متعدد خطوة الطباعة التصويرية متغير الطول لمحكم بصمام متعدد الأجهزة ميكروفلويديك

Summary

Multilayer microfluidic devices often involve the fabrication of master molds with complex geometries for functionality. This article presents a complete protocol for multi-step photolithography with valves and variable height features tunable to any application. As a demonstration, we fabricate a microfluidic droplet generator capable of producing hydrogel beads.

Abstract

Microfluidic systems have enabled powerful new approaches to high-throughput biochemical and biological analysis. However, there remains a barrier to entry for non-specialists who would benefit greatly from the ability to develop their own microfluidic devices to address research questions. Particularly lacking has been the open dissemination of protocols related to photolithography, a key step in the development of a replica mold for the manufacture of polydimethylsiloxane (PDMS) devices. While the fabrication of single height silicon masters has been explored extensively in literature, fabrication steps for more complicated photolithography features necessary for many interesting device functionalities (such as feature rounding to make valve structures, multi-height single-mold patterning, or high aspect ratio definition) are often not explicitly outlined.

Here, we provide a complete protocol for making multilayer microfluidic devices with valves and complex multi-height geometries, tunable for any application. These fabrication procedures are presented in the context of a microfluidic hydrogel bead synthesizer and demonstrate the production of droplets containing polyethylene glycol (PEG diacrylate) and a photoinitiator that can be polymerized into solid beads. This protocol and accompanying discussion provide a foundation of design principles and fabrication methods that enables development of a wide variety of microfluidic devices. The details included here should allow non-specialists to design and fabricate novel devices, thereby bringing a host of recently developed technologies to their most exciting applications in biological laboratories.

Introduction

على مدى السنوات ال 15 الماضية، شهدت على microfluidics كحقل النمو السريع، مع انفجار التكنولوجيات الجديدة التي تتيح التلاعب من السوائل في نطاق ميكرومتر ^1. أنظمة الموائع الدقيقة هي منصات جذابة حصول على وظائف المختبر الرطب لأن كميات صغيرة لديها القدرة على تحقيق زيادة السرعة وحساسية في الوقت نفسه زيادة بشكل كبير الإنتاجية وتخفيض التكاليف من خلال الاستفادة من وفورات الحجم ^{2 و 3.} جعلت متعدد أنظمة الموائع الدقيقة تأثيرات كبيرة لا سيما في الإنتاجية العالية تطبيقات تحليل الكيمياء الحيوية مثل تحليل واحد خلية ^{4، 5، 6،} تحليل جزيء واحد (على سبيل المثال، رقمي PCR ^7)، والبروتين البلورات ^8، عامل النسخ المقايسات ملزمةو "> 9 ^{و 10} و الفحص الخلوي ^11.

وقد كان الهدف الرئيسي من على microfluidics تطوير "مختبر على رقاقة" الأجهزة قادرة على أداء التلاعب الموائعية المعقدة داخل جهاز واحد لمجموع تحليل الكيمياء الحيوية ^12. وقد ساعد تطور تقنيات الطباعة الحجرية الناعمة متعدد الطبقات تحقيق هذا الهدف من خلال تمكين إنشاء صمامات على الرقاقة، خلاطات، ومضخات للتحكم بنشاط السوائل داخل كميات صغيرة ^{13 و 14 و 15.} وعلى الرغم من مزاياها وتطبيقات أظهرت أن العديد من هذه التقنيات ميكروفلويديك تبقى unharnessed إلى حد كبير من قبل المستخدمين غير المتخصصين. وقد تم اعتماد واسع النطاق تحديا ويرجع ذلك جزئيا إلى محدودية فرص الحصول على مرافق التصنيع الدقيق، ولكن أيضا بسبب عدم كفاية الاتصالات تقنيات التصنيع. وهذا ينطبق بشكل خاص FOص أجهزة ميكروفلويديك متعدد الطبقات يضم هياكل للصمامات أو هندستها معقدة: ندرة، معلومات عملية مفصلة حول معلمات تصميم هامة وتقنيات التصنيع غالبا ما يردع الباحثين الجدد عن الإقدام على المشاريع التي تنطوي على تصميم وإنشاء هذه الأجهزة.

تهدف هذه المادة لمعالجة هذه الفجوة المعرفية من خلال تقديم بروتوكول كامل لصنع أجهزة ميكروفلويديك متعدد الطبقات مع الصمامات وميزات ارتفاع متغير، بدءا من المعلمات تصميم وتتحرك من خلال جميع الخطوات تلفيق. من خلال التركيز على الخطوات ضوئيه الأولية للتصنيع، وهذا البروتوكول يكمل البروتوكولات على microfluidics أخرى ¹⁶ التي تصف الخطوات اللاحقة من صب الأجهزة من القوالب وتشغيل تجارب محددة.

وتتكون أجهزة ميكروفلويديك مع صمامات متجانسة على رقاقة من طبقتين: طبقة "تدفق"، حيث يتم التلاعب السائل من الفائدة في الدقيقةالقنوات، وطبقة "السيطرة"، حيث microchannels التي تحتوي على الهواء أو الماء يمكن أن تعدل بشكل انتقائي تدفق السوائل في طبقة تدفق ^14. وكل ملفقة هاتين الطبقتين على سيد السيليكون صب منفصل، والذي يستخدم لاحقا لثنائي ميثيل بولي سيلوكسان (PDMS) صب متماثلة في عملية تسمى "الطباعة الحجرية الناعمة ^17". لتشكيل جهاز متعدد الطبقات، ويلقي كل من طبقات PDMS على الماجستير صب كل منها ومن ثم الانحياز إلى بعضها البعض، وبالتالي تكوين جهاز PDMS مركب مع قنوات في كل طبقة. وتشكل صمامات في المواقع التي تعبر قنوات التدفق والتحكم بعضها البعض وتكون مفصولة فقط غشاء رقيق. الضغط من قناة التحكم ينحرف هذا الغشاء إلى انسداد قناة تدفق وتهجير محليا السائل (الشكل 1).

