פוטו-ליתוגרפיה גובה רב שלבי משתנה עבור Valved רב שכבתי מכשירים microfluidic

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

במשך 15 השנים האחרונות, מיקרופלואידיקה כשדה עברה צמיחה מהירה, עם פיצוץ של טכנולוגיות חדשות המאפשרות המניפולציה של נוזלים בקנה מידת מיקרומטר ^1. מערכות microfluidic הן פלטפורמות אטרקטיביות עבור פונקציונליות מעבדה רטובות משום בנפחים הקטנים יש את הפוטנציאל לממש מהירות רגישות מוגברות בעוד באותו הזמן להגדיל את תפוקה באופן דראמטי והפחתת עלות ידי מינוף יתרונות לגודל ^{2, 3.} מערכות microfluidic רב שכבתי הפכו השפעות משמעותיות במיוחד ביישומים לאנליזה ביוכימית תפוקה גבוהה כגון ניתוח תא בודד ^{4, 5, 6,} ניתוח מולקולה בודדת (למשל, דיגיטלי PCR ^7), קריסטלוגרפיה חלבון ^8, גורם שעתוק מבחני מחייבf "> ^{9, 10,} ו ^-11 הקרנה הסלולר.

יעד מרכזי של מיקרופלואידיקה כבר פיתוח של "מעבדה על שבב" מכשירים המסוגלים לבצע מניפולציות fluidic מורכב בהתקן יחיד לאנליזה ביוכימית סך ^12. פיתוח טכניקות ליתוגרפיה רכה רבה שכבתיות סייע לממש מטרה זו בכך שהיא מאפשרת יצירה של שסתום על-שבב, מיקסרים, ומשאבות לשליטת נוזלים באופן פעיל בתוך בנפחים קטנים ^{13, 14, 15.} למרות היתרונות שלהם ויישומים הפגינו, רב של טכנולוגיות microfluidic אלה להישאר חסרי גבולות בעיקר על ידי משתמשים שאינם מומחים. אימוץ נרחב כבר מאתגר בין השאר בשל גישה מוגבלת למתקנים microfabrication, אלא גם בשל תקשורת לקויה של טכניקות ייצור. הדבר נכון במיוחד FOr מכשירי microfluidic multilayer שמציעים מבנים עבור שסתומים או גיאומטריות מורכבות: מיעוט המידע מפורט, מעשי על פרמטרי עיצוב חשובים וטכניקות ייצור לעתים קרובות מרתיע חוקרים חדשים מן היציאה בפרויקטי העיצוב והיצירה של מכשירים אלה.

מאמר זה נועד לתת מענה לפער בידע זה על ידי הצגת פרוטוקול מלא להכנת התקני microfluidic multilayer עם שסתומים ותכונות גובה משתנות, החל פרמטרי עיצוב ומרגשים דרך כל שלבי הייצור. על ידי התמקדות על מדרגות photolithography הראשוניות של ייצור, פרוטוקול זה משלים פרוטוקולים מיקרופלואידיקה אחרים ¹⁶ מתארות צעדים במורד זרם של ליהוק התקנים מתבניות והפעלת ניסויים ספציפיים.

מכשירים microfluidic עם שסתומים על שבב מונוליטי מורכבים משתי שכבות: שכבה "זרימה", שבו נוזל עניין היא מניפולציה במיקרוערוצים, ושכבה "שליטה", שבו microchannels המכיל אוויר או מים יכול לווסת את נוזל זרימת סלקטיבי בשכבת הזרימה ^14. שתי שכבות אלה כל מפוברק על מאסטר דפוס סיליקון נפרד, אשר ממשמש לאחר מכן עבור polydimethylsiloxane (PDMS) דפוס העתק בתהליך הנקרא "ליתוגרפיה רך ^17". כדי ליצור מכשיר multilayer, בכל אחת משכבות PDMS נוצקו על אדוני הדפוס שלהם, ואז התאים לזה, וכך נוצר מכשיר PDMS מרוכבים עם ערוצים בכל שכבה. שסתום נוצרים במקומות בם ערוצי זרימה ושליטה לחצות אחד אחרת והם מופרדים על ידי קרום דק בלבד; שמירת לחץ קבוע של ערוץ הבקרה מסיטה קרום זה כדי לחסום את ערוץ הזרימה מקומית לעקור את הנוזל (איור 1).

