バルブ付き多層マイクロ流体デバイスのための多段階可変高さのフォトリソグラフィ

要約

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.

要約

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.

概要

過去15年間、フィールドとしてマイクロフルイディクスは、マイクロメートルスケール¹での流体の操作を可能にする新技術の爆発で、急速な成長を遂げています。少量が同時に劇的にスループットが向上し、スケール^2、3の経済を活用することでコストを低減しつつ、高速化と感度を実現する可能性を有するので、マイクロ流体システムは、湿式実験室機能の魅力的なプラットフォームです。多層マイクロ流体システムは、単一細胞分析^4、5、6、単一分子分析（ 例えば、デジタルPCR ^7）、タンパク質結晶^8、転写因子結合アッセイなどのハイスループット生化学分析の用途において特に重要な影響を作っていますF "> ^9、10、及び細胞スクリーニング^11。

マイクロフルイディクスの中心となる目標は、総生化学分析¹²のために、単一のデバイス内で複雑な流体操作を行うことが可能なデバイス「ラボオンチップ」の開発です。多層ソフトリソグラフィ技術の開発は、ミキサー、オンチップバルブの作成を可能にすることによって、この目標を実現する助けと積極的に小さな容積内の流体^{13、14、15を}制御^するため^のポンプいます。その利点と実証されたアプリケーションにもかかわらず、これらのマイクロ流体技術の多くは、非専門家のユーザーによって大部分が未利用のまま。広く採用が原因微細加工施設へのアクセスが制限さに一部挑戦するだけでなく、製造技術の不十分な通信のためにされています。これは、FO特にそうですRバルブや複雑な形状のための構造を備えた多層マイクロ流体デバイス：重要な設計パラメータと製造技術の詳細、実用的な情報の不足は、多くの場合、これらのデバイスの設計と作成に関わるプロジェクトに着手から新たな研究者を抑止します。

この記事では、バルブ、高さ可変機能を備えた多層マイクロ流体デバイスを製造する設計パラメータから開始し、すべての製造工程を経て移動するための完全なプロトコルを提示することによって、この知識のギャップに対処することを目的とします。製造の最初のフォトリソグラフィ工程に着目し、このプロトコルは、金型からデバイスをキャストし、具体的な実験を実行するの下流の手順を説明し、他のマイクロフルイディクス・プロトコル^16を補完^します。

モノリシックチップ上の弁を持つマイクロ流体デバイスは、2層で構成されています。興味のある流体は、マイクロに操作される「フロー」層を、チャネル、空気または水を含むマイクロチャネルを選択的流動層¹⁴内の流体の流れを調節することができる「制御」層、。これら二つの層は、それぞれのその後呼ばれるプロセスにおいてポリジメチルシロキサン（PDMS）、レプリカ成形に使用される別個のシリコンモールドマスタ上に製造されている「ソフトリソグラフィ^17。 "多層デバイスを形成するために、PDMSの各層は、それぞれの成形マスター上にキャストした後、互いに整列し、それにより各層のチャネルを有する複合PDMSデバイスを形成しています。バルブは、フローチャネル及び制御チャネルが互いに交差するだけ薄い膜によって分離された位置に形成されています。コントロールチャネルの加圧は、流路を閉塞し、局所的に流体（ 図1）を変位させる、この膜を偏向させます。

アクティブオンチップバルブは、所望の最終用途に応じて、複数の方法で製造することができます。バルブ制御層は、流動層（ 図^1）15の上または下であるかに応じて、いずれかの「プッシュダウン」または「押し上げる」幾何学で構成することができます。フローチャネルは、貼り合わせ基板と直接接触するようにするための「プッシュダウン」ジオメトリは、基板表面の選択的官能基化またはパターニングの利点を付与する、許可しながら形状は、下の閉鎖圧力および剥離に対する高いデバイスの安定性を可能にする「押し上げ」後で機能^18、19用。

