本文描述了一种用于制备具有透明观察窗的塑料微流控器件的方案，该器件适用于可见光和红外光成像。
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摘要
摘要
活体生物样品的红外（IR）显微光谱分析受到中红外区水分子强吸收以及缺乏合适微流控装置的限制。本文展示了一种塑料微流控器件的制备方案，采用软光刻技术将透明氟化钙（CaF₂）窗口嵌入器件结构中，以实现适用于中红外显微光谱的透光检测平台。该方法可有效减少水吸收干扰，提升活细胞或组织在生理环境下的原位红外成像与光谱采集质量。 关键词：红外光谱，显微光谱，微流控器件，软光刻，氟化钙，CaF₂，活体样品，生物样品，中红外，水吸收2) 观察窗与观察室相连。该方法基于复制铸模技术，通过标准光刻工艺制备聚二甲基硅氧烷（PDMS）模具，并以此作为模板制作塑料装置。该塑料装置具有由CaF₂制成的紫外/可见/红外（UV/Vis/IR）透明窗口2 以便使用可见光和红外光进行直接观察。该方法的优点包括：减少了对洁净室微加工设施的依赖，具备多个观察窗口，通过塑料外壳可方便且灵活地连接外部抽吸系统，以及设计上的灵活性。 例如，开/闭通道构型，以及添加纳米多孔膜等复杂功能的可能性。
引言
傅里叶变换红外光谱显微技术（FTIR）已被广泛用作一种无标记、非侵入性的成像技术，可提供样品的详细化学信息。该技术能够提取生化信息以研究生物样品的化学特性，且样品前处理步骤极少，因为样品的吸收光谱包含了其化学组成的固有指纹特征1,2近年来，傅里叶变换红外光谱（FTIR）被越来越多地应用于活体生物样品的研究。 例如细胞3然而，水在大多数情况下是活细胞的介质，其在中红外区域具有强烈的吸收峰。即使仅以薄层存在，也会完全掩盖样品的重要结构信息。
多年来，常用的方法是固定或干燥样品，以完全消除光谱中的水吸收信号。然而，这种方法无法对活细胞进行实时测量，而实时测量对于研究细胞化学成分和细胞过程随时间的变化至关重要。获得活体生物样品可靠吸收光谱的一种方法是将红外光束在介质中的总光程长度限制在10 µm以下4。
在活细胞实验中，迄今为止已建立成熟的方法是衰减全反射（ATR）-傅里叶变换红外成像技术，该技术可实现不受样品厚度影响的测量，使细胞能够在较厚的水相培养基中维持活性。然而，由于倏逝波的穿透深度较小，该方法仅能对ATR晶体表面数微米范围内的样品区域进行检测5。
此外，随着多种微流控系统的发展，水吸收的限制已得到克服。这些系统通常分为两大类：开放式通道（其中一种流体表面暴露于大气中）和封闭式通道（通过具有确定厚度的间隔层分隔两个红外透明窗口）。
Loutherback 等 开发了一种开放式通道膜装置，可实现对活细胞长达7天的长期连续红外测量6。该方法需要在高湿度环境中进行，以防止细胞表面培养基蒸发。该系统最适合在气液界面自然生长的细胞，例如皮肤、肺和眼睛的上皮组织，或微生物生物膜7。
封闭通道构型旨在两个平行的红外透明窗口之间形成一层均匀且较薄的液体层，使细胞保持在其水性培养基中。该腔体的厚度需控制在使水的吸收信号低于饱和水平。随后可通过扣除水背景获得准确的样品光谱。大多数封闭通道方法采用塑料垫片将两个窗口隔开，从而构成一个可拆卸的液体池3,8,9。该方法的优点是无需微加工工艺；然而，在薄垫片中实现比具有进样和出样通道的测量池更复杂的结构极为困难。此外，由于依赖机械夹紧固定，红外测量之间的光程长度重复性也存在问题。为了更精确地控制间距，从而实现更可靠的光谱采集，已采用光学光刻技术在红外基底表面涂覆光刻胶以定义垫片结构9,10,11,12。尽管这种方法使得在垫片中定义更复杂的结构成为可能，但其需要在每个基底上使用微加工设备来制备图案，限制了其广泛应用。
