微流控气动笼：一种用于芯片内晶体捕获、操控与可控化学处理的新方法

摘要

本文介绍了由聚二甲基硅氧烷（PDMS）制成的双层微流控系统的制备与操作方法。我们展示了该装置在捕获晶态分子材料、引导其组装路径以及在芯片上捕获的结构中控制化学反应方面的潜力。

摘要

在表面上对结构进行精确定位和可控化学处理，是常规实验室技术面临的重要挑战。本文介绍了一种基于微流控的技术，该技术采用双层微流控装置，能够在微流控通道表面原位（in situ）和离位（ex situ）捕获并定位所合成的结构。关键在于，我们展示了如何利用该装置在芯片上被捕获的结构上进行可控的化学反应，并进一步证明了如何利用该技术精确调控晶态分子材料的合成路径及其在微流控通道内的位置。该方法为表面结构的可控组装及其后续处理提供了新的机遇。

引言

分子材料因其在分子电子学、光学和传感器等领域的广泛应用而长期受到科学界的关注^1-4。其中，有机导体是一类尤为引人注目的分子材料，因其在柔性显示器和集成功能器件中发挥着核心作用^5,6。然而，目前用于实现分子基材料中电子电荷传输的方法仅限于电荷传输配合物（CTC）和电荷传输盐（CTS）的形成^7-10。通常，CTC和CTS通过电化学方法或直接的化学氧化还原反应生成；这些过程限制了对给体或受体单元向可实现多功能性的更复杂结构进行可控转化。因此，阐明能够可控生成和调控分子基材料的新系统性方法，仍是材料科学与分子工程领域的重要挑战；若取得成功，必将带来新的功能和前所未有的技术应用。

在此背景下，微流控技术因其能够在合成过程中调控试剂的传热、传质以及反应-扩散体积，近年来已被用于合成基于分子的材料。^11,12简单来说，在连续流动且雷诺数较低的条件下，可实现两种或多种试剂流之间稳定的界面，从而在流道内形成一个可控性良好的反应区域，该区域内的混合仅通过扩散进行。^13-16事实上，我们此前已利用层流来定位微流控通道内配位聚合物（CPs）等晶态分子材料的合成路径¹⁷尽管该方法在实现新型CP纳米结构方面已展现出巨大潜力，但此类结构在表面的直接集成及其形成后的可控化学处理仍有待实现 原位¹⁸为克服这一局限，我们近期研究表明，可有利地利用集成于双层微流控装置中的微流控气动笼（或称阀门）的驱动作用来实现此目的。自Quake研究组的开创性工作以来¹⁹微流控气动阀常用于单细胞捕获与分离²⁰，酶活性研究²¹，小体积液体的捕获²²，功能材料在表面的定位²³ 和蛋白质结晶²⁴然而，我们已经证明，双层微流控装置可用于捕获、定位和整合 原位 形成结构以读取组分及其表面¹⁸此外，我们还证明了该技术可用于对捕获的结构进行可控的化学处理，从而实现两者， "微流控辅助配体交换"¹⁸ 有机晶体的可控化学掺杂^18,25在这两种情况下，均可在可控的微流控条件下合成CTCs，而在最近的一项研究中，同一种材料上实现了多功能性。本文展示了采用含染料流体的双层微流控器件的性能，实现了对配位聚合物（CP）的配位路径及其在微流控通道表面定位的生成与控制，最终评估了对芯片上捕获结构的可控化学处理。

方案

注意：使用绘图软件设计双层微流控装置的两层结构， 例如，AutoCAD 设计并打印成高分辨率胶片掩模，特征精度极限为 5 µm。通过 SU-8 光刻在 4" 硅晶圆，可制造高达50 µm的结构。