صمامات النشطة على رقاقة يمكن أن تكون ملفقة بطرق متعددة، اعتمادا على التطبيق النهائي المطلوب. صماماتيمكن تكوين إما في "دفع إلى أسفل" أو "رفع" علم الهندسة، وهذا يتوقف على ما إذا كانت سيطرة طبقة أعلى أو أسفل الطبقة تدفق (الشكل 1) ^15. "ادفع المتابعة" هندستها تسمح الضغوط إغلاق الدنيا واستقرار الجهاز العالي ضد التبطين، في حين أن "دفع إلى أسفل" هندستها تسمح لقنوات تدفق لتكون على اتصال مباشر مع الركيزة المستعبدين، التي تمنح ميزة functionalization انتقائية أو الزخرفة من سطح الركيزة حصول على وظائف في وقت لاحق ^{18 و 19.}

والصمامات ويمكن أيضا أن تكون إما تتسرب عمدا الصمامات "غربال" أو قابل للغلق تماما، اعتمادا على البيانات الشخصية مستعرضة من قناة التدفق. صمامات غربال مفيدة لمحاصرة الخرز، وخلايا أو غيرها macroanalytes ^1، وملفقة من خلال استخدام مقاومات الضوء السلبية النمطية (أي SU-8 سلسلة)، التي هكتارلقد ملامح مستطيلة. عند الضغط قناة السيطرة على هذه المناطق صمام، غشاء PDMS بين وحدة التحكم وطبقة تدفق ينحرف بشكل متساوي في التشكيل الجانبي مستطيلة من صمام دون ختم زوايا، والسماح تدفق السوائل ولكن محاصرة الجسيمات على نطاق والكلى (الشكل 1). على العكس، هي ملفقة الصمامات ميكروفلويديك اغلاقها باحكام بشكل كامل بما في ذلك قطعة صغيرة من مقاومة للضوء مدورة في مواقع صمام. مع هذه الهندسة، الضغط من قناة التحكم ينحرف الغشاء ضد طبقة تدفق مدورة لاغلاق تماما القناة، ووقف تدفق السوائل. يتم إنشاء التشكيلات الجانبية للتقريب في طبقة تدفق عبر ذوبان وانحسر من مقاومة للضوء إيجابي (على سبيل المثال، AZ50 XT أو SPR 220) بعد خطوات ضوئيه نموذجية. لقد أثبتنا سابقا أن آفاق ما بعد إنحسر المناطق صمام تعتمد على أبعاد ميزة اختيار ^21. يوضح هذا البروتوكول تلفيق كلا هندستها صمام معفي جهاز التوليف حبة.

الشكل 1: متعدد الطبقات ميكروفلويديك صمام هندستها. نموذجية "رفع" أبنية الجهاز لغربال وصمامات اغلاقها باحكام تماما قبل (أعلى) وبعد (أسفل) الضغط. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

يمكن أن تشمل أيضا أجهزة ملامح سلبية معقدة مثل خلاطات الفوضى ¹³ وعلى رقاقة المقاومات ²⁰ التي تتطلب ميزات من ارتفاعات مختلفة متعددة داخل طبقة تدفق واحدة. لتحقيق طبقة تدفق ارتفاع متغير، قد استخدمت مجموعات مختلفة العديد من الأساليب بما في ذلك الدوائر المطبوعة مجلس النقش ^22، متعدد الطبقات PDMS محاذاة الإغاثة ^23، أو متعددة الخطوات صhotolithography ^24. وقد وجدت مجموعتنا متعددة الخطوات ضوئيه على الماجستير صب واحد لتكون وسيلة فعالة وقابلة للتكرار. للقيام بذلك، وتوظيف تقنية ضوئيه بسيطة لبناء قنوات سميكة من مقاومة للضوء سلبي (على سبيل المثال، سلسلة مقاومات الضوء SU-8) في طبقات بدون التنمية بين تطبيق كل طبقة. ونسج كل طبقة في مقاومة للضوء سلبي وفقا لسمك باستخدام إرشادات الشركة المصنعة لها ²⁵ على سيد السيليكون. ثم يتم منقوشة ملامح هذا الارتفاع على طبقة باستخدام قناع الشفافية محددة (الشكل 2) الملصقة على لوحة قناع الزجاج والانحياز لطبقة نسج سابقا قبل التعرض. في متعددة الخطوات ضوئيه، والمواءمة الدقيقة بين الطبقات أمر بالغ الأهمية في تشكيل قناة كاملة تدفق ارتفاع متغير. بعد المحاذاة، يخضع كل طبقة إلى بعد التعرض للخبز تعتمد على سمك. بدون تنمية، والطبقة التالية هي سيمنمط ilarly. وبهذه الطريقة، وميزات طويل القامة يمكن أن تراكمت على رقاقة تدفق واحد طبقة تلو طبقة من خلال استخدام أقنعة متعددة. من خلال تخطي التنمية بين كل خطوة، طبقات مقاومة للضوء السابقة يمكن استخدامها لتوليد ميزات ارتفاع المركبة (أي، يمكن أن اثنين من 25 ميكرومتر طبقات جعل 50 ميكرون الميزة) ^24. بالإضافة إلى ذلك، ميزات الطابق قناة مثل خلاط الفوضى الأخاديد متعرجة ¹³ يمكن إجراؤها باستخدام طبقات مع الميزات التي سبق تعرضها. خطوة التطوير النهائي اكتمال عملية، وخلق رقاقة تدفق واحد مع ملامح ارتفاع متغير (الشكل 3).