本文介绍一种可兼容红外光谱的微流控装置的简易制备技术，旨在降低制备成本并减少对微加工设施的依赖。此处所述方法（见图1）采用了一种称为软光刻的成熟工艺。该方法需要两个模具：主模具由4英寸硅晶圆通过标准紫外光刻工艺制成；副模具则是由PDMS复制而成的主模具复制品，其图案极性与硅主模具相反，可作为后续器件制备的母模。
该装置具有两个独立的层：第一层包含微流控结构（在本示例中包括微流控通道、进样口/出样口以及带有氟化钙（CaF2）观察窗的观察室），第二层为平坦表面（仅包含一个氟化钙（CaF2）观察窗）。
此处使用一种可紫外光固化的光学胶——诺兰光学胶73（Norland optical adhesive 73，NOA73，以下简称NOA）来形成器件的主要塑料结构。使用这种光学胶具有多个优点：制造成本低、易于与外部系统连接、光学透明性好、黏度低，且最重要的是具有良好的生物相容性13。由于氟化钙（CaF2）具有良好的生物相容性和优异的红外透射性能，因此是作为观察窗的合适选择14。
采用这种新方法，仅在制备主模具时严格需要微加工设施。后续的塑料微流控装置制备过程可在任何配备紫外光源的实验室中进行。
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方案
1. 硅胶主模具的制备
注意：制备主模具需要使用光掩模。光掩模可从独立供应商处购买，也可通过标准的光学掩模制备工艺在实验室内部制备。本实验中采用具有明场极性的光掩模（图2a）。
- 图案定义
- 在4英寸硅片上旋涂SU-8 3010负性光刻胶，转速为2,300 rpm，持续30秒。
- 在热板上对光刻胶进行前烘：先在65 °C下加热2分钟，再在95 °C下加热8分钟。
- 在掩模对准器下，通过掩模将光刻胶暴露于紫外光（i线，365 nm）中，总曝光能量为100–120 mJ/cm2；建议采用硬接触模式以获得更佳分辨率。
- 取出硅片，在65 °C下进行曝光后烘烤1分钟，随后在95 °C下烘烤2分钟。
- 在室温下使用SU-8显影液显影光刻胶，然后用异丙醇冲洗，并用氮气轻轻吹干；测得的图案厚度应为10 µm或更低。实际硅模具的图像见图2b。
- 硅模具的硅烷化处理
- 在氧气流量为20 sccm、功率为60 W的条件下，对硅模具进行30秒的氧气等离子体处理。处理过程中将腔室压力设定为1–10 mbar。
- 将模具放入真空罐中，加入50 µL硅烷试剂，保持真空状态（1–10 mbar）至少2小时。
注：硅烷化处理可在表面形成疏水涂层，防止PDMS粘附于模具15。需注意，主模具也可通过其他方法制备，例如干法刻蚀硅片。在此情况下，所用掩模的极性相反（暗场），且步骤1.1中的图案定义应使用正性光刻胶。
2. PDMS 二次模具的制备
- PDMS 混合
- 按 10:1 的比例混合 PDMS 弹性体和固化剂；混合总量应使最终形成的 PDMS 厚度约为 1 至 1.5 mm。
- 充分混合后，将混合物置于真空罐中，在真空状态（1–10 mbar）下静置约 15 分钟，直至无可见气泡；此步骤旨在去除混合物中夹带的空气。
- 模具复制
- 将 PDMS 混合物倒入第 1 步制备的硅模具上，并在相同条件下（同第 2.1.2 步）进行脱气以去除夹带的空气。在加热板上于 70 °C 加热 2 小时以固化混合物。
