由弹性微阀阵列控制的微流控芯片

摘要

我们展示了制造和自动化弹性聚二甲基硅氧烷（PDMS）微阀阵列的方案，该阵列无需额外能量即可关闭，并具有光刻定义的精确体积。同时介绍了并行亚纳升级体积混合器和集成式微流控灌注系统。

摘要

微型化的微流控系统为低成本的即时诊断和高通量生物医学检测提供了简单而有效的解决方案。这些应用的两个关键要求是稳定的流体控制和精确的液体体积。我们开发了具有弹性体聚二甲基硅氧烷（PDMS）微阀阵列的微流控芯片，其特点包括：1）无需额外能源即可关闭流体通路，因此装载后的装置具有高度便携性；2）可实现深达1 mm、侧壁垂直的微通道加工，从而获得极为精确的结构特征。

基于PDMS微阀的装置由三层组成：包含不同尺寸流体通道和微腔的流体层、包含用于通过微阀驱动流体通道所需微通道的控制层，以及与控制层键合的中间薄PDMS膜。流体层和控制层通过SU-8光刻胶模具对PDMS进行复制 molding 制备，而薄PDMS膜则通过在特定高度下旋涂PDMS制成。将控制层和薄PDMS膜经氧气活化后键合在一起，再与流体层组装。微阀在静止状态下处于关闭状态，可通过施加负压（例如，实验室真空）打开。微阀的关闭和开启通过计算机软件控制的电磁阀实现自动化。

本文展示了两种基于微阀的微流控芯片，分别用于两种不同的应用。第一种芯片能够以不同的混合比例储存和混合精确的亚纳升级水溶液。第二种芯片可实现计算机控制的微流控细胞培养灌注。

这些器件易于制备且操控简便。由于PDMS具有良好的生物相容性，这些微芯片在微型化诊断检测以及基础细胞生物学研究中具有广泛的应用前景。

方案

使用 CorelDraw 或 AutoCAD 软件设计微流控装置

基于PDMS微阀装置的原理：该装置由三层组成：包含不同尺寸微腔的流体层、包含用于通过微阀驱动流体通路所需微通道的“控制层”，以及位于中间并与控制层键合的薄PDMS膜。在静止状态下，由于PDMS具有柔韧性和疏水性，该膜可逆地紧贴其阀座，从而在无需能量输入的情况下使各微腔彼此隔离。通过施加负压（例如，使用实验室真空系统）可打开阀门，此时PDMS膜向下弯曲，并与分隔两个流体腔室的壁面分离，从而连通流体通路。通过将压力从真空切换至大气压，即可实现阀门关闭。

使用 CorelDraw 或 AutoCAD 软件设计流体层和控制层的图案。通过商业服务（CAD/Art 服务，美国俄勒冈州班顿）将包含这些设计的图案以高分辨率（8,000 至 20,000 dpi）打印在透明薄膜上（未展示掩模）。

使用标准 SU-8 光刻技术制备硅模板

1. 采用标准的 SU-8 光刻方法在洁净室中制备微流控层和阀门控制层的 SU-8“母模”（SU-8 2050，MicroChem，Newton，MA）（本视频中未展示）。
   
   
2. 为便于脱模，在 PDMS 复型前，将 SU-8 母模置于干燥器罐（不加干燥颗粒）中，并暴露于氟硅烷蒸气（十三氟....

讨论

我们微阀设计的主要优势：

1. 关闭流体通路无需额外能量来源，因此装载后的装置具有很高的便携性；且
2. 该装置可通过光刻图案化SU-8模具的PDMS复制品制备，能够微加工出深达1 mm、具有垂直侧壁的通道（即结构的高度可独立于其宽度设定），从而实现极为精确的结构特征。

平行混合器的优点：

1. 易于制备且控制简单。
2. 体积通过光刻技术定义，因此非常精确。
3. 流体和试剂可在微装置中储存数天，从而实现高度便携的检测。
4. 值得注意的是，PDMS 具有生物相容性，因此该装置在微型化诊断检测以及基于细胞的检测（如药物筛选和基于酶的生物分子检测）中具有广泛的应用前景。

集成微流控灌注室的优点：

1. 它能够向单个细胞培养腔室自动灌注多种化学溶液。
2. 入口由微阀控制，可按任意顺序单独、组合或同时开启各个入口。
3. 该装置能够生成各种溶液的浓度梯度或混合液.......

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
洁净硅片	耗材	Silicon Sense Inc.	3P0110TEST	直径3英寸，P型/硼掺杂
"含有SU-8图案的“主模板”"硅片	耗材			使用标准光刻工艺在实验室内部制备
干燥器（2个）	设备	VWR international	24987-048	一个用于硅烷化处理，另一个用于PDMS除气泡
天平	设备	OHAUS Corp.	SC6010
烘箱	设备	Sheldon Manufacturing, Inc.	1330GM
微型涡旋仪	设备	VWR international	58816-121
匀胶机	设备	Headway Research Inc.	PWM32
等离子刻蚀仪	设备	Plasmatic Systems, Inc.	Plasma Preen II-973
加热板	设备	Torre Pines Scientific	HP30A
体视显微镜	显微镜	Nikon Instruments	TMZ1500
CCD相机	设备	Diagnostic Instruments	SPOT RT
电磁阀	设备	Lee Company	LHDA0511111H
数据采集板	硬件	National Instruments	PCI 6025E, CB-50LP
LabView	软件	National Instruments	版本 8.0
十三氟-1,1,2,2-四氢辛基-1-三氯硅烷	试剂	United Chemical Technologies	T2492	硅烷化处理必须在化学通风橱中进行
PDMS预聚物与交联剂	试剂	Dow Corning	Sylgard 184
正己烷	试剂	EMD Millipore	HX0295-6
食用色素染料	试剂	Spectrum Chemical Mfg. Corp.	FD&C 110, 135, 150	蓝色#1、黄色#5、红色#3
3 ml一次性移液管	耗材	Fisher Scientific	13-711-20
吸水纸（Kimwipes）	耗材	Kimberly-Clark Corporation	34155
称量舟	耗材	VWR international	12577-027
压舌板	耗材	Fisher Scientific	11-700-555
P100培养皿	耗材	Fisher Scientific	08-772E
硅胶管（内径1.14 mm）	耗材	Cole-Parmer	07625-30
Tygon管（外径1/16英寸；内径1/32英寸）	耗材	Cole-Parmer	06418-02
Duco胶水	耗材	Devcon Inc.	6245
剃须刀片	工具	VWR international	55411-050
针头	工具	Fisher Scientific	0053482（25号规格）
#5镊子	工具	Fine Science Tools	11251-20
50 ml离心管	耗材	Fisher Scientific	05-526B
密封膜（Seal wrap film）	耗材	AEP Industries Inc.	0153877
1.5 ml微量离心管	耗材	Fisher Scientific	05-406-16
15 ml离心管	耗材	BD Biosciences	352097
紫色无粉腈手套	耗材	VWR international	40101-348
1.2 mm Harris活检打孔器	工具	Ted Pella, Inc.	15074