هنا، يتم توفير بروتوكول الكامل لمتعددة الخطوات ضوئيه يتضمن أمثلة من كافة الإجراءات اللازمة لتصنيع الصمامات على رقاقة وقنوات تدفق بارتفاعات متعددة. ويقدم هذا البروتوكول تلفيق في سياق متعدد الطبقات ميكروفلويديك المزج حبة يتطلب الصمامات وvariabيتميز لو الارتفاع لوظائفه. ويشمل هذا الجهاز T-تقاطعات لتوليد قطرات الماء في غمد النفط و المقاومات على رقاقة لتعديل معدلات التدفق من خلال السيطرة على المقاومة بوازوي، خلاط الفوضى لالمجانسة مكونات قطرة، وكلاهما ختم وغربال تماما صمامات لتمكين سير العمل الآلي التي تنطوي على كاشف متعددة المدخلات. باستخدام متعددة الخطوات ضوئيه، هذه الميزات هي كل ملفقة على طبقة مختلفة وفقا لارتفاع أو مقاومة للضوء. هي التي شيدت الطبقات التالية في هذا البروتوكول: (1) جولة تدفق طبقة صمام (55 ميكرون، AZ50 XT) (2) تدفق منخفضة طبقة (55 ميكرون، SU-8 2050) (3) تدفق طبقة عالية (85 ميكرون، SU- 8 2025، 30 ميكرون ارتفاع مضافة)، و (4) متعرجة الأخاديد (125 ميكرون، SU-8 2025، 40 ميكرون ارتفاع مضافة) (الشكل 3).

حبات هيدروجيل يمكن استخدامها لمجموعة متنوعة من التطبيقات بما في ذلك functionalization السطحي الانتقائي لفحوصات المصب، تغليف المخدرات، راضيotracing والتصوير المقايسات، ودمج الخلية؛ كنا سابقا نسخة أكثر تعقيدا من هذه الأجهزة لإنتاج المشفرة طيفيا الخرز PEG هيدروجيل تحتوي على nanophosphors اللانثينيدات ^20. يتم تضمين التصاميم مناقشتها هنا في موارد إضافية لأي مختبر لاستخدامها في جهودهم البحثية إذا رغبت في ذلك. ونحن نتوقع أن هذا البروتوكول سوف توفر الموارد مفتوحة للمتخصصين وغير المتخصصين المهتمين على حد سواء في صنع أجهزة ميكروفلويديك متعدد الطبقات مع الصمامات أو هندستها معقدة لخفض الحواجز أمام دخول على microfluidics وزيادة فرص النجاح تلفيق.

Protocol

1. متعدد الطبقات تصميم جهاز

ملاحظة: ملامح من المرتفعات و / أو مقاومات الضوء مختلفة ويجب أن يضاف بالتتابع إلى الرقاقة خلال خطوات تصنيع مختلفة لإنشاء ميزات مركب النهائية. لذلك، لتصاميم كل ارتفاع منفصل ومقاومة للضوء التي ستدرج على رقاقة يجب أن تكون مطبوعة على قناع الخاصة بهم (الشكل 4).

1. تحميل تصميم (CAD) برنامج صياغة بمساعدة الحاسوب (على سبيل المثال، أوتوكاد النسخة التعليمية).
2. تحديد "منطقة رقاقة عن طريق رسم 4" 4 الدائرة. وتقدم تصاميم رقاقة (الشكل 4، موارد إضافية) كمثال.
3. داخل "مخطط رقاقة 4، مكان جهاز الحدود باستخدام 300 ميكرون المستطيلات شكل متعدد الخطوط. استخدام هذه الحدود جهاز للمحاذاة خلال ضوئيه.
4. خلق طبقات مختلفة لكل ارتفاع مختلفة أو مقاومة للضوء اللازمة للتصميم النهائي (أي الجولة التدفق، وتدفق منخفضة، وتدفق عالية،والتحكم في التصميم) باستخدام لوحة الطبقات.
   1. ميزات تصميم الارتفاع المطلوب بشكل خاص على الطبقة المقابلة. تصميم سبيل المثال يظهر 4 طبقات نشطة مختلفة، ولكل منها لونه الخاص (الشكل 4).
      ملاحظة: يجب أن يتم الحدود الأجهزة، النص العالمي، ومخطط رقاقة على طبقة خاصة بهم (أي 1-سلبي في التصاميم)، والتي، في وقت لاحق، وسوف تظهر على جميع طبقات للمحاذاة العالمية. ملامح مقاومة للضوء مختلفة (مثل صمامات اغلاقها باحكام تماما أن يجب أن تكون ملفقة مع إيجابية تقاوم) يجب أن تظهر على طبقات مختلفة، بغض النظر عن الارتفاع.
5. باستخدام أغلقت الخطوط المتعددة الصفر العرض، ميزات الجهاز تصميم داخل حدود الجهاز.
   1. النظر في معايير التصميم في الجدول رقم 1 لزيادة فرص تصنيع ناجحة.
   2. لكل ارتفاع، حدد تلك الطبقة في لوحة الطبقات وإضافة كافة الميزات من هذا الارتفاع.
6. جاهزتصاميم للطباعة الشفاف باستخدام قناع الملف الأساسي (موارد إضافية) حيث "يتم إدخال دائرة رقاقة ضمن 5" كل 4 الحدود مستطيلة. ستتم طباعة كل طبقة على طبقة الشفافية منفصل لإضافة متتابعة من كل طبقة مقاومة للضوء.
   ملاحظة: يمثل هذا قناع الملفات الأساسية التصاميم النهائية المستخدمة للطباعة.
   1. لاستكمال تصميم، وتحويل جميع الطبقات قبالة باستثناء 1-سلبي، وطبقة صمام AZ50 XT. نسخ رقاقة كامل مع الطبقة النشطة (أي صمامات) والميزات العالمية (أي، حدود الجهاز).
   2. فتح ملف قناع الأساسي ولصق هذا التصميم في المستطيل بعنوان صمامات AZ50 XT. استخدام الحدود رقاقة الخارجي للمحاذاة، وبعد ذلك قم بحذفه بعد اللصق.
   3. أكرر لبقية الطبقات (على سبيل المثال، في المثال تصميم: انخفاض تدفق مربع، وتدفق عالية مربع، والسيطرة). وتقدم ملفات مثال الشفافية (موارد إضافية).
   4. إرسال الملفات إلى كومشركة mercial الطباعة (على سبيل المثال، تركية FINELINE التصوير) للطباعة على الفيلم الشفافية. استخدام 32،000 DPI للطباعة> 10 ميكرون الميزات ويصل إلى 50،000 DPI لميزات أصغر. إذا كانت هناك حاجة ميزات أقل من 7 ميكرون، أن تأمر بإجراء قناع كروم بدلا من فيلم الشفافية.