- 将固化的 PDMS 从加热板上取下，冷却至室温。使用剃刀刀片沿硅模具边缘切割 PDMS。
- 用一对镊子夹住已切割 PDMS 的一个角，小心地将 PDMS 复制品从硅模具上剥离；该次级模具上的微流控图案呈凸起状，与原始模具的极性相反（图 2c）。
- PDMS 复制品的硅烷化处理（与第 1.2 步相同）
- 在氧气流量为 20 sccm、功率为 60 W 的条件下，对 PDMS 模具进行 30 秒的氧气等离子体处理。处理过程中将腔室压力设定为 1–10 mbar。
- 将模具放入真空罐中，并加入 50 µL 硅烷试剂，使真空罐保持在真空状态（1–10 mbar）至少 2 小时。
3. PDMS 模板的制备
注意：为了标准化最终器件的形状和尺寸，并便于对齐器件两半部分的主要结构，使用了两个独立的聚二甲基硅氧烷（PDMS）模板，以定义器件的几何形状、透明窗口的位置以及进出口连接。第一个PDMS模板有助于器件图案化半部分的制备，而第二个模板则有助于简化器件平整半部分的制备。
- 使用计算机辅助设计（CAD）软件设计模板。图3a展示了用于制备器件图案化半部分的模板布局和尺寸。为制备器件的平面半部分，需从设计中移除直径为1.5 mm的孔。
- 通过外部供应商或内部机械加工车间（如有）获取模板。
注意：选用丙烯酸树脂作为模板材料，因其在任何标准加工车间中均易于加工且成本较低。也可采用其他替代方案，例如3D打印。 - 按10:1的比例混合PDMS弹性体与固化剂；确保配制足够量的PDMS，以完全浸没模板。
- 充分混合后，将混合物置于真空罐中，在真空状态（1–10 mbar）下静置约15分钟，或直至无可见气泡（以较晚者为准）；此步骤旨在去除混合物中夹带的空气。
- 将PDMS混合物倒入丙烯酸模板上，直至模板最顶部表面位于液面以下约1 mm处。再次对PDMS进行脱气处理，条件同步骤3.4。随后将样品置于水平加热板上，在60 °C下加热2小时，使混合物固化。
- 从加热板上取下固化的PDMS，并使其冷却至室温。使用剃刀刀片沿丙烯酸模板边缘切割PDMS。
- 用镊子夹住已切割PDMS的一角，小心地将PDMS从丙烯酸模板上剥离。
注意：图3b展示了用于制备器件图案化半部分的PDMS复制品的布局和尺寸。 - 通过重复步骤3.3至3.7，使用无直径1.5 mm孔的丙烯酸模板，制备用于制造器件平面半部分的第二个PDMS复制品。
4. 微流控芯片的制备
- 器件图案化半部分的制备（即 ，含设备布局）
- 用 CaF 处理2 在60 W功率、20 sccm氧气流速条件下，使用氧气等离子体处理窗口30秒。此步骤旨在改善后续加工过程中NOA的流动性能。
注意：此步骤并非必需。 - 将第一个PDMS模板（带有直径为1.5 mm的柱状结构）小心地放置在平坦表面上， 例如，一种苏打石灰板（图4a）。放置一块氟化钙（CaF₂）窗口片2 以 PDMS 塞为中心放置窗口，并轻轻按压窗口，使其与塞子良好接触（图4b).
- 取步骤2制备的PDMS模具，将一片薄的紫外光透射板（本实验中为石英板，厚度500 µm，尺寸1.5 cm × 1.5 cm）置于模具背面，与中央腔室位置对齐图4c确保石英板与PDMS模具充分接触。
注意：石英板可防止模具的非目标区域与CaF轻易接触2 窗口。 - 轻轻将此PDMS模具正面朝下置于CaF2 流体腔室与CaF中心对齐的窗口2 窗口。确保所有元件（模板、模具和窗口）紧密接触并对齐（图4c-4d).