על-שבב Active שסתום יכול להיות מפוברק במגוון דרכים, בהתאם ליישום הסופי הרצוי. שסתוםניתן מוגדר באחת גיאומטריה "לדחוף למטה" או "לדחוף מעלה", תלויים אם שכבת השליטה היא מעל או מתחת לשכבת הזרימה (איור 1) ^15. "Push למעלה" גיאומטריות לאפשר לחצי סגירה נמוכים ויציבות מכשיר התחזקה כנגד delamination, בעוד "לדחוף למטה" גיאומטריות לאפשר את ערוצי הזרימה להיות בקשר ישיר עם המצע המלוכד, המקנה את היתרון של functionalization או דפוסים סלקטיבית של פני המצע עבור פונקציונליות מאוחר יותר ^{18, 19.}

שסתום גם יכול להיות "מסנן" שסתום דולף בכוונה או סגר מלא, בהתאם לפרופיל החתך של ערוץ הזרימה. שסתומים מסננים שימושיים השמנה חרוזים, תאים או macroanalytes אחרים ^1, ו מיוצרים באמצעות השימוש photoresists השלילי הטיפוסי (כלומר, SU-8 בסדרה), אשר חהve פרופילים מלבניים. כאשר ערוץ בקרה שורר לחץ על האזורים שהסתומים אלה, קרום PDMS בין מלא שכבת זרימת מסיט isotropically לתוך הפרופיל המלבני של השסתום ללא הדבקה בפינות, המתיר זרימת נוזל אבל השמנת חלקיקים בקנה מידת מקרו (איור 1). לעומת זאת, שסתום microfluidic רב סגר מלא מיוצרים על ידי הכללת תיקון קטן של photoresist מעוגל במקומות שסתומים. עם גיאומטריה זו, שמירת לחץ קבוע של ערוץ הבקרה מסיטה את הקרום נגד שכבת זרימת המעוגלות לאטום את הערוץ לחלוטין, עצירת זרימת נוזל. פרופילים מעוגלים בשכבת הזרימה נוצרים באמצעות התכת ההזרמה מחדש של photoresist החיובי (למשל, XT AZ50 או SPR 220) לאחר שלבי photolithography טיפוסיים. אנחנו הוכחנו בעבר כי לגבהים שלאחר זרמה מחדש של אזורים שסתומים תלוי ממדי תכונה נבחרו ^21. פרוטוקול זה מדגים את הייצור של שניהם גיאומטריות שסתום עםבמכשיר סינתזת חרוז.

איור 1: רב שכבתי Microfluidic Valve גיאומטרי. אופיינית "לדחוף מעלה" ארכיטקטורות המכשיר עבור מסננת שסתומים סגר מלא לפני (למעלה) ואחרי שמירת לחץ קבוע (למטה). אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

התקנים יכולים לכלול גם תכונות מורכבות פסיביות כגון מערבלי כאוטי ¹³ ועל-שבב נגדים ²⁰ הדורשים תכונות בגבהים שונים מרובים בתוך שכבת זרימת יחיד. כדי להשיג שכבת זרימת גובה משתנה, קבוצות שונות בשיטות רבות כולל תחריט המעגלים המודפסים ^22, יישור הקלה multilayer PDMS ^23, או p רב שלביhotolithography ^24. הקבוצה שלנו מצאה photolithography רב שלבים על מאסטר דפוס יחיד להיות שיטה יעילה לשחזור. כדי לעשות זאת, טכניקת photolithography פשוט של בניית ערוצים עבים של photoresist השלילית (למשל, SU-8 photoresists סדרה) בשכבות ללא פיתוח בין היישום של כל שכבה היא מועסקת. כל שכבה הוא הסתובב photoresist שלילית בהתאם להוראות היצרן עובי באמצעות שלה ²⁵ על המאסטר סיליקון. תכונות של הגובה הזה אז הם בדוגמת על השכבה באמצעות מסיכת שקיפות ספציפית (איור 2) שהודבק על לוח מסכת זכוכית מיושרת השכבה הסובבת בעבר לפני החשיפה. ב photolithography רב שלבים, תיאום מדויק בין השכבות הוא קריטי ביצירת ערוץ זרימה בגובה משתנה שלם. לאחר יישור, כל שכבה היא נתונה לאפות לאחר חשיפת עובי תלוי. ללא פיתוח, את השכבה הבאה היא similarly בדוגמת. בדרך זו, תכונות גבוה יכול להיבנות על שכבה אחר שכבה רקיק זרימת יחיד באמצעות שימוש במסכות מרובים. אם תדלג פיתוח בין כל שלב, שכבות photoresist קודמות יכולות לשמש ליצירת תכונות גובה מרוכבים (כלומר, שתי 25 מיקרומטר שכבות יכולות להפוך תכונה 50 מיקרומטר) ^24. בנוסף, תכונות רצפת ערוץ כגון חריצי אדרה מערבלות כאוטי ¹³ יכולה להתבצע באמצעות שכבות עם תכונות חשופות בעבר. צעד פיתוח סופי משלים את התהליך, יצירת רקיק זרימת יחיד עם תכונות של גובה משתנה (איור 3).

