Ventilli Katmanlı mikroakışkan Cihazlar için çok adımlı Değişken Yükseklik Fotolitografi

Özet

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.

Özet

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.

Giriş

Son 15 yıldır, bir alan olarak Mikroakiskan mikrometre ölçeğinde ¹ de sıvıların manipülasyonu sağlayan yeni teknolojilerin bir patlama ile, hızlı bir büyüme uğramıştır. Dramatik verimi artırmak ve ölçek ^{2, 3} ekonomileri yararlanarak maliyetlerini azaltarak ederken aynı zamanda küçük hacimleri artan hız ve hassasiyet gerçekleştirmek potansiyeline sahiptir, çünkü mikroakışkan sistemleri ıslak laboratuvar işlevselliği için cazip platformlardır. Çok tabakalı mikroakışkan sistemler, tek bir hücre analizi ^{4, 5, 6,} tek bir molekül analizi (örneğin, sayısal PCR ^7), protein kristalografisi ^8, transkripsiyon faktörü bağlama deneyleri gibi yüksek verimli biyokimya uygulamalarında özellikle önemli etkileri yapmışf "> ^{9, 10,} ve hücresel tarama ^11.

Mikroakiskan bir merkez hedefi toplam biyokimyasal analiz ¹² tek bir cihaz içinde karmaşık akışkan manipülasyonlar yapabilen cihazlar "bir çip üzerinde laboratuvarda" gelişme olmuştur. Çok katmanlı yumuşak litografi tekniklerinin geliştirilmesi on-chip vanalar, mikserler oluşturulmasını sağlayarak bu hedefi gerçekleştirmek yardımcı ve aktif küçük hacimlerde ^{13, 14, 15} içinde sıvıları kontrol etmek için pompaları vardır. avantajları ve ortaya uygulamalar rağmen, bu mikroakışkan teknolojilerin çok uzman olmayan kullanıcılar tarafından büyük ölçüde koşumları kalır. Yaygınlaşması nedeniyle mikroüretim tesislerine erişimin sınırlı kısmen zor olmuştur, ama aynı zamanda nedeniyle imalat tekniklerinin yetersiz iletişim vardır. Bu fo özellikle doğrudurr vanalar veya karmaşık geometriler için yapılar içeren çok katmanlı mikroakışkan cihazlar: önemli tasarım parametreleri ve üretim teknikleri hakkında detaylı pratik bilgi azlığı genellikle bu cihazların tasarımı ve oluşturulması ile ilgili projeler başlamadan yeni araştırmacıları engeller.

Bu makale, vanalar ve değişken yükseklik özellikleri ile çok katmanlı mikroakışkan cihazların yapım tasarım parametreleri başlayan ve tüm üretim adımlarında hareket için tam bir protokol sunarak bu bilgi açığını ele almayı amaçlamaktadır. Fabrikasyon ilk fotolitografi adımlar odaklanarak, bu protokol kalıpları cihazları döküm ve özel deneyler çalışan aşağı adımları açıklar diğer Mikroakiskan protokolleri ¹⁶ tamamlar.

Monolitik on-chip valfler ile mikroakışkan cihazlar iki katmandan oluşur: ilgi sıvı mikro manipüle edildiği bir "akış" katmanı,kanalları ve hava veya su içeren mikrokanallar seçici akış katmanda ¹⁴ sıvı akışını modüle bir "kontrol" katmanı. Bu iki tabaka, her bir sonradan olarak adlandırılan bir süreç polidimetilsiloksan (PDMS) çoğaltma kalıplama için kullanılan ayrı bir silikon kalıp ana üzerinde imal edilmiştir "yumuşak litografi ^17". çok katmanlı bir cihaz oluşturmak için, PDMS katmanların her biri kendi kalıp ustaları dökme ve daha sonra bu şekilde her katmanda kanalları olan bir kompozit PDMS oluşturma tertibatı olup, birbirine hizalanır. Vana akışı ve kontrol kanalları birbirine çapraz ve sadece ince bir zar ile ayrılmış yerlerde oluşturulmaktadır; kontrol kanalının basınçlandırma akış kanalı tıkamak için, bu membran eğilir ve yerel olarak sıvı (Şekil 1) hareket.

Aktif çip üzerinde vanalar arzu edilen nihai uygulamaya bağlı olarak, çeşitli şekillerde imal edilebilir. Vanalarkontrol katmanı (Şekil 1) ¹⁵ üstünde veya akış katmanının altında olmasına bağlı olarak, bir "push" "aşağı itmek" ya da geometri ya yapılandırılabilir. akış kanalları bağlanmış alt tabaka ile doğrudan temas halinde olmak için geometri izin "aşağı doğru itin" ise alt tabaka yüzeyinin seçici işlevsellik ya da desen avantajı veren, geometrisi alt kapama baskılara ve delaminasyon karşı yüksek cihaz istikrar için izin "Push up" Daha sonra işlevselliği ^{18, 19} için.

