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方法文章

生成尺寸可控的聚乙二醇二丙烯酸酯液滴 通过 半三维流动聚焦微流控装置

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DOI：

10.3791/57198

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2018年7月3日

 ,  ,  ,  ,  , 
1Graduate School at Shenzhen, Tsinghua University, 2The State Key Laboratory of Precision Measurement Technology and Instruments, Tsinghua University

本文内容

摘要

本文介绍了一种用于液滴生成的半三维（semi-3D）流动聚焦式微流控芯片的制备工艺及验证实验方案。

摘要

通过微流控装置中的流动聚焦过程，可生成均匀且尺寸可控的聚乙二醇二丙烯酸酯（PEGDA）液滴。本文提出一种用于液滴生成的半三维（semi-3D）流动聚焦式微流控芯片。该聚二甲基硅氧烷（PDMS）芯片采用多层软光刻技术制备而成。以含表面活性剂的十六烷作为连续相，含紫外光（UV）光引发剂的PEGDA作为分散相。表面活性剂可降低局部表面张力，形成更尖锐的液滴尖端，从而促进断裂形成微小液滴。当分散相压力保持恒定时，随着连续相压力的增加，液滴尺寸逐渐减小，直至分散相流动中断。因此，通过调节两个入口通道的压力比，可选择性地获得直径在1 µm至80 µm范围内的液滴，其平均变异系数估计低于7%。此外，液滴可通过紫外光照射实现光聚合，转化为微球。在这些微球表面偶联生物分子在生物学与化学领域具有广泛的应用前景。

引言

基于液滴的微流控系统能够生成直径在纳米至微米范围内的高度单分散液滴1，在高通量药物筛选2、生物分子合成3,4以及诊断检测5方面具有巨大潜力。由于小液滴具有更高的比表面积以及仅需消耗几微升样品即可实现大规模应用等独特优势，该技术已在众多领域引起广泛关注。两种不混溶液体的乳化是生成液滴的最典型方法之一。在该领域的先前研究中，研究人员已开发出多种不同的液滴生成结构，包括T型 junction、流动聚焦和同向流动结构。在T型 junction结构中，分散相通过一条垂直通道进入主通道，连续相则在主通道中流动6,7。在典型的二维（2D）流动聚焦8,9 结构中，分散相流体从侧向受到剪切作用；而在同向流动结构10,11中，引入分散相流体的毛细管被同轴地置于一根更大的毛细管内部，从而使分散相从各个方向受到剪切作用。

液滴尺寸通过调节通道尺寸和流速比来控制，共流或T型 junction 产生的最小尺寸受限于数十微米。对于流动聚焦式液滴生成系统，通过调节两相压力比和表面活性剂浓度，可形成三种液滴断裂模式，包括滴落模式（dripping regime）、射流模式（jetting regime）和尖端射流模式（tip-streaming15）。尖端射流模式也称为细丝形成，可观察到从分散相流动锥体尖端拉伸出一条极细的细丝。先前的研究表明，在二维或半三维流动聚焦装置中，通过尖端射流过程可生成直径小于几微米的液滴8,12。然而，当使用含有极低浓度PEGDA的水溶液作为分散相时，光聚合后PEGDA微粒的收缩率约为原始液滴直径的60%；而若以未稀释的PEGDA作为分散相，则会导致尖端射流模式不稳定12。界面张力是乳化过程的重要参数，向连续相液体中添加表面活性剂会降低界面张力，从而减小液滴尺寸、提高生成频率13、形成更高曲率的尖端，并防止不稳定性发生14。此外，当体相表面活性剂浓度远高于临界胶束浓度时，界面张力在饱和状态下近似保持不变13，此时可实现尖端射流模式15。

基于上述观察，本文开发了一种利用半三维流动聚焦微流控器件制备PEGDA液滴的简便方法，该器件通过多层软光刻技术制备而成。与典型的二维流动聚焦器件不同，该半三维流动聚焦器件具有较浅的分散相通道和较深的连续相通道，使得分散相可在侧向之外同时受到上下方向的剪切作用。这种结构通过降低液滴断裂所需的能量和压力，扩大了流动聚焦模式的调节范围。与先前报道12不同，本研究中分散相为仅含光引发剂的纯PEGDA，确保PEGDA微粒的收缩率低于10%16；连续相则为正十六烷溶解高体积浓度硅油基非离子表面活性剂的混合物。通过调节两相压力比，可实现尺寸可控且均一的液滴生成。随着液滴断裂过程从射流模式过渡到尖端流动模式，液滴直径可在80 µm至1 µm范围内变化。此外，PEGDA微粒在紫外光照射下通过光聚合反应合成。该易于制备的液滴生成微流控系统将为生物应用提供更多可能性。