الجدول 1: معلمات تصميم واقتراحات. تصميم الاعتبارات لتجنب الأخطاء الشائعة أثناء عملية تصميم CAD الأجهزة ميكروفلويديك. الرجاء انقر هنا لعرض هذا الجدول. (انقر بزر الماوس الأيمن للتحميل.)

2. إعداد ويفر لالطباعة التصويرية

ملاحظة: تظهر هذه الخطوات بالإضافة إلى ذلك في الجدول الشكل في الجدول 2.

1. في غرف الأبحاث أو منطقة نظيفة المعين ونظيفة ويذوى 4 "اختبار الصف رقاقة السيليكون (أحادية الجانب صolished).
   1. شطف الرقاقة بشكل جيد مع الميثانول.
      ملاحظة: هناك حاجة إلى خطوات لا مزيد من التنظيف في حالة استخدام طبقة التصاق SU-8 هو موضح أدناه. طبقات التصاق الأخرى التي تحيد عن هذا البروتوكول (على سبيل المثال، HMDS) غالبا ما تتطلب تنظيف أكثر شمولا، مثل النقش سمكة البيرانا.
   2. ضربة الجافة مع N ₂ أو الهواء المضغوط.
   3. خبز على موقد الألومنيوم في درجة حرارة 95 درجة مئوية لمدة 10 دقيقة لتتبخر تماما المذيبات.
2. افتعال موحدة 5 ميكرون طبقة سميكة من SU-8 2005 لتحسين التصاق للطبقات مقاومة للضوء لاحقة.
   1. وضع رقاقة تنظيفها على المغطي تدور، بدوره على فراغ ليضعوا لها تشوك تدور، وضربة بعيدا الغبار مع N ₂ أو الهواء المضغوط.
   2. تطبيق 1-2 مل من SU-8 2005 مقاومة للضوء سلبي في وسط رقاقة وتدور على النحو التالي: انتشار: 500 دورة في الدقيقة، 10 ثانية و 133 دورة في الدقيقة / ق تسارع؛ يلقي: 3000 دورة في الدقيقة، 40 ثانية، 266 دورة في الدقيقة / ق تسارع.
   3. إزالة رقاقةوتخبز لينة عن طريق التحول رقاقة بين اثنين من سخانات وضعت في 65 درجة مئوية و 95 درجة مئوية وفقا للبرنامج التالي: 65 درجة مئوية: 2 دقيقة، 95 ° C: 3 دقائق، 65 ° C: 2 دقيقة.
   4. تسمح الرقاقة لتبريد لRT.
   5. وضع رقاقة في ظرف من الأشعة فوق البنفسجية قناع اليجنر وفضح دون قناع ( 'التعرض للفيضانات') لمجموع ترسب الطاقة من 124 ميغا جول (هنا، و 20 ثانية في ~ 6.2 ميغاواط / سم ² مصباح كثافة). إذا كان متوفرا، حدد وسيلة الاتصال الصعب تحقيق رقاقة 300 ميكرون: قناع الانفصال.
   6. إزالة رقاقة وخبز بعد التعرض عن طريق التحول الرقاقة بين اثنين من سخانات وضعت في 65 درجة مئوية و 95 درجة مئوية على النحو التالي: 65 درجة مئوية: 2 دقيقة، 95 ° C: 4 دقائق، 65 ° C: 2 دقيقة.