Vana ayrıca akış kanalının enine kesit profiline bağlı olarak, kasıtlı geçirgen "elek" vana veya tamamen kapatılabilen olabilir. Elek valfler boncuklar, hücreler ya da diğer macroanalytes ¹ yakalama için yararlı olan, ve tipik negatif fotodirencin (örneğin, SU-8 serisi), ha kullanımı ile imal edilmiştirdikdörtgen profiller ettik. Bir kontrol kanalı bu valf bölgeler üzerinde basınç olduğunda, kontrol ve akış tabakası arasında PDMS membran (Şekil 1), köşeleri sızdırmazlık sıvı akışını izin ama makro ölçekli parçacıklar yakalama olmadan vananın dikdörtgen profiline izotropik saptırır. Tersine, tam kapatılabilen mikroakışkan vanalar vana yerlerde yuvarlak paslanmaz çeliğin küçük bir yama dahil ederek üretilmektedir. Bu geometri ile, kontrol kanalının basınçlandırma tamamen sıvı akışını durdurarak, kanal mühür yuvarlak akış tabakasının karşı membran saptırır. Akış tabakasında yuvarlak profiller tipik fotolitografi adımlardan sonra erime ve pozitif fotorezist (örneğin, AZ50 XT veya SPR 220) yeniden akış yoluyla oluşturulur. Biz daha önce vana bölgelerin sonrası yeniden akış yüksekliği seçilen özellik boyutları ²¹ bağlı olduğunu göstermiştir. Bu protokol, her iki valf geometrileri yapımını ile gösteriyorbir boncuk sentez cihazında.

Şekil 1: Çok katmanlı mikroakışkan Vana Geometriler. elek tipik "push" cihaz mimarileri ve (üst) ve sonra (alt) basınçlandırma önce tamamen kapatılabilen valfleri. Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.

Cihazlar aynı zamanda tek bir akış tabakası içinde birden fazla farklı yüksekliklerde özelliklerini gerektiren dirençleri ²⁰ kaotik mikserler ¹³ olarak ve on-chip karmaşık pasif özellikler içerebilir. Bir değişken yükseklik akış tabakası elde etmek için, farklı gruplar baskılı devre kartı aşındırma ^22, çok katmanlı PDMS kabartma hizalama ²³ ya da çok adımlı p dahil pek çok yöntem istihdam varhotolithography ^24. Bizim grup etkili ve tekrarlanabilir bir yöntem olarak tek bir kalıplama yöneticisinde çok aşamalı fotolitografi bulmuştur. Bunu yapmak için, her katmanın uygulama arasında gelişme olmadan katmanlar negatif fotorezist (örneğin, SU-8 serisi photoresistler) kalın kanalları inşa basit bir fotolitografi tekniği kullanılmaktadır. Her katman silikon yöneticisinde kalınlığı kullanarak üreticinin talimatlarına ^25'e göre negatif fotorezist olarak döndürülür. Bu yükseklik özellikleri daha sonra belirli bir saydamlık maskesi (Şekil 2), bir cam maske plakaya tutturulur ve maruz kalmadan önce, daha önce büküm tabakasına hizalanmış kullanarak tabaka üzerine desenli. çok aşamalı olarak foto-litografide, katmanlar arasında kesin bir hizalama tam değişken yükseklik akış kanalı oluşturan çok önemlidir. Sıraya dizme işleminden sonra, her bir tabaka bir kalınlığı bağımlı maruziyet sonrası fırında tabi tutulur. gelişme olmadan, bir sonraki katman sim olduğunuilarly desenli. Bu şekilde, uzun özellikleri birden fazla maske kullanımı ile tek bir akış gofret katman-katman oluşturulabilir. Her bir adım arasında gelişme atlanarak, bir önceki fotorezist tabakaların ²⁴ (yani, iki adet 25 um tabaka bir 50 um özelliği yapabilir) kompozit Yükseklik oluşturmak için de kullanılabilir. Ayrıca, bu tür kaotik karıştırıcı balıksırtı oluklar ¹³ olarak kanal döşeme özellikleri önceden maruz özelliklere sahip katmanlar kullanılarak yapılabilir. Son bir geliştirme adım değişken yükseklik (Şekil 3) özellikleri ile tek bir akış gofret oluşturma, sürecini tamamlar.

