8 mm ID). Schließen Sie den Druckversorgungsquelle an die Steuerschicht Einlässe mit Silikongummischlauch und Metallverbinder, die einen Außendurchmesser von 1,6 mm aufweisen. Öffnen und Schließen der Ventile durch Druckluft bei 3 bar Aufbringen einer Druckquelle verwendet, die von Hand betätigt wird. Versorgungs Fluide auf die Kanäle eine Reihe von computergesteuerten Spritzenpumpen. Visualisieren Ansteuerung von Ventilen und Betrieb des Gerätes mit einer hochauflösenden Kamera auf einem inversen Mikroskop angebracht. Verwenden Sie das 5- bis 63X Vergrößerung. 4. Eine Manipulation der Laminar-Flow-Regime durch pneumatische Betätigung Cage Anmerkung: Die fluidische Schicht besteht aus zwei konvergierenden Einlaßkanäle, die 150 um breit sind, zu einem breiteren Hauptkanals 300 & mgr; m in der Breite. Und die Steuerschicht hat eine Reihe von identischen rechteckigen Ventile (250 & mgr; m × 200 & mgr; m), die auf der Oberseite des Hauptfluidkanal angeordnet sind. Nachdem das Set-up zu der Spritzenpumpe und pneumatische Steuerungssystemen verbunden ist, bei einer Strömungsrate von 20 & mgr; l / min eine wässrige Farbstofffluss über einen der Einlasskanäle einzuführen. Schließen Sie das Ventil, indem sie bei 3 bar betätigen. Seien Sie sich bewusst, dass die Flüssigkeit noch um das Ventil fließen kann. Diese Funktion ist wichtig bei der Erreichung kontrollierten chemischen Behandlung von eingeschlossenen Strukturen 18,25 </ Sup>. Öffnen des Ventils durch den Druck freizusetzen. Während die Farbstofflösung durch den ersten Kanal fließt, zu injizieren eine andere wässrige Flüssigkeit in den zweiten Einlaßkanal bei 20 & mgr; l / min. Eine Schnittstelle zwischen zwei wässrigen Strömungen in der Mikrofluidik-Vorrichtung aufgrund der laminaren Strömungsregime vorhanden gebildet. Schließen Sie das Ventil, indem sie bei 3 bar betätigen. In diesem Fall ändert die Betätigung des Ventils die Schnittstelle der beiden wässrigen Ströme; ein Ergebnis , das den synthetischen Reaktionsweg während der Bildung eines CP (vide infra) 18,28 zu modifizieren verwendet werden kann. Ändern der Fluiddurchflussraten bis 30 & mgr; l / min und 10 & mgr; l / min und beobachten die Down- oder bis verschobene der Schnittstelle Führung zwischen den beiden Fluiden erzeugt. 5. Lokalisierung von Mikroteilchen Schließen Sie das hergestellte Doppelschicht-Chip mit der Spritzenpumpe und pneumatische Steuerungssysteme. Vorbereitung einer wässrigen Lösung, die 10 Gew.% Polystyrolfluoreszierender Partikel (5 & mgr; m im Durchmesser, Anregungs- und Emissions max bei 468 nm und 508 nm, jeweils). Verwenden Quelle Laseranregung bei einer Wellenlänge von 488 nm arbeitet. Einzuführen, um die partikelbeladenen Flüssigkeit in die beiden Einlasskanäle mit einer Gesamtströmungsgeschwindigkeit von 20 & mgr; l / min. Warten Sie 2 Minuten, bis eine stabile Strömung einstellt. Actuate das Ventil bei 3 bar um es zu schließen. Mehrere Partikel werden unterhalb des Ventils und lokalisiert auf der Oberfläche eingefangen werden, während die Strömung aufrechterhalten wird. 6. Erzeugung und kontrollierte Reduktion eines Koordinationspolymer (CP) Vorbereiten eines 2,5 mM wässrige Lösung von Silbernitrat (AgNO 3). Bereiten Sie eine 2,5 mM wässrige Lösung von Cystein (Cys). Bereiten Sie eine gesättigte Ascorbinsäure-Lösung in Ethanol 18. Verwenden Sie die gleiche Doppelschicht-Chip und injizieren die beiden Reagenzien in die beiden Einlasskanäle (ein Reagenz pro Einlass), die jeweils mit einer Strömungsgeschwindigkeit von50 & mgr; l / min. Beobachten der Bildung von Silber und Cystein (Ag (I) Cys) CPs an der Schnittstelle von zwei zusammenfließenden dampft. Actuate das Ventil bei 3 bar zu stoppen das gebildete Ag (I) Cys CPs unter dem Ventil. Flush destilliertes Wasser in die Einlasskanäle mit einer Flussrate von 50 ul / min waschen die überschüssigen Reagenzien entfernt während des Syntheseprozesses eingesetzt. Lassen Sie den Druck und das Ventil öffnen. Die erzeugten CPs bleiben unter dem Ventil unter Stopped-Flow-Bedingungen. Um eine kontrollierte chemische Reduktion der eingeschlossenen Ag (I) Cys CPs, lassen Sie die Ventildruck bei 1 bar und spülen Sie die gesättigten Ascorbinsäure-Lösung in Ethanol bei einer Flussrate von 10 & mgr; l / min durchzuführen. Beachten Sie eine klare Farbänderung, die zur Reduktion von Ag (I) zu metallischem Silber (Ag (0)) durch die Ascorbinsäure 18 zurückgeführt wird.