افتعال مدور صمامات

3. استخدام الانترنت AZ50 XT صمام مؤشرا الموارد ²⁶ إلى خطة سرعات الدوران لأبعاد صمام المطلوب والمرتفعات.
   ملاحظة: الخطوات التالية ديبوالجلوس طبقة 55 ميكرون من مقاومة للضوء إيجابي للتعريف صمام والتقريب إنحسر.
4. وضع رقاقة على المغطي تدور، تشغيل فراغ ليضعوا لها تشوك تدور، وضربة بعيدا الغبار مع N ₂ أو الهواء المضغوط.
5. تطبيق 2-3 مل من AZ50 XT مقاومة للضوء إيجابي إلى مركز للرقاقة. تدور على النحو التالي: انتشار: 200 دورة في الدقيقة، 10 ثانية و 133 دورة في الدقيقة / ق تسارع. المدلى بها: 1200 دورة في الدقيقة، 40 ثانية، 266 دورة في الدقيقة / ق تسارع. التقط تدور لإزالة حافة حبة: 3400 دورة في الدقيقة، 1 ثانية، 3400 دورة في الدقيقة / ق تسارع.
6. في 5 "طبق بيتري، وضع رقاقة بعناية والسماح الاسترخاء لمدة 20 دقيقة.
7. خبز لينة الرقاقة على موقد: 65 ° C - 112 درجة مئوية، 22 دقيقة، 450 درجة مئوية / ساعة سرعة التعلية.
8. إزالة الرقاقة والسماح راحة بين عشية وضحاها في RT في طبق بيتري لمعالجة الجفاف المحيط.
9. الشريط جولة تدفق قناع الشفافية إلى 5 "لوحة من الزجاج الطباعة الجانب السلبي (الأقرب إلى رقاقة) وتحميل إلى مناور قناع اليجنر قناع للأشعة فوق البنفسجية. فضح الرقاقة إلى 930 ميغا جول من الأشعة فوق البنفسجية في 6 دورات ( على سبيل المثال، 6 دورات من 25 ثانية في ~ 6.2 ميغاواط / سم ² مصباح كثافة، 30 ثانية تنتظر الوقت بين التعرض).
10. تطوير رقاقة على الفور من قبل الغطس في حمام أثار من 25 مل من AZ500k 1: 3 المطور في طبق 6 "الزجاج لمدة 3-5 دقائق أو حتى يتحول حمام الأرجواني والميزات في الظهور.
    1. إزالة الرقاقة وشطف جيدا بالماء DI.
    2. تقييم ارتفاع قبل إنحسر باستخدام profilometer (قوة القلم 10.5 ملغ).
       ملاحظة: تشغيل profilometer وفقا لتعليمات الشركة الصانعة، وتحديد المواقع بدقة القلم قوة بجانب قناة ميزة على طبقة المطلوب قبل التنميط. كانت الإعدادات المستخدمة في هذا البروتوكول ما يلي: قوة القلم 10.5 ملغ، طول 1000 ميكرون، وسرعة 200 ميكرون / ثانية، نظام أسفل المتابعة.
11. إنحسر الصعب خبز الرقاقة لإذابة والميزات صمام الجولة على النحو التالي: 65 درجة مئوية - 190 ° C، 15 ساعة، 10 ° C / ساعة سرعة التعلية.
12. دع بارد ويفر إلى RT. تقييم ارتفاع بعد إنحسر باستخدام بروفيlometer (قوة القلم 10.5 ملغ). ينبغي أن يتوقع مرتفعات 55 ميكرومتر ± 2 ميكرون لهذه الهندسة الجهاز.

3. افتعال الميزات ارتفاع متغير في جنبا الى جنب

1. انتقل إلى تلفيق ارتفاع متغير مع رقاقة المتقدمة مع انخفاض تدفق، تدفق عالية ومتعرجة خلاط الشفاف من تصميم الخرزة مركب.
2. لضبط بروتوكول للتصاميم، استخدم ورقة بيانات تصنيع ²⁵ لتحديد الطاقة التعرض، وسرعة الدوران والمعلمات الوقت خبز، والسماح ل± 5٪ التسامح.
   ملاحظة: هذا البروتوكول تلفيق 55 ميكرون تدفق طويل القامة طبقة منخفضة باستخدام SU-8 2050 مقاومة للضوء سلبي نسج على ميزات صمام.
3. وضع رقاقة تنظيفها على المغطي تدور، بدوره على فراغ ليضعوا لها تشوك تدور، وضربة بعيدا الغبار مع N ₂ أو الهواء المضغوط.
   1. تطبيق 1-2 مل من SU-8 2050 مقاومة للضوء سلبي إلى مركز للرقاقة وتدور على النحو التالي: انتشار: 500 دورة في الدقيقة، 10 ثانية و 133 دورة في الدقيقة التسارع / ثانية؛ يلقي: 3000 دورة في الدقيقة، 40 ثانية، 266 دورة في الدقيقة / تسريع ثانية. تدور مقاوم الضوء على الميزات صمام المتقدمة.
4. وضع بعناية الرقاقة نسج في 5 "طبق بيتري والسماح الاسترخاء لمدة 20 دقيقة على سطح مستو أو حتى أي تسليط الضوء على أنماط تتلاشى.
5. إزالة الرقاقة وتخبز لينة عن طريق وضع على اثنين من سخانات وضعت في 65 درجة مئوية و 95 درجة مئوية على النحو التالي: 65 درجة مئوية: 2 دقيقة، 95 ° C: 8 دقيقة، 65 ° C: 2 دقيقة.
6. تسمح الرقاقة لتبريد لRT.
7. الشريط تدفق قناع منخفضة الشفافية لالكوارتز 5 "لوحة من الزجاج الطباعة الجانب السلبي (الأقرب إلى رقاقة) وتحميل في مناور قناع اليجنر قناع للأشعة فوق البنفسجية.
8. وضع رقاقة في قناع للأشعة فوق البنفسجية اليجنر تشوك و، وذلك باستخدام العدسة المجهر أو الكاميرا، محاذاة بعناية تدفق ملامح طبقة منخفضة جديدة لتدفق جولة ميزات طبقة صمام. تبدأ عن طريق مواءمة الأفقية، المحاور العمودية والميل للحدود الجهاز إلى ملامح الحدود الجهاز على قناع. بعد ذلك، محاذاة ميزات عبر الشعر الرهانطبقات وين. وأخيرا، تأكد من الميزات صمام تتقاطع تدفق منخفضة يتميز حيثما ينطبق ذلك.
9. فضح إلى 170 ميغا جول للأشعة فوق البنفسجية ترسب (28 ثانية في ~ 6.2 ميغاواط / سم ^2).
10. إزالة الرقاقة وبعد التعرض للخبز عن طريق التحول بين اثنين من سخانات وضعت في 65 درجة مئوية و 95 درجة مئوية على النحو التالي: 65 درجة مئوية: 2 دقيقة، 95 ° C: 9 دقائق، 65 ° C: 2 دقيقة.
11. دون تطوير، والسماح للرقاقة لتبريد لRT، والشروع في تصنيع تدفق طبقة عالية. وهذا التدفق طبقة عالية إضافة 30 ميكرون من مقاومة للضوء لغير المطورة طبقة مقاومة للضوء 55 ميكرون لانتاج 85 ميكرون الميزات في مواقع غير معلن سابقا.
12. كرر الخطوات من 3،3-3،10 استخدام SU-8 2025 وتدفق قناع عالية طبقة مع هذه التعديلات لإعدادات معطف تدور: انتشار: 500 دورة في الدقيقة، 10 ثانية و 133 دورة في الدقيقة / ق تسارع. يلقي: 3500 دورة في الدقيقة، 40 ثانية، 266 دورة في الدقيقة / تسريع ثانية.
    1. فضح إلى 198 ميغا جول للأشعة فوق البنفسجية ترسب (32 ق في ~ 6.2 ميغاواط / سم ^2).
13. دون develoبينغ، والسماح للرقاقة لتبريد لRT، والشروع في تصنيع طبقة الفوضى خلاط متعرجة. سوف ملامح النهائية في هذه الطبقة لديهم ارتفاع إجمالي 125 ميكرون: 55 ميكرون من طبقة منخفضة التدفق، 30 ميكرون من طبقة ساحة التدفق، و 40 ميكرون من هذه الطبقة الفوضى خلاط متعرجة (انظر الشكل 3)، وتشمل 35 الأخاديد ميكرون متعرجة .
14. كرر الخطوات من 3،3-3،10 استخدام SU-8 2025 وقناع طبقة زخرف متعرج مع إجراء التعديلات التالية، وضمان أن الأخاديد متعرجة هم تماما داخل الخطوط العريضة لتدفق عالية القناة.
    1. استخدام البرنامج خبز لينة التالية: 65 ° C: 2 دقيقة، 95 ° C: 7 دقيقة، 65 ° C: 2 دقيقة.
    2. فضح إلى 148 ميغا جول للأشعة فوق البنفسجية ترسب (24 ق في ~ 6.2 ميغاواط / سم ^2).
15. بعد أن تم الانتهاء من جميع الطبقات، وتطوير بغمر رقاقة في حمام أثار من 25 مل من SU-8 المطور في طبق 6 "الزجاج لمدة 3.5 دقيقة أو حتى ملامح تظهر بشكل واضح. تأكد من أن الملامحوفاق لديهم واضحة، والحدود ميزة محددة باستخدام المجسام.
16. من الصعب خبز الرقاقة لتحقيق الاستقرار في كافة الميزات مقاوم الضوء على طبق ساخن على النحو التالي: 65 ° C - 165 درجة مئوية، 2 ساعة و 30 دقيقة، و 120 درجة مئوية / ساعة سرعة التعلية.
17. تقييم ارتفاع ميزة في كل طبقات باستخدام profilometer (قوة القلم 10.5 ملغ).