バルブはまた、流路の断面形状に応じて、「ふるい」バルブ意図的に漏出性または完全に密閉可能ないずれかになります。篩バルブは、ビーズ、細胞または他のmacroanalytes ^1を捕捉するために有用であり、典型的なネガ型フォトレジスト（ 例えば、SU-8シリーズ）、HAを使用することにより製造されます長方形のプロファイルをVEの。制御チャネルは、これらの弁の領域の上に加圧されると、制御フロー層とPDMS膜は、角部を封止する流体の流れを許容するが、マクロスケールの粒子（ 図1）を捕捉することなく、バルブの矩形プロファイルに等方的に偏向します。逆に、完全に密封可能なマイクロ流体バルブは、バルブの位置で丸みを帯びたフォトレジストの小さなパッチを含むことによって製造されます。この幾何学的形状と、制御チャネルの加圧は、流体の流れを停止、完全にチャネルを密封する丸みを帯びた流動層に対して膜を偏向させます。流動層内の丸みを帯びたプロファイルは、典型的なフォトリソグラフィ工程の後にポジ型フォトレジストの溶融およびリフロー（ 例えば、AZ50 XTまたはSPR 220）を介して生成されます。我々は以前に、弁領域のリフロー後の高さは、選択されたフィーチャ寸法²¹に依存することを実証しました。このプロトコルには、双方のバルブ形状の製造を実証しますビーズ合成装置です。

図1：多層マイクロ流体バルブジオメトリ。ふるいのための典型的な「プッシュアップ」デバイスアーキテクチャおよび（上）と後（下）加圧の前に完全に密封可能なバルブ。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。

デバイスはまた、単一の流れ層内の複数の異なる高さの特徴を必要とするカオスミキサー¹³及びオンチップ抵抗器²⁰のような複雑な受動的な特徴を含むことができます。可変高フロー層を達成するために、別のグループは^、22をエッチング^し 、プリント回路基板、多層PDMSレリーフアラインメント^23、または多段階Pを含む多くの方法を採用していますhotolithography ^24。当社グループは、効果的かつ再現性のある方法であることを、単一の成形マスターに多段階のフォトリソグラフィを発見しました。これを行うために、それぞれの層の適用の間に開発することなく、層に負のフォトレジスト（ 例えば、SU-8シリーズのフォトレジスト）の厚さのチャネルを構築する単純なフォトリソグラフィ技術が用いられます。それぞれの層は、シリコンマスター上製造元の指示^25を使用して、その厚さに応じてネガ型フォトレジストでスピンされます。この高さの特徴は、特定の透明マスク（ 図2）ガラスマスク板に固定され、露光前以前スパン層に位置合わせを使用して層上にパターン化されます。多段階フォトリソグラフィでは、層間の正確な位置合わせは、完全な可変高さの流路を形成するのに重要です。整列後、各層は厚みに依存する露光後ベークに付されます。開発することなく、次の層はシムですilarlyパターン化。このようにして、背の高い機能は、複数のマスクの使用を介して単一の流れウェハ上に層ごとに構築することができます。各ステップの間に開発をスキップすることにより、以前のフォトレジスト層^24（ すなわち 、2つの 25μmの層が50μmの機能を行うことができる）複合高機能を生成するために使用することができます。さらに、カオスミキサーヘリングボーン溝¹³とチャネルフロア機能は、以前に露出機能を有する層を用いて作製することができます。最終的な現像工程は、可変の高さ（ 図3）の機能を有する単一の流れウェハを作成する処理を終了します。

ここでは、オンチップバルブおよび複数の高さの流路を作製するのに必要なすべての手順の例を含む多段階フォトリソグラフィのための完全なプロトコルが提供されます。この製造プロトコルは、バルブとvariabを必要とする多層マイクロ流体ビーズシンセサイザーの文脈で提示されますル高さは、その機能のために備えています。この装置は、複数の試薬を含む自動化されたワークフローを可能にするためにポアズイユ性、液滴の成分を均質化するためのカオス混合器を制御し、両方が完全に密封し、篩バルブを介して流量を調節するために、油シースに水滴を生成するためのオンチップ抵抗器をTジャンクションを含みます入力。多段階フォトリソグラフィを用いて、これらの機能は、それぞれ高さまたはフォトレジストに応じて別の層の上に製造されます。以下の層は、このプロトコルで構成されている：（1）フローラウンドバルブ層（55μmで、AZ50 XTを）（2）フロー低層（55μmで、SU-8 2050）（3）フローの高層（85μmで、SU- 8 2025年、30μmの添加剤高さ）、および（4）ヘリンボーン溝（125μmで、SU-8 2025、40μmの添加剤高さ）（ 図3）。