Burada, on-chip vanaları ve çoklu yükseklikleri akış kanalları imal için gerekli tüm prosedürlerin örneklerini içeren çok adımlı fotolitografi için tam bir protokol sağlanır. Bu imalat protokolü vana ve variab gerektiren bir çok-tabakalı mikroakışkan boncuk synthesizer bağlamında sunulanle-height işlevselliği için sunuyor. Bu cihaz, Poiseuille direnci, damlacık bileşenleri homojenleştirmek için kaotik karıştırıcı kontrol akış oranlarını modüle etmek üzere, bir yağ kılıfta çip üzerinde dirençleri su damlacıkları oluşturmak için, T-kavşak içerir, ve her ikisi de tam olarak sızdırmaz ve elek vanalar çok reaktif içeren otomatik iş akışları etkinleştirmek girişler. çok aşamalı fotolitografi kullanarak, bu özellikler her bir yükseklikte veya fotorezist göre farklı bir katmandaki imal edilmiştir; Aşağıdaki katmanlar Bu protokol inşa edilir: (1) Akış Yuvarlak valf tabakası (55 mikron, AZ50 XT) (2) Akışı Düşük tabaka (55 um, SU-8 2050) (3) Akış Yüksek katman (85 mikron, SU- 8 2025, 30 mikron katkı yükseklik) ve (4) Balıksırtı Oluklar (125 mikron, 2025 SU-8, 40 mikron katkı yükseklik) (Şekil 3).

Hidrojel boncuklar seçici aşağı deneyleri için yüzey işlevsellik, ilaç kapsülleme, radi dahil çeşitli uygulamalar için kullanılabilirotracing ve görüntüleme tahlilleri ve hücre eklenmesi; Daha önce lantanid nanophosphors ²⁰ içeren spektral kodlanmış PEG hidrojel boncuklar oluşturmak için bu cihazların daha karmaşık bir versiyonu kullanılmıştır. istenirse herhangi bir laboratuvar araştırma çabalarına kullanmak için burada tartışılan tasarımlar Ek Kaynaklar dahildir. Biz bu protokol uzmanları ve Mikroakiskan olarak giriş bariyeri düşürmek ve üretim başarı şansını artırmak için vanalar veya karmaşık geometriye sahip çok katmanlı mikroakışkan cihazların yapımında hem ilgilenen sivil uzmanlar için açık bir kaynak sağlayacaktır tahmin ediyoruz.

Protokol

1. Çok katmanlı Cihaz Tasarımı

Not: farklı yükseklik ve / veya fotodirencin özellikleri nihai bileşik özelliğini oluşturmak için farklı üretim aşamaları esnasında gofrete art arda ilave edilmelidir. Bir gofret kendi maske (Şekil 4) üzerine basılmış olmalıdır üzerinde nedenle, her bir ayrı yükseklik ve paslanmaz çeliğin tasarımları dahil edilecek.

1. (Örneğin AutoCAD Eğitim Version) bilgisayar destekli tasarım (CAD) taslak programı indirin.
2. daire "4 çizerek gofret alan" 4 tanımlayın. Gofret tasarımları (Şekil 4, Ek Kaynaklar) bir örnek olarak verilmiştir.
3. 4 "gofret anahat içinde yer cihazı 300 mikron polyline dikdörtgenler kullanarak komşudur. Fotolitografi sırasında uyum için bu aygıt sınırları kullanın.
4. Yani yuvarlak akış (nihai tasarım için gerekli her farklı yükseklik veya paslanmaz çeliğin için farklı katmanlar oluşturma, düşük akış, yüksek akışKatmanlar panelini kullanarak tasarım ve kontrol).
   1. İlgili katman üzerinde belirli bir istenilen yükseklikte tasarım özellikleri. Örnek tasarımı 4 farklı aktif katmanları, kendi rengiyle her (Şekil 4) göstermektedir.
      NOT: Cihaz sınırları, küresel metin ve gofret anahat kendi katman üzerinde yapılmalıdır (yani, tasarımlarda 1-Negatif), daha sonra, küresel uyum için tüm katmanları görünür. Farklı fotorezist özellikleri ne olursa olsun yüksekliği, farklı katmanlar üzerinde yer almalıdır (pozitif ile imal edilmelidir böyle tamamen kapatılabilen vana gibi karşı).
5. Cihaz sınırları içinde sıfır genişlikli polyline, tasarım cihaz özellikleri kapalı kullanma.
   1. Başarılı imalat şansını artırmak için Tablo 1'de tasarım parametrelerini göz önünde bulundurun.
   2. Her yüksekliği, Katmanlar panelinde o katmanı seçin ve bu yükseklikte tüm özelliklerini ekleyin.
6. hazırHer 4 dikdörtgen sınır "gofret daire, 5 içinde eklenir" Temel Maske dosyası (Ek Kaynaklar) kullanarak şeffaf film baskı için tasarımlar. Her katman, her fotorezist tabakanın ardışık eklenmesi için ayrı bir şeffaf film basılacaktır.
   NOT: Bu, Temel Maske Dosya baskı için kullanılan nihai tasarımlar temsil eder.
   1. 1-Negatif ve AZ50 XT vana katman dışında tüm Katmanlar kapatın tasarımı tamamlamak için. Aktif tabaka (yani, vanalar) ve küresel özellikleri (yani., Cihaz sınırları) ile tüm gofret kopyalayın.
   2. Temel Maske Dosya Aç ve dikdörtgen başlıklı AZ50 XT vanaları içine bu tasarım yapıştırın. uyum için dış gofret sınır kullanın ve daha sonra yapıştırdıktan sonra silin.
   3. (: Kare yüksek akış ve kontrolü, kare düşük akış örnek tasarımı, örneğin) katmanları geri kalanı için tekrarlayın. Örnek şeffaflık dosyaları (Ek Kaynaklar) sağlanır.
   4. Bir com dosya gönderasetat film üzerine baskı için mercial baskı şirketi (örneğin, FineLine Görüntüleme). Yazdırma> 10 mikron özellikleri ve küçük özellikler için 50.000 DPI kadar 32.000 DPI kullanın. az 7 um den özellik gerekmesi halinde, bir Chrome Maskesi yerine bir saydamlık filmi sipariş.