4. مراقبة تصنيع الشرائح

1. نظيفة، يذوى، وافتعال طبقة التصاق 5 ميكرون على الجديد رقاقة 4 "السيليكون كما هو الحال في القسم 4.
2. افتعال طبقة 25 ميكرون للسيطرة على استخدام SU-8 2025 مقاومة للضوء سلبي.
3. وضع رقاقة على المغطي تدور، تشغيل فراغ ليضعوا لها تشوك تدور، وضربة بعيدا الغبار مع N ₂ أو الهواء المضغوط.
4. تطبيق 1-2 مل من SU-8 2025 مقاومة للضوء سلبي في وسط رقاقة وتدور على النحو التالي: انتشار: 500 دورة في الدقيقة، 10 ثانية و 133 دورة في الدقيقة / ق تسارع. يلقي: 3500 دورة في الدقيقة، 40 ثانية، 266 دورة في الدقيقة / تسريع ثانية.
5. إزالة الرقاقة وتخبز لينة عن طريق التحول بينتعيين اثنين من سخانات عند 65 درجة مئوية و 95 درجة مئوية على النحو التالي: 65 درجة مئوية: 2 دقيقة، 95 ° C: 5 دقيقة، 65 ° C: 2 دقيقة.
6. تسمح الرقاقة لتبريد لRT.
7. محاذاة قناع السيطرة الشفافية إلى "لوحة 5 الزجاج وتحميل إلى اليجنر قناع للأشعة فوق البنفسجية.
8. وضع رقاقة في ظرف من الأشعة فوق البنفسجية قناع اليجنر وفضح إلى 155 ميغا جول للأشعة فوق البنفسجية ترسب (25 ثانية في ~ 6.2 ميغاواط / سم ² مصباح كثافة).
9. إزالة الرقاقة وبعد التعرض للخبز عن طريق التحول بين اثنين من سخانات وضعت في 65 درجة مئوية و 95 درجة مئوية على النحو التالي: 65 درجة مئوية: 2 دقيقة، 95 ° C: 6 دقيقة، 65 ° C: 2 دقيقة.
10. تطوير بغمر رقاقة في حمام أثار من 25 مل من SU-8 المطور في 6 "صحن من الزجاج لمدة 1 دقيقة أو حتى ملامح تظهر تحقق الميزات باستخدام المجسام.
11. من الصعب خبز الرقاقة لتحقيق الاستقرار ميزات مقاومة للضوء على النحو التالي: 65 درجة مئوية - 165 ° C، 2 ساعة و 30 دقيقة، و 120 درجة مئوية / ساعة سرعة التعلية.