- 在PDMS模板的入口处逐渐滴加NOA，并使其缓慢填充空腔。当树脂接触到窗口边缘时，毛细作用将填充PDMS模具与CaF₂之间约10 µm的薄层间隙。2 窗口图4e-4f).
- 待空腔完全填满后，通过暴露于紫外光下固化NOA例如，配备紫外LED照射系统， 图4g).
注意：曝光时间可能根据紫外光源的能量而有所变化。该UV-LED曝光系统提供的功率密度为24 mW/cm²。2，需要在100%功率和连续暴露模式下持续约90秒。 - 小心地从PDMS模具背面取下薄石英片，然后轻轻地将PDMS模具从NOA层顶部剥离图4h最后，从PDMS模板上移除NOA层（图4i).
注意：在固化后的NOA上形成的器件布局将与原始硅模具中的图案具有相同的极性。
- 用 CaF 处理2 在60 W功率、20 sccm氧气流速条件下，使用氧气等离子体处理窗口30秒。此步骤旨在改善后续加工过程中NOA的流动性能。
- 装置平面部分的制备（即 （无设备布局）
- 用 CaF 处理2 在60 W功率下，以20 sccm的氧气流速进行30秒的氧气等离子体处理。
注意：此步骤并非必需。 - 将第二个PDMS模板（无1.5 mm直径柱状结构）小心放置于平坦表面， 例如，一个苏打石灰板。放置一块CaF2 将窗口置于PDMS塞的顶部中央，并轻轻按压窗口，使其与塞子良好接触。
- 将一块厚度为1 mm、尺寸为5 cm × 3.5 cm的PDMS片置于CaF₂上2 将PDMS片与PDMS模板中心对齐，贴合于窗口上。确保PDMS片与窗口良好接触。
- 在PDMS模板的入口处逐渐滴加NOA，并让其缓慢填充腔体。
- 待空腔完全填充后，通过暴露于紫外光下固化NOA例如，使用紫外LED曝光系统）。
注意：曝光时间可能因紫外光源的能量而有所不同。使用提供24 mW/cm²功率密度的紫外LED曝光系统时，2，这需要在100%功率和连续暴露模式下持续约50秒。 - 从NOA层顶部剥离PDMS片，并小心地将固化的NOA层从PDMS模板上取下。
- 用 CaF 处理2 在60 W功率下，以20 sccm的氧气流速进行30秒的氧气等离子体处理。
- 装置两半部分的粘接
- 将设备的两半对齐，使两个CaF2 对齐窗口。用手指轻轻按压NOA层两半部分的角落，使两部分的位置固定。
- 使用直径为 8 mm 的打孔器从 1 mm 厚的 PDMS 片材上切割出两个圆形薄片图5a).
- 从一块1 mm厚的PDMS板材上切割出两个与装置尺寸相同的矩形（4 cm × 2.5 cm）。在两个PDMS矩形上，分别切割出与装置的通道以及进样口/出样口相对应的开口。
注意：PDMS 矩形片上的预切开口旨在防止按压过程中通道塌陷。 - 从底部开始按以下顺序堆叠：一个带预切开口的PDMS矩形片、一个PDMS圆片（与底部窗口接触，步骤4.3.2中切割）、装置经手指按压后的两半部分、第二个PDMS圆片（置于顶部窗口上），最后是另一个带预切开口的PDMS矩形片图5b).