Tablo 1: Dizayn Parametreleri ve Öneriler. mikroakışkan cihazların CAD tasarım sürecinde ortak tuzaklardan kaçınmak için dikkat edilmesi gereken noktalar tasarlayın. Bu tabloyu görmek için lütfen buraya tıklayınız. (Indirmek için sağ tıklatın.)

2. fotolitografi için bir çok ince bisküvi hazırlanması

NOT: Bu adımlar ayrıca Tablo 2'de tablo formatında görünür.

1. Temiz oda veya belirlenen temiz alan, temiz ve bir 4 "test grade silikon gofret (tek taraflı p kurutmakolished).
   1. metanol ile iyice gofret durulayın.
      NOT: Daha başka temizlik adımlar aşağıda açıklanan SU-8 yapışma tabakası kullanılması durumunda ihtiyaç vardır. Bu protokol sapan diğer yapışma tabakaları (örn., HMDS) genellikle piranha aşındırma gibi daha kapsamlı bir temizlik gerektirir.
   2. _N2 veya basınçlı hava ile kurutma.
   3. 10 dakika tam olarak çözücünün buharlaştırılması için 95 ° C 'de bir alüminyum sıcak plaka fırında.
2. Sonraki fotorezist katmanları için yapışma geliştirmek için SU-8 2005 muntazam 5 mikron kalınlığında bir tabaka Üretiyor.
   1. , Spin kaplayıcı temizlenmiş gofret yerleştirin Spin aynasının onu tutturmak için vakum açın ve _N2 veya basınçlı hava ile tozu darbe.
   2. gofret ve spin merkezinde SU-8 2005 negatif fotorezist 1-2 ml uygulayın şöyle: yayılma: 500 rpm, 10 sn, 133 devir / s hızlanma; Dökme: 3,000 rpm, 40 sn, 266 devir / s hızlanma.
   3. gofret kaldırve 65 ° C'ye ayarlanmış, iki ocak ve aşağıdaki programa göre 95 ° C arasında çok ince bisküvi geçiş yumuşak fırında: 65 ° C: 2 dk, 95 ° C: 3 dakika, 65 ° C: 2 dak.
   4. gofret oda sıcaklığına soğumasını bekleyin.
   5. UV maske hizalama ve aynasının gofret yerleştirin ve 124 mJ toplam enerji birikimi için bir maske ( 'sel maruz') olmadan maruz (burada, ~ 6.2 mW / ^cm2 lamba yoğunluğu 20 sn). Varsa, bir 300 mikron gofreti elde etmek için sert kontakt modunu seçin: ayrılması maske.
   6. 65 ° C: 2 dk, 95 ° C: 4 dakika, 65 ° C: 2 dakika 65 ° C'ye ayarlanmış, iki ocak ve 95 ° C aşağıda arasındaki gofret geçiş gofretin ve temas sonrası fırında çıkarın.