5. سيلاني العلاج ويفر لمن السهل PDMS ليفت-سوما يليها

1. وضع رقائق الانتهاء منها في رف رقاقة داخل فراغ مجفف جرس جرة داخل غطاء الدخان خالية من الكواشف الماء أو للذوبان في الماء.
2. تحت غطاء محرك السيارة، واستخدام القطارة لتطبيق 1 قطرة من ثلاثي كلورو (إتش 1 إن 1 H، 2 H، 2 H -perfluorooctyl) سيلاني (PFOTS) لشريحة زجاجية ومكان داخل المجفف.
3. إغلاق الغطاء المجفف وتطبيق فراغ لمدة 1 دقيقة.
4. بعد 1 دقيقة، وإيقاف فراغ دون إعادة الضغط أو إخلاء جرس جرة.
5. دعونا نجلس الخليط لمدة 10 دقيقة في حين سطح PFOTS رذاذ المعاطف رقاقة.
6. فتح جرس جرة غطاء وإزالة الرقاقة باستخدام الملقط. ضع في طبق بيتري لPDMS صب متماثلة. التخلص من الشرائح المغلفة سيلاني في النفايات الخطرة المناسبة.
   ملاحظة: ويفر المغلفة مع silanes المفلورة يمكن استخدام مئات الآلاف من المرات من إعادة معالجتها. وهناك طبقة الأضاحي من 1:10 PDMS يمكن أن يلقي في الرقائق، وعلاجه، والتخلص منها بعد العلاج سيلاني الأولى لإزالة همجموعة سيلاني xcess من سطح الرقاقة.

6. PDMS طبق الاصل صب

1. صنع أجهزة ميكروفلويديك متعدد الطبقات في الهندسة "رفع" على الزجاج وفقا لبروتوكولات الوصول المفتوح القائم ^(16).
   ملاحظة: بالإضافة إلى ذلك يمكن الاطلاع على بروتوكول مفصلة على الموقع ^27.
2. عن طريق التفتيش البصري، وضمان تتماشى جميع الصمامات بشكل صحيح للسيطرة على خطوط وجميع مداخل (على كل من التدفق والسيطرة طبقات) واللكم بشكل كامل قبل المتابعة.

7. إنتاج هيدروجيل الخرز من القطرات

1. ربط الأنابيب (على سبيل المثال، Tygon) محملة المياه إلى نظام التحكم في التدفق (على سبيل المثال، مضخات الحقنة، وحدات تحكم الموائعية، أو مفتوحة المصدر صمام الملف اللولبي مجموعة مع الخزانات ^28).
2. ربط مسامير معدنية لأنابيب والاتصال منافذ الجهاز في مداخل خط السيطرة. الضغط على خطوط التحكم في الجهاز عن طريق تعيين تابع تدفقنظام رول الاختيار إلى 25 رطل لكل خط. تأكد من أن الصمامات وثيقة وإعادة فتح طريق التفتيش تحت المجهر.
   ملاحظة: اتبع تعليمات الشركة الصانعة لنظام التحكم في التدفق في الاختيار. في هذا العمل، ونظام هوائي تسيطر برمجيات مخصصة ينطبق الضغط على كل سطر باستخدام صمامات الملف اللولبي أن تبديل بين 25 رطل الهواء المضغوط (الضغط) والضغط الجوي (ينخفض ​​ضغطها). التفاصيل حول هذا النظام يمكن العثور عليها في مناقشة.
3. إعداد أوعية الضغط ميكروفلويديك مخصصة للكاشف وتحميل النفط.
   1. عن طريق دفع دبوس، لكمة اثنين من الثقوب في الجزء العلوي من أنبوب قارورة المبردة، تضاف الشعرية نظرة خاطفة الأنابيب في فتحة واحدة، وإدراج مسمار معدني متصل الأنابيب في الحفرة الثانية.
   2. ختم الأنابيب في مكان مع الايبوكسي. اسمحوا الجافة لمدة 1 ساعة.
4. في الوقت الذي تنتظر، في أنبوب microcentrifuge، بتعليق 3.9 ملغ من photoinitiator LAP إلى 100 ميكرولتر من المياه DI ([LAP] = 39 ملغ / مل) لإعداد photoinitiatorحل تستخدم لالبلمرة قطرات إلى هيدروجيل الخرز. احم من الضوء.
5. في أنبوب microcentrifuge الثاني، إضافة 132 ميكرولتر المياه DI و 172 ميكرولتر PEG diacrylate، 12 حل LAP ميكرولتر و 85 ميكرولتر العازلة HEPES لجعل حل هيدروجيل قطرة.
6. نقل الحل هيدروجيل قطرة في وعاء أنبوب المبردة الانتهاء.
   ملاحظة: إضافات لتطبيقات أخرى مثل البلورات النانوية، الجسيمات المغناطيسية أو الجزيئات البيولوجية يمكن ادراجها ضمن المكون HEPES.
7. توصيل أنابيب للسفينة أنبوب المبردة لمصدر الضغط يمكن السيطرة عليها وتوصيل أنابيب نظرة خاطفة إلى مدخل كاشف الجهاز.
8. إعداد 10 مل من زيت معدني خفيف مع 2٪ ت / ت السطحي غير أيوني (على سبيل المثال، سبان 80) و 0.05٪ EM90 لمستحلب قطرات النفط. تصفية باستخدام 0.22 ميكرون تصفية حقنة وتحميل 1 مل في وعاء الثانية أنبوب المبردة.
9. إدراج نظرة خاطفة أنابيب في منفذ جهاز لجمع قطرات.
10. إزالة bubbl الهواءوفاق من الجهاز عن طريق الضغط على النفط والمياه، أو PEG مداخل خليط (الضغط التشغيلي 4 رطل). بدوره على جميع الصمامات. تحويل بالتسلسل من كل صمام في مسار السائل بعد 1 دقيقة أو حتى تعم فقاعات الهواء من خلال الجهاز PDMS. على سبيل المثال، لإزالة فقاعة خلاطات متعرجة، تشغيل صمامات مدخل 1، اخلطي 1 خارجا، والنفايات ميكس. ثم أزال الضغط مدخل 1، مزيج 1 خارجا، والنفايات مزيج حتى تختفي جميع الفقاعات.
11. عند repressurized الجهاز بعد debubbling، أزال الضغط صمام النفط RO1 ومجموعة ضغط الزيت إلى 10 رطل.
12. تعيين PEG ضغط خليط إلى 9 رطل، depressure صمامات المنبع (مدخل 1، قطرات 1) وتعديل عند الضرورة لإنتاج قطرات من الحجم المطلوب. حجم القطيرات يمكن تحديد طريق الفحص المجهري باستخدام كاميرا مع 50 إطارا في الثانية أو أعلى.
13. عندما استقرت قطرات، ضع نقطة 5 مم من مصدر ضوء الأشعة فوق البنفسجية (على سبيل المثال، نظام الأشعة فوق البنفسجية بقعة علاج مع دليل السائل ضوء (LLG) أو الصمام الأشعة فوق البنفسجية تركيزا) على المنطقة البلمرة من دevice وتطبيق 100 ميغاواط / سم ² للأشعة فوق البنفسجية (365 نانومتر) من مصدر للأشعة فوق البنفسجية.
14. ضغط حبة غربال صمام لمشاهدة حبات بلمرة جمع والتأكد من قطرات وتصلب في الخرز. ضبط LLG حسب الضرورة لتحقيق البلمرة كاملة.
15. أزال الضغط حبة غربال صمام وجمع حبات في أنبوب من خلال أنابيب نظرة خاطفة منفذ.