1. 使用 SU-8 光刻技术制备主模具

1. 将硅片置于设定为200 °C的加热板上加热10分钟以去除水分。
   注意：硅片脱水可改善接触效果，并确保在旋涂步骤中SU-8光刻胶的均匀铺展。
2. 在3分钟内将脱水后的晶圆冷却至室温。
3. 将晶圆装载到匀胶机上，并在晶圆中心滴加4 ml SU-8光刻胶（每英寸基底约1 ml SU-8）。
   1. 首先，在500转/分钟（rpm）的转速下缓慢旋涂已沉积的SU-8，持续10秒。该转速可确保SU-8在整个晶圆表面的覆盖范围增加。
   2. 其次，通过提高基底的旋转速度来控制SU-8的厚度。在当前实验中，以3,000 rpm的转速旋转30秒，以形成高度为50 µm的SU-8结构。
4. 以低转速（通常为 100 rpm）旋转晶圆时，用棉签小心擦拭边缘的液珠。
5. 将旋涂好的晶圆置于热板上，在 95 °C 下加热 15 分钟，以去除 SU-8 中的残留溶剂即, "软烘").
   注意：图案或模式的存在 "皱纹" 抗蚀层中的现象表明溶剂未完全去除。
6. 将烘烤后的晶圆冷却至室温，然后在曝光前使光掩模的乳剂印刷面与晶圆接触。
7. 打开紫外灯和曝光装置，让系统稳定运行10分钟。使用紫外光度计在365 nm处测量灯的强度，并根据所需曝光能量与365 nm处光强的比值估算所需的曝光时间（曝光时间 = 曝光能量 / 365 nm处的光强）。
   注：当前实验中的曝光能量计算为 250 mJ/cm².
8. 将涂有光刻胶的晶圆置于紫外光下，按照前一步估算的时间曝光。此处曝光时间为79.6秒。
9. 曝光后立即在热板上以65 °C烘烤曝光的晶圆1分钟，随后在95 °C下烘烤5分钟。此步骤中，反应由紫外光引发，并在烘烤后完成。
10. 将烘烤后的晶圆静置3分钟，使其冷却至室温。
11. 将晶圆浸入SU-8显影液中8分钟，溶解未交联的SU-8。为确保完全去除未交联的SU-8，将该过程分为两个步骤进行。
    1. 首先，将晶圆浸入显影液中5分钟，以去除大部分未交联的SU-8。
    2. 然后将晶圆浸入新鲜的显影液中3分钟，以溶解残留的未交联SU-8（通常被困在交联结构之间）。
12. 用异丙醇冲洗已显影的晶圆，并让带有图案结构的晶圆（下文简称 "主模具"静置晾干。若在冲洗主模具时观察到乳白色残留物，则表明显影不完全。
13. 将干燥的主模具置于加热板上，在 200 °C 下加热 2–5 分钟 "硬烤" 基底以及使光刻胶中的潜在裂纹退火愈合。
14. 让制备好的母模冷却至室温。
15. 将主模具置于通风橱内的干燥器中（连接真空泵）。
16. 将100 µl三甲基氯硅烷（TMCS）倒入玻璃烧杯中，并将烧杯置于干燥器内。
    警告：TMCS 易燃、具有腐蚀性和毒性；因此操作必须在通风橱中进行，操作者需佩戴防护手套、护目镜和实验服。
17. 将干燥器置于真空下，静置至少1小时，使TMCS蒸气沉积到主模具表面。
18. 1小时后，缓慢平衡干燥器内的压力，然后打开通向大气。
    警告：切勿在打开的干燥器上方直接呼吸。
19. 移除硅烷化母版并关闭干燥器。

2. 双层微流控装置的制备

注意：该方案对时间和温度特别敏感。任何未严格遵守规定时间范围和温度条件的操作，均可能导致制备出未键合、因而无功能的器件。

1. 将PDMS弹性体与固化剂按5:1的质量比混合，倒入一次性称量皿中，并用塑料刮刀充分搅拌均匀。在本实验中，使用50 g弹性体和10 g固化剂，形成厚度约为5 mm的PDMS层。^19,26.
2. 将充分混合的PDMS置于真空干燥器中脱气，去除夹带的气泡，持续15分钟。
3. 将PDMS弹性体与固化剂按20:1的重量比混合于一次性称量皿中（例如，10 g 弹性体和 0.5 g 固化剂）^19,26.
4. 固定 "对照层" 置于框架中的主模具（在本实验中，为一个直径11 mm的圆形聚四氟乙烯（PTFE）环）。
5. 15分钟后，将20:1的PDMS混合物放入真空干燥器中脱气。
6. 与此同时，从真空干燥器中取出5:1的PDMS混合物，并将其倒入 "对照层" 位于圆形框架内的主模具。将含有PDMS和主模具的框架一同放入真空干燥器中抽真空。保留多余的PDMS。
7. 45 分钟后（即两种 PDMS 混合物放入真空干燥器后 30 分钟），将两种 PDMS 混合物从真空干燥器中取出，并将含有 5:1 PDMS 的框架以及 "对照层" 在80 °C的烘箱中处理主模具。
8. 同时，开始旋涂 "流体层" 将20:1的PDMS混合物涂覆于主模具上。旋涂的转速取决于所需高度，具体参数已有文献报道。²⁷. 力争在60分钟时终止旋涂，并保留残留的PDMS。
9. 60 分钟后，将 "流体层" 将涂有20:1 PDMS的主模具放入80 °C烘箱中旋涂。
10. 75 分钟时，将两个主模具从烤箱中取出。
11. 仅剥离5:1 PDMS "对照层" 主模具，使用刀片将基底切割成单个器件，并在设计确定的入口位置处用1 mm活检打孔器为控制层打孔。此处，控制层长度为24 mm，宽度为24 mm。
12. 使用胶带去除切碎芯片上的碎屑。
13. 手动将切碎并打孔的控制层芯片组装到20:1 PDMS旋涂层上 "流体层" 使用体视显微镜在500倍放大倍数下制备主模具（图1).
14. 倒入并吸取残余的PDMS，使其覆盖组装好的芯片周围，形成较厚的PDMS层，从而在最后阶段便于移除键合的流体层和控制层。
15. 放置 "流体层" 将含有双层装置的主模具置于80 °C烘箱中过夜保存。
16. 次日，将固化后的组件从烘箱中取出，并使其冷却至室温。
17. 从 "流体层" 主模具，使用刀片将制备的双层器件切割成24 mm × 24 mm的大小，并用1.5 mm活检打孔器冲出流体进出口。
18. 用放电电晕处理带有开放通道的芯片表面和盖玻片（24 mm × 40 mm），并立即将其粘合在一起。处理时，将电晕放电在PDMS基片和玻璃盖玻片表面移动约1分钟。或者，可使用台式等离子体系统以促进粘合。
19. 将键合好的双层芯片置于70–80 °C的烘箱中孵育至少4小时。