ヒドロゲルビーズは、下流アッセイのための選択的な表面機能、薬物のカプセル化、ラディなどの様々な用途に使用することができますotracing撮像アッセイ、および細胞取り込み;我々は以前にランタニドナノ蛍光体^20を含むスペクトル符号化されたPEGヒドロゲルビーズを製造するために、これらのデバイスのより複雑なバージョンを使用していました。ここで説明する設計が必要であれば、それらの研究努力で使用する任意の研究室のための参考資料に含まれています。私たちは、このプロトコルは、専門家やマイクロフルイディクスのエントリへの障壁を低くし、製造の成功の可能性を高めるために、バルブや複雑な形状で多層マイクロ流体デバイスを製造するのに似て興味非専門家のためのオープンなリソースを提供することを期待しています。

プロトコル

1.マルチレイヤデバイス設計

注：異なる高さおよび/またはフォトレジストの特徴は、最終的な複合機能を作成するために、異なる製造工程中にウェハに順次追加する必要があります。そのため、ウエハ上に含まれる各個別の高さとフォトレジストのためのデザインは、独自のマスク（ 図4）に印刷されなければなりません。

1. コンピュータ支援設計（CAD）製図プログラム（ 例えば、AutoCADの教育版）をダウンロードします。
2. サークル「4を描画することにより、ウエハ領域」4を定義します。ウェハの設計（ 図4、その他のリソース）は例として提供されています。
3. 4「ウエハ外形、300μmのポリラインの長方形を使用して、場所デバイスの境界の内側に。フォトリソグラフィの間に位置合わせのために、これらのデバイスの境界線を使用してください。
4. 、最終的な設計のために必要なそれぞれの異なる高さやフォトレジスト用異なる層を作成します（ つまり、ラウンド流れ、低流量、高流量レイヤーパネルを使用して設計および制御）。
   1. 対応する層上の特定の所望の高さの設計上の特徴。この設計例では、4つの異なる活性層、独自の色（ 図4）とのそれぞれを示しています。
      注：デバイスの境界線、世界的なテキスト、およびウェハのアウトラインは、独自の層の上になされるべきである（ すなわち、設計における1陰性）、それ以降、グローバルアライメントのためのすべてのレイヤーに表示されます。 （このようなポジ型レジストを用いて製造されている必要があり、完全に密封可能なバルブなど）の異なるフォトレジストの特長は関係なく、高さの、異なる層に表示される必要があります。
5. デバイスの境界内にゼロ幅のポリライン、設計装置の機能を閉じて使用します。
   1. 成功した製造の可能性を高めるために、表1の設計パラメータを考慮してください。
   2. 各高さについては、レイヤーパネルでそのレイヤーを選択し、その高さのすべての機能を追加します。
6. レディー各4矩形の境界線「ウエハ円が5内に挿入される「基本マスクファイル（その他のリソース）を使用して、透明フィルム印刷用のデザイン。各層は、それぞれのフォトレジスト層の逐次付加のための別個の透明フィルム上に印刷されます。
   注：この基本マスクファイルは、印刷に使用される最終的なデザインを表しています。
   1. 1陰性およびAZ50 XTバルブ層以外のすべてのレイヤーをオフにし、設計を完了します。活性層（ すなわち 、バルブ）とグローバル機能（ すなわち 、デバイスの境界線）とのウェハ全体をコピーします。
   2. 基本マスクファイルを開き、AZ50のXTバルブと題する長方形にこのデザインを貼り付けます。位置合わせのための外側のウエハの境界線を使用し、その後に貼り付けた後、それを削除します。
   3. （：正方形の高い流れ、制御、正方形の低流れ、デザイン例では、例えば ）層の残りの部分について繰り返します。例の透明ファイル（その他のリソース）が設けられています。
   4. コムにファイルを送信透明フィルム上に印刷するための商用印刷会社（ 例えば、のFineLineイメージング）。印刷> 10μmの特徴と小さなフィーチャの場合は最大50,000 DPIのための32,000 DPIを使用してください。以下が7μm以上の機能が必要な場合は、クロムマスクの代わりに透明フィルムを注文。

表1：設計パラメータと提案。マイクロ流体デバイスのCAD設計プロセスの間に共通の落とし穴を避けるための配慮を設計します。 この表を見るにはこちらをクリックしてください。 （ダウンロードするには、右クリックします。）