- 将该组件置于真空压机装置中，使其夹在两块板之间，并密封塑料袋（图5c开启真空泵并抽真空。让真空泵达到其基础压力，或至少抽真空10分钟。
注意：达到的基底压力取决于所用真空泵的性能以及塑料袋密封的质量。 - 将抽真空后的组件置于270 W的宽带汞灯下进行15分钟紫外照射。关闭真空泵，使组件缓慢恢复至大气压，然后从装置中取出最终器件。
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结果
图6展示了全新CaF2窗口、器件的图案化半部分以及完整器件的透射光谱。这三条光谱在中红外区域均表现出优异的透明性，透射率高于80%。完整器件光谱中可见的干涉条纹（图中黄色曲线）是由两个窗口之间9–10 µm空气间隙引起的。这些光谱表明，本文所介绍的制备方法并未改变CaF2在中红外范围内的透明性。
图7a 展示了在PDMS二级模具上通过NOA复制微流控结构的良好示例。由于在部分紫外光固化后，NOA层能够从PDMS模具上干净地剥离，因此CaF2窗口顶部的结构成型良好。在模具或与模具凸起部分接触的窗口表面，均不应残留NOA材料。任何粘附在模具上的NOA都会导致窗口上相应结构缺失，从而在最终器件的流体实验中引发泄漏。此外，为了实现两个半片的良好...
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讨论
为了评估和优化制备工艺，我们采用了一种简单的微流控图案布局，其中心为一个较大的矩形腔室（尺寸为 5 mm × 2.5 mm），上下两侧分别设有两个与主通道隔离的小型矩形腔室（尺寸为 5.5 mm × 0.75 mm），以及宽度为 300 µm 的进样/出样通道。中心腔室用于细胞的接种和观察，而两个分离的小腔室则用作傅里叶变换红外光谱（FTIR）实验中的参考腔室，以测量空气背景信号，如先前发表的研究中所述13。进样和出样通道将中心腔室与外部流体系统相连。
此处引入了模板工具（见实验方案步骤3），以简化制备过程。此前，难以 consistently 将 CaF2 窗口精确置于最终器件的中心位置，这在对齐器件两半时会造成问题。使用模板可为窗口的放置提供视觉引导，并确保每次位置基本一致。由于这些模板的几何精度要求并不苛刻，因此可采用标准且低成本的加工技术制造。本研究中，我们通过在车间机械加工丙烯酸塑料来制作模板，但同样可行且经济的替代方法是3D打印。
丙烯酸模板的设...
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披露
作者无任何利益冲突需要披露。
致谢
作者们衷心感谢 MBI 提供的经费支持。
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材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 化学试剂 | |||
| 三氯(1H,1H,2H,2H-全氟辛基)硅烷 97% | 西格玛奥德里奇 | 448931-10G | |
| Sylgard 184 硅橡胶弹性体套件 | 道康宁 | 聚二甲基硅氧烷，简称 PDMS | |
| Norland 光学胶 73 | Norland 产品公司 | 7304 | |
| SU8 3010 光刻胶 | MicroChem | Y311060 | |
| SU8 显影液 | MicroChem | Y020100 | |
| 材料 | |||
| 硅晶圆，4 英寸，优等品级 | Bonda Technology Pte Ltd | ||
| CaF2 红外级窗口片 | Crystran, 英国 | CAFP10-1 | 直径 10 mm，厚度 1 mm |
| 丙烯酸模板 | 定制 | ||
| 设备 | |||
| UV-KUB 2（紫外 LED 曝光系统） | KLOE | 发射光谱 365 nm ± 5 nm | |
| 纽波特紫外灯 | 纽波特 | 型号 66902 | 50–500 瓦汞弧灯 |
| CEE 旋涂仪 | Brewer Science | 型号 200x | |
| MJB4 掩模对准器 | SUSS MicroTec | ||
| 精密数字加热板 | Harry Gestigkeit GmbH | 2860SR | |
| 等离子体表面处理仪 | Diener Electronic GmbH + Co. KG | 用于 O2 等离子体处理 | |
| IDP-3 干式涡旋真空泵 | 安捷伦科技 | 极限压力 3.3 × 10-1 mbar | |
| Bruker IFS 66v/s 傅里叶变换红外光谱仪 | Bruker |
参考文献
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