כאן, פרוטוקול מלא ל photolithography רב שלבים הכולל דוגמאות של כל ההליכים הדרושים כדי לפברק שסתום על שבב ערוצי זרימה עם הגולן מרובה מסופק. פרוטוקול ייצור זו מוצגת בהקשר של סינתיסייזר חרוז microfluidic רב שכבתיים הדורש שסתומים variable-גובה כולל לצורך תפקודו. מכשיר זה כולל T-צמתים להפקת טיפות מי נתונות בנדן שמן, נגדים על השבב לווסת ספיקות באמצעות שליטת התנגדות Poiseuille, מערבל כאוטי עבור שמאחד רכיבי אגל, ושניהם שסתומים האיטום מסנן באופן מלא על מנת לאפשר תהליכי העבודה אוטומטיים המעורבים מגיב מרובה תשומות. באמצעות photolithography רב שלבים, תכונות אלה כל מפוברק על שכבה שונה לפי גובה או photoresist; הנדבכים הבאים בנויים בפרוטוקול זה: (1) שכבה שסתום עגולה זרימה (55 מיקרומטר, AZ50 XT) (2) שכבה נמוכה זרימה (55 מיקרומטר, SU-8 2050) (3) זרימת שכבה גבוהה (85 מיקרומטר, סודופלטוב 8 2025, 30 מיקרומטר גובה כתוסף), ו- (4) Grooves אדרה (125 מיקרומטר, SU-8 2025, 40 מיקרומטר גובה כתוסף) (איור 3).

חרוזי הידרוג'ל יכולים לשמש עבור מגוון רחב של יישומים, כולל functionalization משטח סלקטיבית עבור מבחנים במורד זרם, אנקפסולציה סמים, ראדימבחני otracing והדמיה, ושילוב התא; אנחנו בעבר השתמשנו בגרסה מורכבת יותר של התקנים אלה כדי לייצר חרוזי הידרוג'ל PEG מקודדים ספקטרלית המכילים nanophosphors lanthanide ^20. העיצובים דנו כאן כלולים ב- משאבים נוספים עבור כל מעבדה להשתמש במאמצי המחקר שלהם אם ירצה בכך. אנו צופים כי פרוטוקול זה יספק משאב פתוח מומחים שאינם מומחים כאחד מעוניינים להרוויח מכשירי microfluidic רב שכבתיים עם שסתומים או גיאומטריות מורכבות כדי להוריד את סף כניסת מיקרופלואידיקה ולהגדיל את סיכויי הצלחת ייצור.

Protocol

1. עיצוב התקנים רב שכבתי

הערה: תכונות בגבהים שונים ו / או photoresists יש להוסיף ברצף כדי הרקיק במהלך שלבי ייצור שונים ליצירת תכונות הרכב סופיות. לכן, עיצובים לכל גובה photoresist נפרד להיכלל על פרוסות סיליקון חייבת להיות מודפסים על המסכה שלהם (איור 4).

1. הורד תוכנית שרטוט בסיוע מחשב עיצוב (CAD) (למשל, גרסה חינוכית AutoCAD).
2. הגדר את "האזור רקיק על ידי ציור 4" 4 מעגל. עיצובי ופל (איור 4, משאבים נוספים) ניתנים כדוגמא.
3. בתוך מתווית רקיק 4 ", מכשיר במקום גובל באמצעות 300 מיקרומטר מלבני polyline. השתמש גבולות התקנים אלו ליישור במהלך photolithography.
4. צור שכבות שונות עבור כל גובה או photoresist שונים הדרושים עבור העיצוב הסופי (כלומר, לזרום עגול, זרימה נמוכה, לזרום גבוה,מלא בעיצוב) באמצעות לוח השכבות.
   1. תכונות עיצוב לגובה רצוי בפרט על השכבה המקבילה. עיצוב הדוגמא מראה 4 שכבות פעילות שונות, כל אחד עם צבע משלו (איור 4).
      הערה: גבולות התקן, טקסט העולמי, ואת מתווית הרקיק צריכים להיעשות על והשכבה שלהם (כלומר, 1-שלילי העיצובים), אשר, לאחר מכן, יופיעו על כל השכבות ליישור עולמי. תכונות של photoresist השונה (כגון שסתומי סגר מלא כי חייב להיות מפוברקת עם חיובים להתנגד) חייב להופיע על שכבות שונות, ללא קשר לגובה.
5. באמצעות סגור קווים מרובים אפס רוחב, תכונות המכשיר עיצוב בגבולות המכשיר.
   1. שקול פרמטרי עיצוב בטבלת 1 כדי להגדיל את הסיכויים של ייצור מוצלח.
   2. לכל גובה, בחר השכבה בחלונית 'שכבות' ולהוסיף את כל התכונות של הגובה.
6. מוּכָןעיצובים להדפסת שקפים באמצעות קובץ Mask הבסיסי (משאבים נוספים) כאשר כל 4 "מעגל רקיק מוכנס בתוך 5" גבול מלבני. כל שכבה תודפס על סרט שקיפות נפרד בנוסף רציפים של כל שכבת photoresist.
   הערה: קובץ מסכת בסיסי זה מייצג את העיצובים הסופיים המשמשים להדפסה.
   1. כדי להשלים את העיצוב, להפוך את כל השכבות מכובות חוץ 1-שלילי ואת השכבה שסתום XT AZ50. העתק את הרקיק כולו בשכבה הפעילה (כלומר, שסתומים) ותכונות עולמיות (כלומר., גבולות מכשיר).
   2. פתח את קובץ המסכת הבסיסי ולהדביק העיצוב הזה לתוך שסתומי XT AZ50 זכאי מלבן. השתמש הגבול רקיק החיצוני ליישור ובהמשך למחוק אותו לאחר ההדבקה.
   3. חזור עבור שאר השכבות (למשל, בעיצוב לדוגמא: לזרום מרובע נמוך, לזרום מרובע גבוה ובקרה). קבצי שקיפות דוגמא מסופקים (משאבים נוספים).
   4. שלח קבצי comחברת דפוס מסחרי (למשל, הדמית FineLine) להדפסה על שקפים. השתמש 32,000 DPI להדפסה> 10 מיקרומטר תכונות עד 50,000 DPI עבור תכונות קטנות. אם תכונות פחות מ -7 מיקרומטר נדרשים, להורות על מסכת Chrome במקום ושקפים.