Yuvarlak Vanaları imalatı

3. İstenilen vana boyutları ve yükseklikleri için dönüş hızlarını planlamak için çevrimiçi AZ50 XT vana belirleyicisi kaynak ²⁶ kullanın.
   NOT: Aşağıdaki adımlar Depo olacakVana tanımı ve yeniden akıtma yuvarlama pozitif fotorezist bir 55 mikron katman otur.
4. , Spin lak gofret yerleştirin Spin aynasının onu tutturmak için vakum açın ve _N2 veya basınçlı hava ile tozu darbe.
5. gofret merkezine AZ50 XT pozitif fotorezist 2-3 ml uygulayın. Spin aşağıdaki gibi: yayılma: 200 rpm, 10 s, 133 dev / s hızlanma; Dökme: 1200 rpm, 40 sn, 266 dev / s hızlanma; Yapış sıkma kenar boncuk kaldırmak için: 3400 rpm, 1 sn, 3.400 dev / s hızlanma.
6. 5 "Petri kabındaki, dikkatle gofret yatıp 20 dakika dinlenmek izin verin.
7. Yumuşak fırında bir ocak gofret: 65 ° C - 112 ° C, 22 dakika, 450 ° C / saat rampa hızı.
8. gofret çıkarın ve ortam rehidrasyon için bir Petri kabındaki oda sıcaklığında gece boyunca bekletin.
9. Bant Akış Yuvarlak şeffaflık maskesi aşağı 5 "cam levha baskı tarafı (gofret yakın) ve UV maske hizalama maskesi pozisyoner içine yerleştirin. (6 döngüleri UV 930 mJ için gofret Açığa , örneğin, 6.2 mW / ^cm2 lamba yoğunluğu ~ 25 sn 6 kür, 30 s) poz arasındaki süreyi bekleyin.
10. AZ500k 1 25 mL karıştırılmakta olan bir banyo daldırma hemen gofret geliştirin: 6 "cam tabak içinde 3 Geliştirici 3-5 dakika ya da banyo, mor döner ve özellikleri ortaya kadar.
    1. gofret çıkarın ve DI suyla iyice durulayın.
    2. Bir profilometre (10.5 mg stylus kuvveti) ile pre-reflow yüksekliği değerlendirin.
       NOT: Bir sonraki profilleme önce istenilen katman üzerinde bir özellik kanalına dikkatlice kuvvet kalemi konumlandırma, üretici talimatlarına göre profilometre çalıştırın. Bu protokol boyunca kullanılan ayarları aşağıdaki edildi: stylus kuvveti 10.5 mg, uzunluğu 1.000 mm, hızı 200 mm / s, rejim aşağı yukarı.
11. Sert akıtacak şöyle eritmek için gofret ve yuvarlak vana özellikleri fırında: 65 ° C - 190 C, 15 saat, 10 ° C / saat rampa hızı.
12. RT'ye gofret soğuması. Bir profi kullanarak post-reflow yüksekliği değerlendirmeklometer (10.5 mg stylus kuvveti). 55 mikron ± 2 mm yükseklikleri bu cihaz geometri için beklenmelidir.