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方案

1. 模具制备

  1. 使用绘图软件设计两个光掩模。描述微通道结构的轮廓，并在同一绘图文件中使用两个独立的图层分别表示掩模1和掩模2，确保不同通道之间的所有连接正确无误。将不同图层分别独立地打印到玻璃上的铬板上，由供应商以1 µm分辨率完成。确保光掩模为负极性，即掩模整体为暗色，而设计的结构部分为透明。
    注意： 掩模1包含分散相入口通道和一个孔口。掩模2包含连续相入口通道、过滤结构以及出口。
  2. 在指定的光刻实验室中，清洁一片直径为3英寸的硅片。将硅片放置在旋涂仪上，打开真空以将其固定在旋转夹盘上。在硅片上旋涂2–3 mL SU-8 2025负性光刻胶，先以1,000 rpm转速旋转10秒，再以3,000 rpm转速旋转30秒，形成厚度为20 µm的第一层。
  3. 在95 °C的热板上进行前烘6分钟。待涂覆后的硅片冷却至室温（RT）后，使用掩模1在平行光照条件下进行曝光，光源为15 mW/cm2、365 nm的紫外光，曝光时间为18秒。曝光后，在95 °C 热板上后烘6分钟，然后让硅片自然冷却至室温。
  4. 重复旋涂过程。在硅片上涂覆2–3 mL SU-8 2100负性光刻胶，先以1,000 rpm转速旋转10秒，再以2,000 rpm转速旋转30秒，形成厚度为130 µm的第二层。在95 °C 热板上前烘35分钟后，将掩模2放置在第二层光刻胶上，使用紫外光对准器将其与第一层的分散相通道对准后曝光30秒。曝光后，在95 °C 热板上后烘7分钟。
  5. 将硅片浸入搅拌状态下的50 mL丙二醇甲醚醋酸酯溶液中进行显影，直至硅片上的图形清晰可见，随后用乙醇清洗。最后，将硅片置于恒温平台进行坚膜处理，烘烤2小时。

2. 半三维流动聚焦微流控芯片的制备

  1. 使用自动药膏搅拌器，将PDMS单体与其固化剂以略微不同的质量比分别混合用于上层和下层，通常上层为10:1，下层为8:1，搅拌4分钟。
    注意： 上层和下层PDMS块采用略微不同的PDMS基料与固化剂比例（分别为10:1和8:1），以增强键合强度。当下层采用5:1的比例时，较硬的PDMS块会导致对准困难，并因缺乏柔韧性而降低键合强度。此外，下层PDMS块的厚度约为1 mm，以适应显微镜的工作距离。当采用15:1的比例时，芯片在高压下容易发生变形。
  2. 将混合物倒入90 mm培养皿中的完整硅模具内，形成2~3 mm厚的层。将其置于真空腔中脱气，直至所有气泡消失。随后在烘箱中80 °C 下固化1小时。
  3. 让PDMS冷却至室温。使用手术刀在距离微结构至少3 mm处切割器件，并缓慢将PDMS层从硅片上剥离。使用直径为0.75 mm的打孔器在上层PDMS层上打出分散相入口、连续相入口和出口。
  4. 用粘性胶带清洁PDMS表面以去除灰尘颗粒。将上层和下层PDMS层同时在300 W等离子体清洗机中处理2分钟。将上层对准放置于下层表面，并在体视显微镜下相对滑动两层，直至微结构完全对齐。
  5. 将器件置于烘箱中，在120 °C 下固化一天，以增强键合强度并完成完全粘合。

3. 试剂准备

  1. 配制连续相溶液：在十六烷中溶解18 vol%的硅油基非离子型表面活性剂。
  2. 配制分散相溶液：亲水性聚乙二醇二丙烯酸酯（PEGDA，分子量255）中加入光引发剂2-羟基-4'-(2-羟基乙氧基)-2-甲基苯丙酮（98%，分子量224），浓度为5 mg/mL，以及荧光染料罗丹明B（95%，分子量479.01），浓度为1 mmol/L。
  3. 将连续相填充至气动压力控制器的1 mL储液器中。将分散相填充至200 µL凝胶上样吸头中。