טבלה 1: פרמטרים של עיצוב והצעות. עיצוב שיקולים להימנע ממכשולים נפוצים במהלך תהליך עיצוב CAD של מכשירים microfluidic. אנא לחץ כאן כדי להציג את הטבלה. (לחץ לחיצה ימנית כדי להוריד.)

2. הכנת וופל עבור ליתוגרפיה

הערה: צעדים אלה גם מופיעים בפורמט שולחן בטבלה 2.

1. ב cleanroom או באזור הנקי מיועד, נקי לייבש פרוסות סיליקון 4 "מבחן הכיתה (אחת בצד polished).
   1. שוטפים את פרוסות היטב עם מתנול.
      הערה: אין צעדים ניקוי נוספים נדרשים אם באמצעות שכבת ההדבקה SU-8 כמתואר להלן. שכבות הידבקות אחרות שחורגות בפרוטוקול זה (למשל., HMDS) לעתים קרובות דורשות ניקוי יסודי יותר, כגון תחריט פיראניה.
   2. מכה יבשה עם N ₂ או באוויר דחוס.
   3. אופים על פלטה חשמלית אלומיניום ב 95 מעלות צלזיוס במשך 10 דקות להתאדות ממס לחלוטין.
2. לפברק שכבה עבה אחידה 5 מיקרומטר של SU-8 2005 לשפר את הידבקות עבור שכבות photoresist שלאחר מכן.
   1. מניחים את פרוסות מנוקות על coater ספין, להדליק את ואקום כדי להדביק אותה על צ'אק ספין, ולפוצץ את האבק עם N ₂ או באוויר דחוס.
   2. החל 1-2 מיליליטר של SU-8 photoresist השלילי 2005 במרכז רקיק הספין כדלקמן: התפשטות: 500 סל"ד, 10 שניות, 133 סל"ד / s תְאוּצָה; סל"ד 3,000, 40 שניות, 266 סל"ד / s תאוצה: יצוק.
   3. הסר רקיקואופים רכים על ידי מעבר רקיק בין שתי כיריים נקבעו על 65 מעלות צלזיוס ו -95 מעלות צלזיוס על פי התכנית הבאה: 65 ° C: 2 דקות, 95 ° C: 3 דקות, 65 ° C: 2 דקות '.
   4. אפשר רקיק להתקרר RT.
   5. מניח פרוס צ'אק של aligner מסכת UV ולחשוף ללא מסכה ( 'חשיפת מבול') עבור בתצהיר אנרגיה כולל של 124 mJ (כאן, 20 שניות בעצימות מנורה ~ 6.2 mW / cm ^2). אם זמין, בחר מצב הקשר קשה להשיג פרוסות 300 מיקרומטר: להסוות הפרדה.
   6. הסר רקיק ואופים חשיפה פוסט ידי מעבר רקיק בין שני כיריים נקבע על 65 מעלות צלזיוס ו -95 מעלות צלזיוס כדלקמן: 65 ° C: 2 דקות, 95 ° C: 4 דקות, 65 ° C: 2 דק '.