2.フォトリソグラフィー用ウエハを準備

注：これらの手順は、さらに、 表2の表形式で表示されます。

1. クリーンルーム内のまたは指定された清潔な場所、清潔で、4「テストグレードのシリコンウエハ（片面pを脱水olished）。
   1. メタノールでよくウエハをすすぎます。
      注：以下に記載さSU-8接着層を使用している場合はそれ以上の洗浄工程が必要とされません。このプロトコル（ 例えば 、HMDS）から外れる他の接着層は、多くの場合、ピラニアエッチングなどのより徹底的な洗浄を必要とします。
   2. N ₂または圧縮空気でブロー乾燥。
   3. 10分で完全に溶媒を蒸発させるために95℃でアルミニウムホットプレート上で焼きます。
2. その後のフォトレジスト層のための接着性を改善するためにSU-8 2005均一な5ミクロンの厚さの層を作ります。
   1. スピンコーター上で洗浄ウェハを置き、スピンチャックにそれを貼り付け、およびN ₂または圧縮空気でほこりを吹き飛ばすために、真空をオンにします。
   2. ウェハとスピンの中心にSU-8 2005ネガ型フォトレジスト1〜2mlのを適用し、次のように：スプレッド：500 rpmで、10秒、133回転数/秒 加速度;キャスト：3,000rpmで、40秒、266回転/ sの加速。
   3. ウェーハを削除そして65℃に設定された2つのホットプレートと、以下のプログラムに従って95℃の間のウエハ切り替えることでソフトベーク：65°C：2分、95°C：3分、65℃：2分。
   4. ウエハは室温まで冷却します。
   5. UVマスクアライナのチャックにウェハを置き、124ミリジュールの総エネルギー蒸着用のマスク（ 'フラッド露光'）せずに公開する（ここでは、〜6.2ミリワット/ cm ²のランプ強度で20秒）。可能な場合は、300μmのウエハを達成するために、ハードコンタクトモードを選択：分離をマスクします。
   6. 65°Cが：2分、95℃で4分、65℃：2分を次のように65°Cと95°Cに設定された2つのホットプレートの間でウェハを切り替えることによって、ウエハと露光後ベークを除去します。

丸いバルブを製造します

3. 所望の弁の寸法と高さのためにスピン速度を計画するオンラインAZ50 XTバルブ予測リソース^26を使用してください。
   注：次の手順はDEPOますバルブの定義とリフロー丸め用ポジ型フォトレジストの55μmの層に座ります。
4. スピンコーターにウェハを置き、スピンチャックにそれを貼り付け、およびN ₂または圧縮空気でほこりを吹き飛ばすために、真空をオンにします。
5. AZ50 XTポジ型フォトレジストの2-3 mLをウェハの中心に適用されます。スピンは以下の通り：スプレッド：200回転、10秒、133回転/ sの加速。キャスト：1200 rpmで、40秒、266回転/ sの加速。 3400 rpmで、1秒間、3400回転/ sの加速：エッジビーズを除去するためのスナップスピン。
6. 5 "ペトリ皿に、慎重にウエハを下に置き、20分間リラックスしましょう。
7. ソフトベークホットプレート上のウエハ：65°C - 112°C、22分、450℃/時間ランピング速度。
8. ウェハを取り外し、周囲の再水和のためのペトリ皿に室温で一晩休ませて。
9. テープダウン5 "ガラス板の印刷面への流れラウンド透明マスク（ウエハに最も近い）とUVマスクアライナのマスク位置決め装置にロードします（6サイクルでUVの930ミリジュールにウェハを公開します2のランプ強度で25秒のメートル>例えば、6サイクル、30秒）は、露光の間の時間を待ちます。
10. AZ500k 1の25ミリリットルの撹拌浴中に浸漬することにより、直ちにウェハを開発：6 "ガラス皿で3開発を3-5分間、またはバスが紫色に変わり、機能が出てくるまで。
    1. ウェハを取り外し、DI水でよくすすいでください。
    2. プロフィル（10.5ミリグラムの針圧）を使用して、リフロー前の高さを評価します。
       注：次のプロファイリングの前に所望の層上の特徴チャネルに慎重に力スタイラスを配置、製造業者の指示に従ってプロフィルを操作します。このプロトコル全体で使用される設定は、以下の通りであった：針圧10.5 mgであり、長さは1000μm、速度は200μm/ sで、政権ダウンアップ。
11. リフローハード、次のように弁の機能を溶かすとラウンドするウエハを焼く：65°C - 190 °C、15時間、10℃/時間のランピング速度。
12. RTへのウエハを冷まします。 PROFIを使用して、リフロー後の高さを評価しますlometer（10.5ミリグラムの針圧）。 55ミクロン±2μmの高さは、このデバイスの幾何学的形状のために期待されるべきです。