3. 微流控系统组装

1. 微流控装置组装完成后，使用内径为 0.8 mm 的聚四氟乙烯（PTFE）管将芯片的流体层入口连接至流体储液池（注射器）。
2. 使用外径为 1.6 mm 的硅橡胶管和金属接头，将压力源连接至控制层入口。
3. 通过手动操作的压力源施加 3 bar 的加压空气，以打开和关闭阀门。使用一系列计算机控制的注射泵向通道输送流体。
4. 在倒置显微镜上安装高分辨率相机，观察阀门的驱动过程及装置的运行情况。放大倍数选择 5X 至 63X。

4. 通过气动笼式驱动调控层流流动状态

注意：流体层包含两条宽度为 150 µm 的入口汇聚通道，汇入一条宽度为 300 µm 的较宽主通道。控制层则具有一系列相同的矩形阀门（250 µm × 200 µm），位于主流体通道的上方。

1. 将装置连接至注射泵和气动控制系统后，通过其中一个入口通道以 20 µl/min 的流速引入水性染料溶液。
2. 在 3 bar 压力下驱动阀门使其关闭。
3. 需注意，流体仍可能在阀门周围流动。这一特性对于实现对捕获结构的可控化学处理至关重要^18,25。
4. 通过释放压力使阀门打开。
5. 当染料溶液流经第一条通道时，以 20 µl/min 的流速向第二条入口通道注入另一种水性流体。由于微流控装置中存在层流状态，两种水相流体之间会形成界面。
6. 在 3 bar 压力下驱动阀门使其关闭。此时，阀门的驱动会改变两种水相流体之间的界面位置；该结果可用于在 CP 合成过程中调控其合成路径（vide infra）^18,28。
7. 将两种流体的流速分别调整为 30 µl/min 和 10 µl/min，观察两相界面由此产生的向下或向上偏移的导向现象。

5. 微粒的定位

1. 将制备好的双层芯片连接至注射泵和气动控制系统。
2. 配制含有10 wt.% 荧光聚苯乙烯微粒的水溶液（直径5 µm，激发波长和发射波长最大值分别为468 nm和508 nm）。
3. 使用波长为488 nm的激光作为激发光源。
4. 将含微粒的流体以总流速20 µl/min引入两个入口通道。
5. 等待2分钟，直至流动状态稳定。
6. 以3 bar压力驱动阀门使其关闭。在维持流动的条件下，部分微粒将被截留在阀门下方并固定在表面。