النتائج

هنا، علينا أن نظهر تلفيق المزودة بصمامات، ارتفاع متغير قوالب ميكروفلويديك متعدد الطبقات عن طريق أجهزة قادرة على توليد بولي إيثيلين غليكول (PEG) حبات هيدروجيل من قطرات (الشكل 2). يتم تضمين لمحة عامة عن عملية تلفيق كاملة في الشكل ...

Discussion

يوضح هذا العمل بروتوكول ضوئيه متعددة الخطوات الكامل لجهاز ميكروفلويديك متعدد الطبقات مع الصمامات وارتفاع الهندسة المتغيرة التي يمكن ضبطها لأي تطبيق مع تعديلات بسيطة لمعلمات تلفيق استنادا لدينا أداة على الانترنت ²⁶ والشركة المصنعة تعليمات ^25.

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
Materials
Mylar Transparency Masks, 5"	FineLine Plotting
5" Quartz Plates	United Silica	Custom
4" Silicon Wafers, Test Grade	University Wafer	452
SU8 2005, 2025, 2050 photoresist	Microchem	Y111045, Y111069, Y111072
Az50XT	Integrated Micromaterials	AZ50XT-Q
SU8 Developer	Microchem	Y020100
AZ400K 1:3 Developer	Integrated Micromaterials	AZ400K1:3-CS
Pyrex 150 mm glass dish	Sigma-Aldrich	CLS3140150-1EA
Wafer Petri Dishes, 150 mm	VWR	25384-326
Wafer Tweezers	Electron Microscopy Sciences (EMS)	78410-2W
Trichloro(1H,1H,2H,2H-perfluorooctyl)silane (PFOTS)	Sigma-Aldrich	448931-10G
2" x 3" glass slides	Thomas Scientific	6686K20
RTV 615 elastomeric base and curing agent PDMS set	Momentive	RTV615-1P
Tygon Tubing, 0.02" O.D.	Fischer Scientific	14-171-284
Capillary PEEK tubing, 510 μm OD, 125 μm ID	Zeus	Custom	360 μm PEEK is readily available by Idex (catalog number: 1571)
Cyro 4 ml tube	Greiner Bio-One	127279
Epoxy, 30 min	Permatex	84107
Metal Pins, 0.025" OD, .013" ID	New England Small Tube	NE-1310-02
Poly(ethylene glycol) diacrylate, Mn 700	Sigma-Aldrich	455008-100ML
Lithium Phenyl(2,4,6-trimethylbenzoyl)phosphinate photoinitator	Tokyo Chemical Industry Co.	L0290	We typically synthesize LAP in-house.
HEPES	Sigma-Aldrich	H4034-25G
Light mineral oil	Sigma-Aldrich	330779-1L
Span-80	Sigma-Aldrich	85548
ABIL EM 90	UPI Chem	420095
Name	Company	Catalog Number	Comments
Equipment	Equivalent equiptment or homebuilt setups will work equally as well
Mask Aligner	Karl Suss	MA6
Profilometer	KLA-Tencor	Alpha-Step D500
Spin Coater	Laurell Technologies	WS-650-23	Any spincoater can be used that accepts 100 mm wafers
Vacuum Dessicator, Bell-Jar Style	Bel-Art	420100000
Oven	Cole-Palmer	WU-52120-02
UV Spot Curing System with 3 mm LLG option	Dymax	41015	UV LEDs, Xenon Arc Lamps, or other UV sources of the same intensity work equally as well
MFCS Microfluidic Fluid Control System	Fluidgent	MFCS-EZ	Syringe pumps, custom pneumatics or other control systems can also be used
Automated control scripting	MATLAB
Hotplate	Tory Pines Scientific	HP30	Any hotplate with uniform heating (i.e., aluminum or ceramic plates) will suffice.