3.タンデムの変数高機能の製作

1. ビーズシンセサイザー設計の流れ低、フロー高とヘリンボーンミキサーOHPフィルムと開発ウェハと高さが可変の製作に進みます。
2. 設計するためのプロトコルを調整するには、±5％の許容差を考慮して、露光エネルギー、スピン速度とベーク時間パラメータを決定するために、製造データシート^25を使用^します 。
   注：このプロトコルは、弁の機能上を回転SU-8 2050ネガ型フォトレジストを用いて、55μmの背の高いフロー低層を製作します。
3. スピンコーター上で洗浄ウェハを置き、スピンチャックにそれを貼り付け、およびN ₂または圧縮空気でほこりを吹き飛ばすために、真空をオンにします。
   1. スプレッド：5を次のように、ウェハとスピンの中心にSU-8 2050ネガ型フォトレジスト1〜2mlのを適用します。00回転、10秒、133回転/秒の加速。キャスト：3,000rpmで、40秒、266回転/秒で加速。先進弁の機能の上にフォトレジストをスピン。
4. 慎重5 "ペトリ皿に紡糸したウエハを置き、平らな表面上または任意のストリーキングパターンがフェードインするまで20分間リラックスしましょう。
5. 65°Cは：2分、95°C：8分、65°C：2分を次のように65℃、95℃に設定された2つのホットプレート上に配置することにより、ウェハおよびソフトベークを削除します。
6. ウエハは室温まで冷却します。
7. テープダウン石英5「ガラス板の印刷面への流れの低透過マスク（ウエハに最も近い）とは、UVマスクアライナーのマスク位置決め装置にロードします。
8. UVマスクアライナチャックにウェハを置き、顕微鏡の接眼レンズやカメラを使用して、慎重にラウンドバルブ層の機能をフローに新しいフロー低位レイヤ機能を合わせます。マスク上のデバイスの境界機能へのデバイスの境界線の水平方向、垂直方向のチルト軸を整列させることから始めます。次に、クロスヘア機能ベットを揃えます予期する層。最後に、バルブ機能が流れローが該当する場合に備えて交差していることを確認します。
9. 170ミリジュールのUV堆積（〜6.2ミリワット/ cm ²で28秒）を公開します。
10. 65°C：2分、95°C：9分、65°C：2分65℃に設定された2つのホットプレートし、95°C以下のように切り替えることにより、ウエハと露光後ベークを削除します。
11. 開発することなく、ウエハを室温まで冷却し、フロー高層の製造に進むことができます。この流れハイ層は、以前に未露光の場所に85μmの機能を得るために、未現像の55ミクロンのフォトレジスト層にフォトレジストの30ミクロンを追加します。
12. スプレッド：：リピートは3.10から3.3は2025 SU-8およびスピンコートの設定のためにこれらの修飾を有するフローハイレイヤーマスク使用して、手順を500rpm、10秒、133回転/ sの加速。キャスト：3500 rpmで、40秒、266回転/秒で加速。
    1. 198ミリジュールのUV堆積（〜6.2ミリワット/ cm ²で32秒）を公開します。
13. develoなしpingが、ウエハを室温まで冷却し、カオスミキサーヘリンボーン層の製造に進むことができます。この層の最後の特徴は、125ミクロンの高さの合計があります：フロー低層から55μmで、フロー広場層から30μmであり、このカオスミキサーヘリンボーン層から40μmで（ 図3を参照）、35μmのヘリンボーン溝を含みます。
14. 繰り返しは、SU-8 2025年とそのヘリングボーン溝を確保し、次の修正を加えたヘリンボーンレイヤーマスクは、フローハイチャネルの輪郭内に完全にある使用して3.10から3.3を繰り返します。
    1. 65°C：2分、95°C：7分、65°C：2分以下のソフトベークプログラムを使用します。
    2. 148ミリジュールのUV堆積（〜6.2ミリワット/ cm ²で24秒）を公開します。
15. 全ての層が完了した後、3.5分間、または特徴が明らかになるまで、6 "ガラス皿中のSU-8現像液を25mlの攪拌槽にウエハを浸漬することにより発症する。そのfeaturをチェックエスは、ステレオスコープを使用して明確に定義された機能の境界を有します。
16. 次のように硬質のホットプレート上のすべてのフォトレジスト・フィーチャを安定化させるために、ウェーハを焼く：65°C - 165°C、2時間30分、120℃/時間のランプ速度。
17. プロフィル（10.5ミリグラムの針圧）を使用して、すべての層に特徴の高さを評価します。