Representative Results

Die Doppelschicht – Mikrofluidik – Vorrichtungen bestehen aus zwei verklebten mikrofluidischen Chips in PDMS strukturiert , wie in 1 gezeigt. Die erste Schicht, die an eine Oberfläche gebunden zugleich ist, verwendet wird , Flüssigkeiten (Flüssigkeitsschicht) zu fließen, während die zweite Schicht, welches direkt mit dem ersten PDMS-Schicht gebunden ist, verwendet wird, um Gas (control layer) fließen. Abbildung 1. Double-Layer – Mikrofluidik – Vorrichtung. (A) Schematische Darstellung und (B) Aufnahme der Doppelschicht – Mikrofluidik – Vorrichtung in unseren Untersuchungen verwendet. Bitte klicken Sie hier , um eine größere Version dieser Figur zu sehen. Einspritzen von Gas durch die Kanäle indie Steuerschicht quetscht die Flüssigkeitsschicht auf der Oberfläche (2A und 2B), so dass Trapping und Lokalisierung von Strukturen auf der mikrofluidischen Kanal Oberfläche. PDMS Membranbetätigungs kann verwendet werden pneumatische Käfige und / oder Mikroventile zu erzeugen, die von einem pneumatischen Steuergerät gesteuert werden. Als beispielhafte Modelle der Membranbetätigungs zeigen wir , wie die vollständige Ablenkung der Fluidschicht eine farbstoffbeladenen Strömung vermeidet unterhalb des Ventils nach der Betätigung (2C) und Einfangen von fluoreszierenden Mikroteilchen auf der Mikrokanaloberfläche (2D und 2E) zu zirkulieren . Abbildung 2. Membranbetätigung und Einfangen von Strukturen. (A) Seite und (B) Draufsicht Darstellungen der Doppelschicht – Mikrofluidik – Vorrichtung zeigt seinVordergrund (oben) und nach (unten) Betätigung des Pneumatikventils. (C) Mikroskopische Aufnahmen einer Doppelschicht – Mikrofluidik – Vorrichtung vor (oben) und nach der Fluidschicht quetschen (unten). In Bodenplatte, die Flüssigkeitsschicht wird für eine bessere Wahrnehmung der Membranbetätigungs mit einer wässrigen Lösung von Rhodamin-Farbstoff gefüllt. (D) Hellfeld – Aufnahmen einer Doppelschicht – Mikrofluidik – Vorrichtung vor (oben) und nach (unten) Betätigung des Ventils mit einer fließenden wässrigen Lösung , die Polystyrol fluoreszierenden Teilchen (10 Gew.%). (E) Fluoreszenzbilder der optischen Mikroskopbilder in D. gezeigt Bitte hier klicken , um eine größere Version dieser Figur zu sehen. 3A veranschaulicht das Einfangen von in situ erzeugten CPs in einem Doppelschicht – Mikrofluidik – Vorrichtung durch ACTUATIon eines pneumatischen Käfig. Beachten Sie, dass eine neue Koordinations Weg nach der Betätigung des ersten Ventils erzeugt wird. Die Ventilbetätigung gewährleistet das Einfangen des Ag (I) Cys CP an der Grenzfläche der beiden Reagenzienströme erzeugt und erleichtert die Bildung einer neuen Koordinationswegs (3A). Eine detaillierte chemische Charakterisierung der Ag (I) Cys CP an der Grenzfläche der beiden Reagenzienströme erzeugt wird, kann in früheren Studien 17,18 gefunden werden. Zusätzlich und nach dem Entfernen der überschüssigen Reagenzien – Lösungen mit einem Fluß von reinem Wasser (3B), eine gesättigte Ascorbinsäure – Lösung in Ethanol kann für eine kontrollierte chemische Reduktion von auf dem Chip eingefangen Strukturen (3C) an den Mikrofluidik – Kanal hinzugefügt werden. Reduktion des Ventildruck von 3 bar auf 1 bar begünstigt eine kontrollierte chemische Behandlung des eingeschlossenen Ag (I) Cys CP unterhalb des geklemmten Bereich 18. Die Farbänderung der eingeschlossenen Ag (I) Cys CPs bis dunkelbraun ist einttributed zur Reduktion von einwertigen Silberion an das Metall, 18,29 in Übereinstimmung mit früheren Beobachtungen. Abbildung 3. Trapping von Ag (I) Cys CPs und kontrollierte chemische Reduktion. (A) Optische Bild Mikroskop das Einfangen eines in situ zeigt synthetisierte Ag (I) Cys CP und die Erzeugung eines neuen Koordinierungs Weg. (B) Mikroskopische Aufnahme der eingeschlossenen CPs unter dem geklemmten Bereich nach dem Entfernen der überschüssigen Reagenzien – Lösungen mit einem Wasserstrom, und in (C), Aufnahme des gleichen Mikroventil nach dem Reduktionsreaktionsprozess. Bitte hier klicken , um eine größere Version zu sehen diese Figur.

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

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	–