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。
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本文内容
摘要
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。
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方案
1. 模具制备
- 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。 - 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。
- 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。
- 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....
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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
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 硅片 | Huashi Co., Ltd | ||
| SU-8 2025, 2100 | Microchem 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 Corning | Sylgard 184 | |
| 聚乙二醇二丙烯酸酯（PEGDA） | Sigma | 26570-48-9 | |
| 2-羟基-4'-（2-羟基乙氧基）-2-甲基苯丙酮 | TCI | H1361-5G | 光引发剂 |
| 十六烷 | Sigma | 544-76-3 | |
| ABIL EM 90 | CHT | 144243-53-8 | 表面活性剂 |
| 罗丹明B | Aladdin | 81-88-9 | 荧光染料 |
| 匀胶机 | |||
| 光刻机 | |||
| 自动膏体搅拌器 | Thinky | ARV-310 | |
| 烘箱 | BluePard | ||
| 光学显微镜 | OLYMPUS | IX71 | |
| 高速相机 | Hamamatsu, Japan | ORCA-flash | |
| MAESFLO 微流控流体控制系统 | FLUIGENT | MFCS-EZ | |
| 紫外灯 | FUTANSI | 365 nm 紫外光，8000 MW/cm2 |
参考文献
- Teh, S. Y., Lin, R., Hung, L. H., Lee, A. P. Droplet microfluidics. Lab on a chip. 8, 198-220 (2008).
- Xiao, Q., et al. Novel multifunctional NaYF4:Er3+,Yb3+/PEGDA hybrid microspheres: NIR-light-activated photopolymerization and drug delivery. Chemical communications. 49, 1527-152....
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重印与许可