3. Tandem Değişken Yükseklik Özellikleri Fabricating

1. Boncuk Synthesizer tasarım Akışı Düşük Akış Yüksek ve Balıksırtı Mikser asetatlar ile geliştirilen gofret ile değişken yükseklik fabrikasyon geçin.
2. , Tasarımlar için protokol ayarlamak ±% 5 tolerans sağlayan, pozlama enerji, dönme hızlarını ve fırında zaman parametrelerini belirlemek için üretim veri sayfaları ²⁵ kullanın.
   NOT: Bu protokol vana özellikleri üzerinde bükülmüş SU-8 2050 negatif ışığa kullanılarak 55 mikron boyunda Akışı Düşük katmanı imal ediyor.
3. Spin kaplayıcı temizlenmiş gofret yerleştirin Spin aynasının onu tutturmak için vakum açın ve _N2 veya basınçlı hava ile tozu darbe.
   1. aşağıdaki gibi gofret ve spin merkezine SU-8 2050 negatif fotorezist 1-2 ml uygulayın: yayılmasını: 500 rpm, 10 sn, 133 devir / sn hızlanma; Dökme: 3,000 rpm, 40 sn, 266 devir / sn hızlanma. geliştirilen valf özellikleri üzerinde Spin fotorezist.
4. Dikkatle 5 "Petri kabındaki bükülmüş gofret yerleştirin ve düz bir yüzeye veya desenler solmaya herhangi çizgiler kadar 20 dakika dinlenmek izin verin.
5. 65 ° C: 2 dk, 95 ° C: 8 dakika, 65 ° C: 2 dakika 65 ° C'ye ayarlanmış, iki ocak ve 95 ° C şu şekilde yerleştirerek gofret ve yumuşak fırında çıkarın.
6. gofret oda sıcaklığına soğumasını bekleyin.
7. Bant aşağı kuvars 5 "cam levha baskı tarafı Akışı Düşük şeffaflık maskesi (gofret yakın) ve UV maske hizalama maskesi pozisyoner içine yerleştirin.
8. dikkatle Yuvarlak Vana katman özelliklerini Akış yeni Akışı Düşük katman özelliklerini hizalamak mikroskop mercek ya da kamera kullanarak, UV maske hizalama aynası gofret yerleştirin ve. Maskenin aygıt sınır özelliklerine cihaz sınırlarının yatay, dikey ve eğim eksenlerini hizalayarak başlar. Sonraki çapraz saç özellikleri bahis hizalamakween katmanlar. Son olarak, valf özellikleri Akışı Düşük durumlarda özellikleri kesiştiği teyit etmektedir.
9. 170 mJ UV birikimi (6.2 mW / cm ² ~ 28 sn) maruz.
10. 65 ° C: 2 dk, 95 ° C: 9 dakika, 65 ° C: 2 dakika 65 ° C'ye ayarlanmış, iki ocak ve 95 ° C aşağıda arasında geçiş gofretin ve temas sonrası fırında çıkarın.
11. Gelişmekte olmadan, gofret oda sıcaklığına soğumaya ve Akış Yüksek tabakanın imalatı devam etmek izin verir. Bu Akış Yüksek katman maruz kalmamış yerlerde 85 mikron özellikleri elde etmek için gelişmemiş 55 mikron fotorezist tabakası fotorezist 30 mikron katacak.
12. Yayılma: tekrarlayın 3,10 3,3 2025 SU-8 ve spin kaplama ayarları için bu değişikliklerle Akışı Yüksek katman maskesi kullanarak adımları 500 rpm, 10 sn, 133 dev / s hızlanma; Dökme: 3500 rpm, 40 sn, 266 devir / sn hızlanma.
    1. 198 mJ UV birikimi (~ 6.2 mW 32 s / cm ²⁾ maruz.
13. develo olmadanping, gofret oda sıcaklığına soğumaya ve Kaotik Mikser Herringbone tabakasının imalatı devam etmek izin verir. Bu tabakadaki son özellikler 125 um'lik bir toplam yüksekliğe sahip olur: Akış düşük tabaka 55 um, akış kare katman 30 um ve bu Kaotik karıştırıcı Herringbone tabaka 40 um (bakınız Şekil 3) ve 35 um balıksırtı oluklar içerir .
14. Yineleyin SU-8 2025 ve balıksırtı oluklar sağlanması aşağıdaki değişikliklerle Balıksırtı katman maskesi, Akış Yüksek kanalı özetliyor içinde tamamen kullanarak 3.10 ile 3.3 adımları tekrarlayın.
    1. Aşağıdaki yumuşak fırında programını kullanın: 65 ° C: 2 dk, 95 ° C: 7 dk, 65 ° C: 2 dk.
    2. 148 mJ UV birikimi (~ 6.2 mW 24 s / cm ²⁾ maruz.
15. Tüm katmanlar tamamlandıktan sonra, 3.5 dk için ya da özellik açıkça ortaya çıkan kadar 6 "cam tabak içinde SU-8 geliştirici 25 ml karıştırılan banyo gofret daldırılmasıyla gelişir. Bu featur kontroles Stereoskop kullanarak net tanımlanmış özellik sınırları var.
16. aşağıdaki gibi sert bir sıcak plaka üzerinde tüm fotorezist özellikleri dengelemek için gofret fırında: 65 ° C - 165 ° C, 2 saat 30 dakika, 120 ° C / saat rampa hızı.
17. Bir profilometre (10.5 mg stylus gücü) kullanarak tüm katmanlarda özelliği yüksekliği değerlendirin.