בודה מעוגלת שסתומים

3. השתמש באופן מקוון מנבא שסתום AZ50 XT משאב ²⁶ לתכנן את מהירות סיבוב עבור ממדים שסתומים רצויים וגבהים.
   הערה: השלבים הבאים יהיו דפולשבת שכבה 55 מיקרומטר של photoresist חיובי עבור ההגדרה שסתום ועל עיגול הזרמה מחדש.
4. מניחים את פרוסות על coater ספין, להפעיל ואקום להדביק אותה על צ'אק ספין, ולפוצץ את האבק עם N ₂ או באוויר דחוס.
5. החל 2-3 מ"ל של photoresist חיובי XT AZ50 למרכז של פרוסות סיליקון. ספין כדלקמן: התפשטות: 200 סל"ד, 10 שניות, 133 סל"ד / האצה s; משתתפים: 1,200 סל"ד, 40 שניות, 266 סל"ד אצת s /; הצמד לסיבוב כדי להסיר חרוז קצה: 3,400 סל"ד, 1 שניות, 3,400 סל"ד / s תאוצה.
6. בצלחת 5 "פטרי, להניח את הפרוסות היטב ולתת לנוח 20 דקות.
7. הרקיק ואופים רכים על פלטה חמה: 65 ° C - 112 ° C, 22 דקות, 450 מעלות צלזיוס / מהירות ramping h.
8. הסר את רקיק ולתת לנוח לילה ב RT בצלחת פטרי עבור להחזרת נוזלים הסביבה.
9. מסכת שקיפות סרט זרימה עגול עד 5 "זכוכית צלחת עם הדפס הצד למטה (הקרוב ביותר רקיק) לטעון לתוך positioner מסכה של aligner מסכת UV. לחשוף את רקיק 930 mJ של UV ב 6 מחזורים ( למשל, 6 מחזורים של 25 שניות ב ~ 6.2 mW / cm ² עוצמת מנורה, 30 שניות לחכות זמן בין חשיפות).
10. פיתוח רקיק מיד על ידי טבילה באמבט עוררה של 25 מ"ל של AZ500k 1: 3 מפתחים ב 6 "זכוכית צלחת 3-5 דקות או עד אמבט יהפוך לסגול ותכונות לצוץ.
    1. הסר את רקיק ולשטוף היטב במים DI.
    2. הערכת גובה מראש הזרמה מחדש באמצעות profilometer (כוח חרט של 10.5 מ"ג).
       הערה: הפעל את profilometer לפי הוראות יצרן, מיצוב חרט הכח בזהירות ליד ערוץ תכונה על השכבה הרצויה לפני הפרופיל. הגדרות בשימוש בכל פרוטוקול זה יצוינו: כוח חרט 10.5 מ"ג, אורך 1,000 מיקרומטר, מהירות 200 מיקרומטר / s, למטה-למעלה המשטר.
11. הזרמה מחדש קשה לאפות את הרקיק כדי להמס תכונות שסתומות עגולות כדלקמן: 65 ° C - 190 מעלות צלזיוס, 15 שעות, 10 ° C / מהירות ramping hr.
12. תנו מגניב רקיק RT. הערכת גובה שלאחר הזרמה מחדש באמצעות Profilometer (כוח חרט של 10.5 מ"ג). Heights של 55 מיקרומטר ± 2 מיקרומטר צריך להיות צפוי עבור גיאומטרית המכשיר הזה.