6. 配位聚合物（CP）的生成与可控还原

1. 配制2.5 mM的硝酸银（AgNO₃）水溶液。
2. 配制2.5 mM的半胱氨酸（Cys）水溶液。
3. 在乙醇中配制饱和的抗坏血酸溶液¹⁸。
4. 使用相同的双层芯片，将两种试剂分别注入两个入口通道（每个入口一种试剂），流速均为50 µl/min。
5. 观察在两股共流液体界面处形成的银与半胱氨酸（Ag(I)Cys）配合物（CPs）。
6. 在3 bar压力下启动阀门，将生成的Ag(I)Cys配合物截留在阀门下方。
7. 以50 µl/min的流速向入口通道中注入蒸馏水，洗去合成过程中残留的过量试剂。
8. 释放压力并打开阀门。在停止流动条件下，生成的配合物仍保留在阀门下方。
9. 为了对截留的Ag(I)Cys配合物进行可控的化学还原，将阀门压力降至1 bar，并以10 µl/min的流速通入乙醇中的饱和抗坏血酸溶液。
10. 观察到明显的颜色变化，这是由于抗坏血酸将Ag(I)还原为金属银（Ag(0)）所致¹⁸。

结果

双层微流控装置由两个键合的微流控芯片组成，芯片结构为聚二甲基硅氧烷（PDMS），如图1所示。第一层同时与表面键合，用于流体流动（流体层），而第二层直接与第一层PDMS键合，用于气体流动（控制层）。

图1. 双层微流控装置。（A）示意图及（B）本研究中所用双层微流控装置的显微图像。请点击此处查看该图的放大版本。

通过控制层中的通道注入气体，可将流体层挤压至表面（图 2A 和 图 2B），从而实现对微流控通道表面结构的捕获与定位。PDMS 膜驱动可用于生成由气动控制器调控的气动笼结构和/或微阀。作为膜驱动的示例模型，我们展示了流体层完全偏转后，在阀门启动后可阻止含染料的流体在阀门下方循环（图 2C），以及荧光微粒在微通道表面的捕获（图 2D 和 图 2E）。

图 2. 膜驱动及结构捕获。 （A）侧视图和（B）顶视图示意图，显示双层微流控装置在气动阀驱动前（上）和驱动后（下）的状态。（C）双层微流控装置在挤压流体层前（上）和挤压后（下）的显微图像。在下图中，流体层填充了罗丹明染料的水溶液，以便更清晰地观察膜的驱动情况。（D）双层微流控装置在阀门驱动前（上）和驱动后（下）的明场显微图像，流动的水溶液中含有荧光聚苯乙烯颗粒（10 wt.%）。（E）D 中光学显微镜图像的荧光图像。请点击此处查看该图的放大版本。

图3A 示例了捕获 原位 通过气动笼的驱动，在双层微流控装置内生成配位聚合物。注意，在第一个阀门驱动后会形成一条新的配位路径。阀门的驱动可确保捕获在两种试剂流界面处生成的Ag(I)Cys配位聚合物，并促进新配位路径的形成图3A在先前的研究中可以找到对两种试剂流界面处生成的Ag(I)Cys配位聚合物的详细化学表征^17,18此外，在用纯水流冲洗去除多余试剂溶液后（图3B），可向微流控通道中加入乙醇饱和抗坏血酸溶液，以实现对芯片上捕获结构的可控化学还原图3C）。将阀门压力从3 bar降低至1 bar有利于在夹紧区域下方对被捕获的Ag(I)Cys CP进行可控的化学处理¹⁸被捕获的Ag(I)Cys配合物颜色变为深棕色，归因于一价银被还原为金属银，这与先前的观察结果一致。^18,29.

图3. Ag(I)Cys 配位聚合物的捕获与可控化学还原 (A光学显微镜图像，显示捕获一个 原位 合成Ag(I)Cys配位聚合物及构建新的配位路径。（B）用水流洗去多余试剂溶液后，在夹紧区域下方捕获的配位聚合物的显微图像，以及（C），同一微阀在还原反应过程后的显微图像。 请点击此处以查看此图的放大版本。

讨论

该报道的方法可轻松修改，以制备不同形状的阀门，从而适用于其他应用，例如流体限制。事实上，该方案的灵活性还允许调节底层厚度，从而调节PDMS膜的厚度，范围可从几十微米到数百微米，以满足特定应用需求。此外，器件每一层中结构的尺寸可根据目标应用进行优化，而通过以不同转速旋涂光刻胶，即可简单实现主模具上不同高度的结构。提高光刻胶的旋涂速度可获得更薄的结构。

为了更好地实施本方案，制作母模时必须具备一个洁净的实验环境；否则，制作过程将导致有缺陷的母模，从而产生无法使用的微流控器件。本方案中应强调两个关键方面：i) 烤箱温度需恒定调节至 80 °C；ii) 各步骤之间的程序化时间间隔必须严格遵守。任何对方案中温度和时间参数的改动都可能导致芯片无法键合，从而产生无功能的器件。