4. Kontrol Gofret Üretim

1. Temiz, suyunu ve Bölüm 4'te olduğu gibi yeni bir 4 "silikon yonga üzerinde bir 5 mikron yapışma tabakası imal.
2. SU-8 2025 negatif ışığa kullanılarak 25 mikron Kontrol Katmanı Üretiyor.
3. , Spin lak gofret yerleştirin Spin aynasının onu tutturmak için vakum açın ve _N2 veya basınçlı hava ile tozu darbe.
4. gofret ve spin merkezinde SU-8 2025 negatif fotorezist 1-2 ml uygulayın şöyle: yayılma: 500 rpm, 10 sn, 133 dev / s hızlanma; Dökme: 3500 rpm, 40 sn, 266 devir / sn hızlanma.
5. arasında geçiş yaparak gofret ve yumuşak fırında kaldırİki ocak 65 ° C'de sıcaklıkla tespit edildi ve 95 ° C aşağıdaki gibi: 65 ° C: 2 dk, 95 ° C: 5 dakika, 65 ° C: 2 dak.
6. gofret oda sıcaklığına soğumasını bekleyin.
7. 5 "cam plaka kontrol şeffaflık maskesi hizalayın ve UV maske hizalama yüklemek.
8. UV maske hizalama ve aynasının gofret yerleştirin ve 155 mJ UV birikimi (~ 6.2 mW / ^cm2 lamba yoğunluğu 25 sn) maruz.
9. 65 ° C: 2 dk, 95 ° C: 6 dakika, 65 ° C: 2 dakika 65 ° C'ye ayarlanmış, iki ocak ve 95 ° C aşağıda arasında geçiş gofretin ve temas sonrası fırında çıkarın.
10. 1 dakika için 6 "cam tabak içinde SU-8 Geliştirici 25 ml karıştırılan banyo gofret daldırarak veya özellikler ortaya çıkana kadar geliştirir. Stereoskop kullanılarak özelliklerini kontrol eder.
11. aşağıdaki gibi sert fotorezist özellikleri dengelemek için gofret fırında: 65 ° C - 165 ° C, 2 saat 30 dakika, 120 ° C / s rampa hızı.

Kolay PDMS Lift-o 5. Silan Gofret Tedavisiff

1. Su ya da suda çözünür reaktif ücretsiz davlumbaz içinde bir çan kavanoz vakum desikatörde içinde gofret rafa tamamlanan gofret yerleştirin.
2. Kapağın altında, kurutma cihazı içinde bir cam slayt ve yere trikloro 1 damla (1 H, 1 saat, 2 saat, 2H -perfluorooctyl) silan (PFOTS) uygulamak için bir damlalık kullanın.
3. Kurutucu Kapağı kapatın ve 1 dakika boyunca vakum uygula.
4. 1 dakika sonra, yeniden basınç veya çan kavanoz tahliye olmadan vakum kapatın.
5. Karışım aerosol haline PFOTS mont gofret yüzeyinin ise 10 dakika bekletin.
6. çan kavanoz kapağı açın ve cımbız kullanarak gofret çıkarın. PDMS çoğaltma kalıplama için bir Petri kabı içine yerleştirin. Uygun tehlikeli atık olarak silan kaplı slaytlar atınız.
   Not: fluorlu silanlar ile gofret yeniden tedavi olmadan kez yüzlerce ile binlerce arasında kullanılabilir. 01:10 PDMS bir kurban tabaka e kaldırmak için ilk silan tedaviden sonra, gofret döküm tedavi ve iptal edilebilirGofret yüzeyinden Xcess silan grupları.

6. PDMS çoğaltma kalıplama

1. Mevcut açık erişim protokolleri ¹⁶ uyarınca camına "push" geometri çok katmanlı mikroakışkan cihazları Üretiyor.
   NOT: ayrıntılı bir protokol ayrıca internet sitesinde ²⁷ bulunabilir.
2. görsel muayene ile, tüm vanalar hatları ve (hem debi ve kontrol katmanları) tüm girişleri kontrol etmek düzgün hizalanmış devam etmeden önce tamamen yumrukladı sağlamak.