3. בודה תכונות משתנה גובה טנדם

1. המשך ייצור גובה משתנה עם הפרוסות פתחו עם הזרימה נמוכה, גבוהי זרימת אדרת מיקסר שקפים של עיצוב סינתיסייזר החרוז.
2. כדי להתאים פרוטוקול על העיצובים, להשתמש גליונות נתונים ייצור ²⁵ כדי לקבוע אנרגיה חשיפה, מהירות הסיבוב ופרמטרים זמן לאפות, המאפשר ± 5% סובלנות.
   הערה: פרוטוקול זה מפברק 55 מיקרומטר גבוה זרימת שכבה נמוכה באמצעות SU-8 2050 photoresist השלילי סובב על התכונות שסתום.
3. מניח את הפרוסות ניקו על coater ספין, להדליק את הוואקום כדי להדביק אותה על צ'אק הספין, ולפוצץ את אבק עם N ₂ או באוויר דחוס.
   1. החל 1-2 מ"ל של SU-8 2050 photoresist שלילית במרכז רקיק ועל ספין כדלקמן: התפשטות: 500 סל"ד, 10 שניות, 133 סל"ד / אצת שניות; סל"ד 3,000, 40 שניות, 266 סל"ד / אצה שנייה: יצוק. ספין photoresist מעל תכונות שסתומות מפותחות.
4. בזהירות מניחים את הפרוסות הסתובבו 5 "צלחת הפטר ולתת להירגע במשך 20 דקות על משטח שטוח או עד לביצוע קווים מפוספס דפוסים לדעוך.
5. הסר את הרקיק ואופים רכים על ידי צבת על שתי כיריים נקבעו על 65 מעלות צלזיוס ו -95 מעלות צלזיוס כדלקמן: 65 ° C: 2 דקות, 95 ° C: 8 דקות, 65 ° C: 2 דקות '.
6. אפשר רקיק להתקרר RT.
7. סרט מסכת השקיפות נמוכה הזרימה אל-כשהצד המיועד להדפסת צלחת זכוכית קוורץ 5 "למטה (הקרובה ביותר הרקיק) ולטעון לתוך positioner המסכה של aligner מסכת UV.
8. מניח את פרוסות צ'אק aligner מסכת UV ו, באמצעות עינית מיקרוסקופ או מצלמה, ליישר תכונות שכבה נמוכות זרימה חדשות בקפידה זרימת תכונות שכבת שסתום עגולה. בגין על ידי יישור אופקי, ציר אנכי הטיה של גבולות מכשיר לתכונות הגבול מכשיר על מסכה. בשלב הבא, ליישר הימור תכונות צלבשכבות Ween. לבסוף, לאשר כי תכונות שסתומות מצטלבות תזרים נמוך כוללת ישים.
9. Expose ל -170 בתצהיר mJ UV (28 שניות ב ~ 6.2 mW / cm ^2).
10. הסר את ואופי רקיק וחשיפה-פוסט על ידי מעבר בין שתי כיריים נקבעו על 65 מעלות צלזיוס ו -95 מעלות צלזיוס כדלקמן: 65 ° C: 2 דקות, 95 ° C: 9 דקות, 65 ° C: 2 דקות '.
11. מבלי לפתח, לאפשר רקיק להתקרר RT והמשך ייצור של שכבת גבוהה זרימה. שכבה גבוהה תזרים זה תוסיף 30 מיקרומטר של photoresist לשכבת 55 מיקרומטר photoresist מפותחת להניב 85 מיקרומטר תכונות במקומות בעבר שלא נחשפו.
12. חזור על שלבים 3.3 כדי 3.10 באמצעות SU-8 2025 מסיכת השכבה גבוהה זרימה עם שינויים אלה על הגדרות מעיל ספין: התפשטות: 500 סל"ד, 10 שניות, 133 סל"ד / s תאוצה; סל"ד 3,500, 40 שניות, 266 סל"ד / אצה שנייה: יצוק.
    1. לחשוף 198 בתצהיר mJ UV (32 s ב ~ 6.2 mW / cm ^2).
13. ללא develoפינג, לאפשר רקיק להתקרר RT והמשך ייצור של שכבת אדרה מיקסר כאוטיות. תכונות סופיות בשכבה זו תהיינה בגובה כולל של 125 מיקרומטר: 55 מיקרומטר מההשכבה הנמוכה הזרימה, 30 מיקרומטר משכבת כיכר הזרימה, ו -40 מיקרומטר משכבה כאוטיות מיקסר אדרה זה (ראה איור 3) וכולל 35 חריצי אדרת מיקרומטר .
14. חזור על שלבי 3.3 כדי 3.10 באמצעות SU-8 2025 מסיכת השכבת אדרה בשינויים הבאים, על מנת להבטיח כי חריצי אדרה היא לגמרי בתוך ערוץ גבוה Flow מתאר.
    1. השתמש בתכנית הלאפות הרכה הבאה: 65 ° C: 2 דקות, 95 ° C: 7 דקות, 65 ° C: 2 דקות '.
    2. לחשוף עד 148 בתצהיר mJ UV (24 s ב ~ 6.2 mW / cm ^2).
15. אחרי הכל השכבות הושלמו, לפתח ידי טבילת הרקיק באמבט עוררה של 25 מיליליטר של יזם SU-8 בצלחת זכוכית 6 "תמורת 3.5 דקות או עד תכונות הופיעו באופן ברור. בדוק featur כייש es גבולות תכונה ברור, מוגדר באמצעות stereoscope.
16. קשה לאפות את רקיק לייצב את כל התכונות photoresist על פלטה חשמלית כדלקמן: 65 ° C - 165 ° C, 2 שעה ו -30 דקות, 120 מעלות צלזיוס / h מהירות ramping.
17. הערכת גובה תכונה בכל שכבות באמצעות profilometer (כוח חרט של 10.5 מ"ג).