4.コントロールウエハー製造

1. クリーン、脱水、および第4のように新しい4 "シリコンウェハ上に5μmの接着層を製造します。
2. SU-8 2025ネガ型フォトレジストを用いて、25μmの制御層を作製。
3. スピンコーターにウェハを置き、スピンチャックにそれを貼り付け、およびN ₂または圧縮空気でほこりを吹き飛ばすために、真空をオンにします。
4. ウェハとスピンの中心にSU-8 2025ネガ型フォトレジスト1〜2mlのを適用し、次のように：スプレッド：500 rpmで、10秒、133回転/ sの加速。キャスト：3500 rpmで、40秒、266回転/秒で加速。
5. 切り替えることにより、ウエハおよびソフトベークを除去2ホットプレートは65℃に設定し、95°C以下の通り：65℃：2分、95°C：5分、65℃：2分。
6. ウエハは室温まで冷却します。
7. 5「ガラス板に制御透明マスクの位置を合わせ、UVマスクアライナにロードします。
8. UVマスクアライナのチャックにウェハを置き、155ミリジュールのUV堆積（〜6.2ミリワット/ cm ²のランプ強度で25秒）を公開します。
9. 65°C：2分、95°C：6分、65°C：2分65℃に設定された2つのホットプレートし、95°C以下のように切り替えることにより、ウエハと露光後ベークを削除します。
10. 1分間6「ガラス皿にSU-8開発の25ミリリットルの攪拌浴にウェハを浸漬することによって、または機能が出現するまで開発しています。ステレオスコープを使用して機能を確認してください。
11. ハード、次のようにフォトレジストの機能を安定化させるために、ウエハを焼く：65°C - 165 °C、2時間30分、120℃/時間のランピング速度。

簡単PDMSリフト-O 5.シランウェーハ処理FF

1. 水または水溶性試薬の自由ヒュームフード内部の鐘真空デシケーター内のウエハラックに完成したウェーハを配置します。
2. ボンネットの下、デシケーター内部のガラススライドと場所にトリクロロの1滴（1 H、1 H、2 H、2 Hの -perfluorooctyl）シラン（PFOTS）を適用するためにスポイトを使用しています。
3. デシケーターの蓋を閉めて1分間真空を適用します。
4. 1分後、再加圧またはベルジャーを排出することなく、真空をオフにします。
5. 混合物は、エアロゾル化しPFOTSコートウェーハ表面ながら10分間座ってみましょう。
6. ベルジャーのふたを開け、ピンセットを用いてウェハを削除します。 PDMSのレプリカ成形用ペトリ皿に置きます。適切な有害廃棄物中のシランコートしたスライドを処分。
   注：フッ素化シランで被覆されたウエハは、再処理せずに倍の数百〜数千を使用することができます。 1時10 PDMSの犠牲層は、硬化し、ウエハ上にキャストし、電子メールを削除するために第1のシラン処理後に廃棄することができますウェーハ表面からエクセスシラン基。

6. PDMSのレプリカ成形

1. 既存のオープン・アクセス・プロトコル¹⁶に係るガラスの「押し上げる」形状の多層マイクロ流体デバイスを製造します。
   注：詳細なプロトコールは、さらに、ウェブサイト²⁷上で見つけることができます。
2. 目視検査では、すべてのバルブはラインと（両方の流れや管理層上の）すべての入口を制御するために適切に配置されている先に進む前に、完全に打ち抜かれていることを確認します。