Damlacıkların gelen Hidrojel Boncuk 7. Üretim

1. Boru bağlayın (örn Tygon) bir akış kontrol sistemine suyla yüklenir (örneğin, şırınga pompaları, akışkan kontrolörleri, ya da rezervuarların ²⁸ ile açık kaynak selenoid valf dizisi).
2. boru metal işaretçilerine bağlayın ve kontrol çizgisi girişlerindeki cihaz portlarına bağlayın. Akış cont ayarlayarak Aygıt kontrol hatları basınçHer hat için 25 psi seçim rol sistemi. Emin olun vanaları kapatın ve yeniden açık mikroskop altında incelenmesi ile.
   NOT: seçim akış kontrol sistemi için üretici talimatları izleyin. Bu çalışmada, özel bir yazılım kontrollü pnömatik sistem 25 psi basınçlı hava (basınçlı) ve (basınçsız) atmosferik basınç arasında geçiş selenoid vana kullanarak her satıra basınç uygular. Bu sistemde Detaylar Tartışma bulunabilir.
3. Reaktif ve petrol yükleme için özel mikroakışkan basınçlı kaplar hazırlayın.
   1. Bir itme-pin kullanarak, bir kriyojenik flakon tüpün üst iki delikler bir deliğe kılcal PEEK boru takın ve ikinci deliğe boru bağlı bir metal iğne sokun.
   2. epoksi ile yerine tüp Seal. 1 saat boyunca kurumaya bırakın.
4. beklerken, bir mikrosantrifüj tüpü içinde, DI suyun 100 ul bindirme olayı foto-başlatıcı 3.9 mg askıya foto-başlatıcı hazırlamak için ([LAP] 39 mg / ml =)Çözelti boncuk hidrojel damlacıkları polimerize etmek için kullanıldı. Işıktan koruyunuz.
5. İkinci bir mikrosantrifüj tüpü içinde, hidrojel damlacık çözelti yapmak için 132 ul distile su, 172 ul PEG diakrilat, 12 ul LAP solüsyonu ve 85 uL HEPES tamponu ilave edin.
6. tamamlanan kriyojenik tüp kabına hidrojel damlacık çözüm aktarın.
   NOT: nanokristaller, manyetik parçacıklar veya biyolojik moleküller gibi diğer uygulamalar için katkılar HEPES bileşen içinde içerilebilir.
7. kontrol edilebilir bir basınç kaynağına kriyojenik boru geminin boru bağlayın ve cihazın reaktif girişine PEEK boru bağlayın.
8. % 2 h / h iyonik olmayan yüzey aktif madde ile mineral yağı 10 ml hazırlayın (örneğin, Span 80), sıvı yağ damlacık emülsiyonu ve% 0.05 EM90. İkinci bir kriyojenik tüp kabına 0.22 mikron şırınga filtresi ve yük 1 ml kullanarak filtre.
9. damlacıkların toplanması için cihaz çıkışında PEEK boru yerleştirin.
10. Hava Bubbl kaldıryağ, su, veya PEG karışımı girişleri (4 psi çalışma basıncı) basınç yoluyla cihazdan es. Tüm vanalar açın. Sıralı 1 dakika sonra veya hava kabarcıkları PDMS cihaz üzerinden nüfuz kadar bir sıvı yolu her vanayı kapatın. Örneğin, de-kabarcık için balıksırtı karıştırıcılar, vanalar üzerinde Inlet 1, Mix 1 out, ve Mix Atık açın. tüm kabarcıklar bitene kadar, sonra Giriş 1 basınçsız 1 out Mix ve Mix Atık.
11. Cihaz debubbling sonra repressurized olduğunda, Ro1 petrol vanasını ve 10 psi ayarlanmış yağ basıncını basınçsız.
12. yukan valf depressure, 9 psi (giriş 1, 1 damla) PEG karışım basıncı ayarlamak ve arzu edilen boyutta damlacıklar üretmek için gerekli ayarlayın. Damlacık boyutu 50 fps veya daha yüksek olan bir kamera kullanarak mikroskobu ile tespit edilebilir.
13. Damlacıklar stabilize olduğunda, bir UV ışık kaynağından 5 mm nokta yerleştirin (örneğin, sıvı ışık kılavuzuna (LLG) ya da odaklanmış bir UV LED UV nokta kür sistemi) d polimerizasyon bölgesi üzerindeihaz ve UV kaynağından 100 mW / ^cm2 UV (365 nm) uygulanır.
14. polimerize boncuk toplamak ve damlacıklar boncuk haline sertleştirilmiş emin olun izlemek için boncuk elek valfini basınç. Tam polimerizasyon elde etmek için gerektiğinde ug ayarlayın.
15. boncuk elek valfini basınçsız ve çıkış PEEK boru içinden tüpe boncuk toplamak.

Sonuçlar

Burada, damlacıklardaki poli etilen glikol (PEG), hidrojel boncuk üretme kapasitesine sahip cihazlar yaparak valfli, değişken yükseklik çok katmanlı mikroakışkan kalıpların imalatı göstermektedir (Şekil 2). Tamamen uydurma sürecinin bir bakış Şekil önceki çalışmalarından tasarım öğeleri kullanarak 3. dahildir, boncuk synthesizer (1) laminer akış modülasyonu (55 mikron) (2) akış için AZ50...

Tartışmalar

Bu çalışma bizim online araç ²⁶ ve üreticinin talimatlarına ²⁵ dayalı imalat parametrelerinin basit değişiklikler ile herhangi bir uygulama için ayarlanmış olabilir vanalar ve değişken yükseklik geometrili çok katmanlı mikroakışkan cihaz için tam bir multi-step fotolitografi protokolünü gösterir. Bu protokol, basit, pasif bir tabaka kalıp ötesinde mikroakışkan cihazlar oluşturmak isteyen araştırmacılar için çok katmanlı fotolitografi sır ...

Malzemeler

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.