4. 系统准备

  1. 将半三维微流控装置放置在倒置光学显微镜的载物台上，并使用高速相机进行观察。
  2. 通过连接一段短的不锈钢管，将氟化乙烯丙烯共聚物（FEP）管与连续相的穿孔相连，然后将凝胶加样枪头的末端插入分散相的穿孔中。将一段20 cm长的FEP管插入装置的出口，并将其末端置于一个15 mL离心管中。
    注意： 系统的配置如图1所示。

5. 液滴形成

  1. 将装置放置在倒置显微镜的工作台上，确保不同通道的交汇处大致位于显微镜光源的位置。将倒置显微镜聚焦于包含两相交界区域、孔口区域以及下游通道的区域。
  2. 使用气压控制器设定两相的压力，以缓慢将流体输送至交汇区域，其中分散相压力设为 15 mbar，连续相压力设为 30 mbar。等待 3 分钟，使系统稳定并达到平衡，直至流体流动稳定且无气泡和 PDMS 残留物。
  3. 在控制软件的用户界面上输入参数。将分散相的压力设为系统的基准压力并保持恒定，例如维持在 45 mbar。逐渐增加连续相的压力，直到乳液断裂模式由射流模式转变为尖端流动模式，然后等待 5 分钟使系统稳定。
  4. 将连接出口孔的 FEP 管末端放入离心管中，用于收集液滴。

6. PEGDA 颗粒的收集与表征

  1. 将离心管倾斜固定在夹具中。当液相流至管内时，通过紫外光照射实现快速固化，从而获得 PEGDA 颗粒。
  2. 完成收集过程后，分别使用 20X 或 60X 物镜的荧光显微镜取样并观察 PEGDA 颗粒。
    注意。相机拍摄的数字荧光图像通过自定义软件程序进行分析。首先基于 R-L 算法17 对图像进行去卷积处理，以消除失焦光引起的模糊效应；然后基于 Canny 边缘检测方法提取图像中的球形物体；最后利用 Hough 变换18计算每个球形物体的直径。由此可估算每幅图像中球形物体直径的平均值和标准差。

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结果

半三维流动聚焦型微流控芯片采用上述多层软光刻技术制备。本方案中主模具的制备过程及结果如图2所示。第一层提供用于引入分散相的65 µm宽通道和50 µm宽的孔口（图2a），厚度为20 µm。额外增加一层厚度为130 µm的结构，用于形成连续相通道和出口通道（图2b）。图2c展示了制备完成的模具。在入口处设计了一个过滤结构，用于防止打孔过程中产生的PDMS碎屑进入芯片内部，从而避免孔口发生堵塞（图2d）。

制作好主模具后，浇铸过...

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讨论

利用二维和半三维微流控装置在流动聚焦模式下生成液滴的技术已在多种文献中报道8,9,15,19,20,21。在这些系统中，选择无法固化的水相液体作为分散相，例如去离子水8,15,20,21、氢氧化钠水溶液19，而稳定喷尖射流模式的形成需要高压电场的辅助8,

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披露

作者无任何利益冲突需要披露。

致谢

本工作得到深圳市基础研究基金（资助号：JCYJ 20150630170146829、JCYJ20160531195439665 和 JCYJ20160317152359560）的支持。作者感谢中国科学院深圳先进技术研究院陈Y.教授提供的支持。

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材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
硅片Huashi Co., Ltd
SU-8 2025, 2100Microchem Co.Y111069
SU-8 显影液Microchem Co.Y020100
铬版掩模Qingyi Precision Mask Making Co., Ltd
聚二甲基硅氧烷（PDMS）Dow CorningSylgard 184
聚乙二醇二丙烯酸酯（PEGDA）Sigma26570-48-9
2-羟基-4'-（2-羟基乙氧基）-2-甲基苯丙酮TCIH1361-5G光引发剂
十六烷Sigma544-76-3
ABIL EM 90CHT144243-53-8表面活性剂
罗丹明BAladdin81-88-9荧光染料
匀胶机
光刻机
自动膏体搅拌器ThinkyARV-310
烘箱BluePard
光学显微镜OLYMPUSIX71
高速相机Hamamatsu, JapanORCA-flash
MAESFLO 微流控流体控制系统FLUIGENTMFCS-EZ
紫外灯FUTANSI365 nm 紫外光，8000 MW/cm2

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生成尺寸可控的聚乙二醇二丙烯酸酯液滴 通过 半三维流动聚焦微流控装置
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