4. ייצור בקרת וופל

1. נקי, מייבשים, לפברק שכבת הדבקה 5 מיקרומטר על פרוסות סיליקון 4 "חדשות כמו בסעיף 4.
2. לפברק Layer 25 מיקרומטר שליטה באמצעות SU-8 photoresist השלילי 2025.
3. מניחים את פרוסות על coater ספין, להפעיל ואקום להדביק אותה על צ'אק ספין, ולפוצץ את האבק עם N ₂ או באוויר דחוס.
4. החל 1-2 מ"ל של SU-8 2025 photoresist שלילית במרכז רקיק ועל ספין כדלקמן: התפשטות: 500 סל"ד, 10 שניות, 133 סל"ד / s תאוצה; סל"ד 3,500, 40 שניות, 266 סל"ד / אצה שנייה: יצוק.
5. הסר את הרקיק ואופים רכים על ידי מעבר ביןשתי כיריים נקבעו על 65 מעלות צלזיוס ו -95 מעלות צלזיוס כדלקמן: 65 ° C: 2 דקות, 95 ° C: 5 דקות, 65 ° C: 2 דקות '.
6. אפשר רקיק להתקרר RT.
7. יישר את המסכה שקיפות מלאה לצלחת 5 "זכוכית לטעון לתוך aligner מסכת UV.
8. מניחים את פרוסות ב צ'אק של aligner מסכת UV ולחשוף 155 בתצהיר mJ UV (25 שניות בעצימות מנורת ~ 6.2 mW / cm ^2).
9. הסר את ואופי רקיק וחשיפה-פוסט על ידי מעבר בין שתי כיריים נקבעו על 65 מעלות צלזיוס ו -95 מעלות צלזיוס כדלקמן: 65 ° C: 2 דקות, 95 ° C: 6 דקות, 65 ° C: 2 דקות '.
10. פיתוח על ידי טבילת הרקיק באמבט עוררה של 25 מיליליטר של מפתחי SU-8 ב 6 "צלחת זכוכית דקות 1 או עד תכונות לצוץ. בדוק תכונות באמצעות stereoscope.
11. קשה לאפות את רקיק לייצב תכונות photoresist כדלקמן: 65 ° C - 165 ° C, 2 שעה ו -30 דקות, 120 מעלות צלזיוס / מהירות ramping hr.

5. טיפול Silane וופל עבור PDMS Easy Lift-off

1. מניחים את פרוסות הושלמה בשנת מתלה רקיק בתוך ייבוש ואקום פעמון-צנצנת בתוך במנדף ללא חומרים כימיים מים או מסיסים במים.
2. מתחת למכסה המנוע, השתמש טפטפת ליישם 1 טיפה של trichloro (1 H, 1 H, 2 H, 2 -perfluorooctyl H) silane (PFOTS) לשקופית זכוכית ומקום בתוך ייבוש.
3. סגור את מכסה תא הייבוש ולהחיל ואקום 1 דקות.
4. לאחר 1 דקות, לכבות ואקום ללא מחדש מלחיץ או פינוי פעמון זכוכית.
5. תנו לתערובת לשבת במשך 10 דקות תוך השטח רקיק מעילים PFOTS תרסיס.
6. פתח את מכסה הצנצנת פעמון ולהסיר רקיק באמצעות פינצטה. מניחים לתוך צלחת פטרי עבור דפוס העתק PDMS. השלך שקופיות מצופות silane ב פסולת מסוכנת נכונה.
   הערה: ופלים מצופים silanes פלואור יכול לשמש מאות עד אלפי פעמים ולא מחדש טיפול. שכבת הקרבה של 1:10 PDMS ניתן להטיל על פרוסות, נרפאה, וזנוחה לאחר טיפול silane הראשון להסיר דוארקבוצות silane xcess מפני שטח רקיק.

6. דפוס העתק PDMS

1. לפברק מכשירי microfluidic multilayer בתוך גיאומטריה "לדחוף מעלה" על זכוכית על פי פרוטוקולים פתוחה-גישה קיימים ^16.
   הערה: פרוטוקול מפורט ניתן למצוא גם באתר האינטרנט ^27.
2. על ידי בדיקה ויזואלית, להבטיח את כל השסתומים מיושרים כראוי לשלוט שורות וכל פתחי הכניסה (משתי שכבות הזרימה ושליטה) הם אגרוף מלא לפני שתמשיך.