微流控系统中通常遇到的“无湍流”条件最近已被用于在单层微流控芯片内部³⁰和外部³¹生成微结构或分子材料。在双层微流控芯片中，可通过气动腔室^18,28调控层流状态，从而操控连续共流之间形成的界面。这些装置还能有效控制合成路径，进而实现对表面物质的精确定位与捕获¹⁸。

如前所述，双层微流控芯片中的气动驱动已被用于多种应用，例如细胞捕获²⁰、酶活性研究²¹以及蛋白质结晶²⁴。然而，已有报道的方法主要目的是提出一个可用于捕获并引导晶态分子材料的组装路径，以及在芯片上被捕获的结构中控制化学反应的平台^18,25。

所述方法不仅能够捕获各向异性结构，还可用于将颗粒定位到表面。未来的研究可有效致力于设计新型阀体结构，以拓展其在生物学、材料科学和传感器技术中的应用。通过组合不同的阀体形状，以及改变通道高度和膜厚度，可针对特定应用进行优化，例如基于扩散混合的化学研究以及材料生长的定位控制。

所述微流控平台的另一个应用是在晶体的可控化学掺杂方面，这可实现晶体结构中界面的合理化形成¹⁹。该方法还支持对芯片上捕获的结构进行多种后续处理，这一技术无疑将为材料工程领域开辟新的前景。

需要强调的是，目前能够在动态条件下以及在晶态物质上实现可控化学反应的技术非常有限，因此这一方法在材料相关领域具有很高的吸引力。然而，该技术的一个主要局限在于使用了聚二甲基硅氧烷（PDMS）。PDMS弹性体与许多有机溶剂不相容，这限制了可在这些微流控芯片内进行的反应种类。未来，为了将该研究领域拓展至其他材料和化学体系，迫切需要开发出能够耐受并稳定抵抗更广泛种类有机溶剂的其他弹性体材料。

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
高分辨率薄膜掩模	Microlitho, 英国	-	特征尺寸小至 5 μm
SU8 光刻胶	MicroChem Corp., 美国	SU8-3050	-
硅晶圆	Silicon Materials Inc., 德国	4" 硅晶圆	正面：抛光，背面：蚀刻
硅橡胶套件（PDMS）	Dow Corning, 美国	Sylgard® 184	-
匀胶机	Suiss MicroTech, 德国	Delta 80 匀胶机	-
紫外光度计	Gigahertz-Optik Inc., 美国	X1-1	-
掩模对准器	Suiss MicroTech, 德国	Karl Suss MA/BA6	-
SU8 显影液	Micro resist technology GmbH, 德国	mr-Dev 600	-
三甲基氯硅烷	Sigma-Aldrich, 瑞士	386529	≥97%，注意：仅可在通风橱中操作。
活检打孔器	Miltex GmBH, 德国	33-31AA-P/25	1 mm
活检打孔器	Miltex GmBH, 德国	33-31A-P/25	1.5 mm
玻璃盖玻片	Menzel-Glaser, 德国	BB024040SC	24 mm × 60 mm, #5
实验室电晕处理仪	Electro-Technic Products, 美国	BD-20ACV	-
聚四氟乙烯管	PKM SA, 瑞士	AWG-TFS-XXX	AWG 20TFS，100 m/卷
硅橡胶管	Hi-Tek Products, 英国	-	内径 1 mm
neMESYS 注射泵	Cetoni GmbH, 德国	低压型 (290N)	-
高分辨率相机	Zeiss, 德国	Axiocam MRc 5	-
荧光倒置显微镜	Zeiss, 德国	Axio Observer A1	可在两个波长下工作，即，350 nm 和 488 nm
绿色荧光聚苯乙烯微粒	Fisher Scientific, 瑞士	11523363	粒径：5.0 μm，固含量：1%
硝酸银（AgNO3）	Sigma-Aldrich, 瑞士	209139	≥99.0%
L-半胱氨酸（Cys）	Sigma-Aldrich, 瑞士	W326305	≥97.0%
一次性称量皿	Sigma-Aldrich, 瑞士	Z154881	长 × 宽 × 高：86 mm × 86 mm × 25 mm
一次性称量皿	Sigma-Aldrich, 瑞士	Z708593	六边形，XL 尺寸
塑料刮刀	Semadeni, 瑞士	3340	长 × 宽：135 mm × 14 mm
染料 Bemacron ROT E-G	Bezema, 瑞士	BZ 911.231	红色
体视显微镜	Wild Heerbrugg, 瑞士	Wild M8	500 倍放大
一次性手术刀	B. Braun, 瑞士	233-5320	型号 20
L-抗坏血酸	Sigma-Aldrich, 瑞士	A4403	-