液滴からのハイドロゲルビーズの7生産

1. チューブを接続します（ 例えば、タイゴン）流量制御システムに水を負荷した（ 例えば、シリンジポンプ、流体コントローラ、またはリザーバー²⁸とオープンソースの電磁弁の配列）。
2. チューブに金属ピンを接続し、制御線の入口でデバイスポートに接続します。フローCONTを設定することにより、装置制御ラインを加圧します各ラインのための25のpsiへの選択肢のROLシステム。顕微鏡下で検査することにより、バルブを閉じて再オープンしていることを確認してください。
   注：選択した流量制御システムについては、製造元の指示に従ってください。この作業では、カスタムソフトウェア制御空気圧システムは、25 psiの圧縮空気（加圧し）、大気圧（減圧）を切り替える電磁弁を使用して、各ラインに圧力を加えます。このシステムの詳細については、議論に記載されています。
3. 試薬とオイルロード用のカスタムマイクロ流体の圧力容器を準備します。
   1. プッシュピンを使用して、極低温バイアル管の上部に二つの穴を開け、1穴にキャピラリPEEKチューブを挿入し、第二の穴にチューブに接続された金属ピンを挿入します。
   2. エポキシ樹脂と所定の位置にチューブを密封します。 1時間乾燥してみましょう。
4. 待っている間に、マイクロ遠心チューブに、光開始剤を製造するために脱イオン水100μl（[LAP = 39 mg / mlで）にLAPの光開始剤の3.9 mgのサスペンドビーズをハイドロゲル液滴を重合するために使用される溶液。光から保護します。
5. 第二のマイクロ遠心チューブにおいて、ヒドロゲル液滴の溶液を作るために132μlの脱イオン水、172μLPEGジアクリレート、12μlのLAP溶液、85μLHEPES緩衝液を加えます。
6. 完成した極低温チューブ容器にヒドロゲル液滴ソリューションを転送します。
   注：そのようなナノ磁性粒子または生体分子のような他の用途のための添加剤は、HEPESコンポーネント内に含まれることができます。
7. 制御可能な圧力源に極低温チューブ容器のチューブを接続し、デバイスの試薬入口にPEEKチューブを接続します。
8. 2％V / Vの非イオン性界面活性剤（ 例えば 、スパン80）と軽鉱物油の10ミリリットルを準備し、油滴エマルジョンのための0.05％EM90。第二の極低温のチューブ容器に、0.22μmのシリンジフィルターと負荷1ミリリットルを使用してフィルター。
9. 液滴の収集のための装置の出口でPEEKチューブを挿入します。
10. 空気bubblを削除します油、水、またはPEG混合物の流入口（4 psiの操作圧力）を加圧することにより、デバイスからのES。すべてのバルブをオンにします。順次1分後または気泡がPDMSデバイスを透過するまで、流体経路内の各バルブをオフにしてください。例えば、ヘリンボーンのミキサーバブル解除するために、バルブ入口1、ミックス1アウト、およびミックス廃棄物の電源をオンにします。すべての気泡がなくなるまで続いインレット1、ミックス1アウト、およびミックス廃棄物を減圧。
11. デバイスは脱泡後repressurizedされると、Ro1と油弁10 PSIに設定した油の圧力を減圧。
12. 9プサイにPEG混合物の圧力を設定し、圧抜上流バルブ（インレット1、1を削除）し、所望のサイズの液滴を生成するために、必要に応じて調整。液滴サイズは、50 FPS以上でカメラを使用して顕微鏡検査により決定することができます。
13. 液滴が安定したときに、UV光源から5mmスポットの位置（ 例えば、液体ライトガイド（LLG）または集束のUV LEDを有するUVスポット硬化システム）Dの重合領域上eviceおよびUV光源からは100mW / cm ²のUV（365 nm）を適用します。
14. 重合ビーズが集め見て、液滴がビーズに硬化していることを確認するために、ビーズふるいバルブを加圧します。完全な重合を達成するために必要に応じてLLGを調整します。
15. ビーズふるいバルブを減圧および出口PEEKチューブを介してチューブにビーズを収集します。

結果

ここでは、液滴からポリエチレングリコール（PEG）ヒドロゲルビーズを生成することができる装置を作ることによって弁付き、可変高さの多層マイクロ流体の金型の製造を実証します （ 図2）。完全な製造工程の概要は前作のデザイン要素を使用して図3に含まれている、ビーズシンセサイザは、その流れの層を含む4の高さを使?...

ディスカッション

この作品は、私たちのオンラインツール²⁶と製造元の指示²⁵に基づき、製造パラメータへの簡単な変更を加えて任意のアプリケーションのために調整することができ、バルブと高さが可変ジオメトリーを備えた多層マイクロ流体デバイスのための完全なマルチステップフォトリソグラフィプロトコルを示しています。このプロトコルは、単純なパッシブ1層?...

資料

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.