הפקת 7. חרוזי הידרוג'ל מטיפים

1. חיבור צינורות (למשל, Tygon) עמוס מים למערכת בקרת זרימה (למשל, משאבות מזרק, בקרי fluidic, או מערך שסתום סולנואיד קוד פתוח עם מאגרים ^28).
2. חבר סיכות מתכת צינורות ולהתחבר יציאות המכשיר ב צריכת אוויר פס בקרה. לחצי קווים מכשירים שליטה על ידי קביעת המשך הזרימהמערכת של בחירת רול 25 psi עבור כל שורה. ודא שסתום קרוב ופתח מחדש על ידי בדיקה תחת מיקרוסקופ.
   הערה: פעל בהתאם להוראות יצרן עבור מערכת בקרת זרימה של בחירה. בעבודה זו, מנהג תוכנה שבשליטת מערכת פנאומטי ומפעילה לחץ על כל שורה באמצעות שסתומים סולנואיד כי לעבור בין 25 psi אוויר דחוס (בלחץ) ובלחץ אטמוספרי (depressurized). פרטים על מערכת זו ניתן למצוא דיון.
3. כן מכלי לחץ microfluidic המותאם אישית עבור מגיב וטעינת שמן.
   1. באמצעות פיני דחיפה, אגרוף שני חורים בחלק העליון של צינור בקבוקון קריוגני, הכנס צינור נימי הצצה לתוך חור אחד, והכנסתי סיכת מתכת מחובר הצינור לתוך החור השני.
   2. חותם צינורות במקום עם אפוקסי. תן יבש במשך שעה 1.
4. בזמן ההמתנה, בצינור microcentrifuge, להשעות 3.9 מ"ג photoinitiator LAP לתוך 100 μl של מים DI ([LAP] = 39 מ"ג / מ"ל) להכין photoinitiatorפתרון המשמש polymerizing טיפות כדי הידרוג'ל חרוזים. להגן מפני אור.
5. בתוך צינור microcentrifuge השני, להוסיף 132 מים די μl, 172 diacrylate μL PEG, 12 פתרון LAP μl, ו -85 חיץ μL HEPES לעשות פתרון אגל הידרוג'ל.
6. מעביר את פתרון האגל הידרוג'ל לכלי שיט צינור קריוגני הושלם.
   הערה: תוספות עבור יישומים אחרים כגון nanocrystals, חלקיקים מגנטיים או מולקולות ביולוגיות יכולות להיכלל בתוך רכיב HEPES.
7. חבר את הצינורות של כלי צינור קריוגני למקור לחץ לשליטה ולחבר את הצינורות הצצים אל המפרצון המגיב מכשיר.
8. כן 10 מיליליטר של שמן מינרלי אור עם 2 נ% / פעיל שטח nonionic נ (למשל, Span 80) ו 0.05% EM90 עבור תחליב טיפת שמן. מסנן באמצעות מסנן מזרק 0.22 מיקרומטר ועומס 1 מיליליטר לתוך כלי צינור קריוגני שניים.
9. הכנס צינורות צצים במוצא המכשיר לאיסוף טיפות.
10. סר האוויר bubbles מהמכשיר על ידי pressurizing שמן, מים, או צריכת אוויר תערובת PEG (4 psi לחץ מבצעי). הפעילו את כל השסתומים. ברצף לכבות כל שסתום מסלול נוזל לאחר 1 דקות או עד בועות אוויר חלחלו דרך המכשיר PDMS. למשל, לדה-בועה מערבלי אדרה, להפעיל שסתומים 1 מפרצון, מערבבים 1 החוצה, מערבבים פסולת. ואז לְהַפִיג לַחַץ 1 מפרצון, מערבבים 1 החוצה, מערבבים פסולת עד שכל הבועות נעלמו.
11. כשהמכשיר repressurized לאחר debubbling, לְהַפִיג לַחַץ שסתום שמן RO1 ולחץ שמן מוגדר 10 psi.
12. גדר לחץ תערובת PEG עד 9 psi, depressure שסתום במעלה זרם (מפרצון 1, טיפות 1) ולהתאים כנדרש כדי לייצר טיפות בגודל הרצוי. גודל אגל ניתן לקבוע באמצעות מיקרוסקופ באמצעות מצלמה עם 50 fps ומעלה.
13. כאשר טיפות התייצבו, למקם נקודה 5 מ"מ ממקור אור UV (למשל, מערכת ריפוי המקום UV עם ספר אור נוזלי (LLG) או LED UV ממוקד) על האזור פילמור של דevice ולהחיל 100 mW / ² ס"מ UV (365 ננומטר) מהמקור UV.
14. לחצים שסתומים מסננת חרוז לצפות חרוזי polymerized לאסוף ולהבטיח כי טיפות הכבידו לתוך חרוזים. התאם LLG ככל שיידרש כדי להשיג פילמור מלא.
15. לְהַפִיג לַחַץ שסתום מסננת חרוז ולאסוף חרוזים לתוך צינור דרך צינורות הצצה לשקע.

תוצאות

הנה, אנחנו מדגימים את הייצור של valved, תבניות microfluidic multilayer גובה משתנה על ידי הפיכת המכשירים מסוגלים לייצר אתילן גליקול פולי (PEG) חרוזי הידרוג'ל מטיף (איור 2). סקירה כללית של תהליך הייצור המלא כלולה באיור 3. באמצעות אלמנטים ע?...

Discussion

עבודה זו ממחישה פרוטוקול photolithography רב שלב מלא ל מכשיר microfluidic multilayer עם שסתומים וגיאומטרית גובה משתנית כי יכול להיות מכוון עבור כל יישום עם שינויים פשוטים פרמטרי ייצור המבוססים על הוראות כלי ²⁶ ויצרן המקוונים שלנו ^25. פרוטוקול זה נועד להבהיר נקו...

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.