方法文章

通过连续湿法刻蚀工艺一步法制备不同几何截面的聚二甲基硅氧烷微流控通道

DOI：

10.3791/57868

⸱

2018年9月13日

 ,  ,  , 
1Research Center for Applied Sciences, Academia Sinica, 2Department of Civil Engineering, Tamkang University, 3College of Engineering, Chang Gung University

本文内容

摘要

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

目前已有多种方法可用于在聚二甲基硅氧烷微流控器件中制备具有非矩形截面的通道。大多数方法涉及多步制造过程和复杂的对准操作。本文报道了一种通过聚二甲基硅氧烷顺序湿法刻蚀实现不同几何横截面微流控通道制备的单步方法。

摘要

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

聚二甲基硅氧烷（PDMS）材料被广泛用于通过软光刻复制 molding 技术制备微流控器件。在众多生物医学和化学应用（例如，细胞培养、生物传感、化学合成和液体处理）中，为实现微流控器件的特定功能和集成性能，需要定制化的通道布局设计。由于采用经光刻技术在硅片光刻胶层上图案化形成的模具作为主模进行 molding 的固有特性，微流控通道通常具有高度一致的矩形规则横截面。通常，具有多个高度或不同几何横截面的通道被设计用于实现特定功能，并应用于多种微流控场景（例如，利用水动力学效应进行颗粒分选，以及在连续流动中分离血细胞6,7,8,9）。因此，研究人员已投入大量努力，通过多步工艺（如使用多层光刻胶的光刻技术，或组装不同PDMS薄片）来构建具有多种横截面的通道。然而，这些多步工艺通常涉及繁琐的操作流程和复杂的仪器设备。此外，所制备的器件性能可能不一致，导致实验数据不可预测。本文提出一种一步法工艺，通过在PDMS材料中引入蚀刻液对预设的单层通道布局进行顺序湿法蚀刻，从而直接制备具有不同几何横截面的微流控通道。与现有制造具有不同几何形状PDMS微流控通道的方法相比，该一步法可显著简化非矩形横截面或不同高度通道的制备过程。因此，该技术为构建复杂的微流控通道提供了一种可行途径，为创新性微流控系统的开发提供了新的制造解决方案。

引言

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

在过去几十年中，微流控技术因其在多种生物医学和化学研究及应用中的固有优势而受到广泛关注。目前可用于构建微流控芯片的材料选择多样，包括聚合物、陶瓷和硅材料等。据我们所知，在各类微流控材料中，聚二甲基硅氧烷（PDMS）因其具备适用于多种微流控研究与应用的适宜材料特性，成为最常用的材料，这些特性包括其对颗粒、流体以及极小型生物体的光学相容性和生物相容性1,2,3,4,5。此外，通过使用基于该聚合物的微流控装置，可调节PDMS材料的表面化学性质和结构力学性能，从而促进微机电系统及力学生物学相关研究10,11,12。在制造具有设计通道图案的微流控器件方面，通常采用软光刻复制成型方法，利用由光刻图形化光刻胶层与硅晶圆基底构成的相应母模来制备微流控通道12。由于该成型方法依赖于带有图形化光刻胶层的硅晶圆，所制得的微流控通道通常具有规则的矩形横截面，且高度一致。

近年来，研究人员在生物医学研究方面取得了显著进展，例如利用流体动力分离技术对颗粒和细胞进行分选、通过具有不同高度或几何截面的微流控芯片分离血浆以及富集白细胞6,7,8,9。这些用于生物医学应用的微流控分选与分离功能，是通过设计具有不同几何截面的通道实现的。已有若干研究致力于制造具有不同几何特征横截面的微流控通道，其方法是制备具有特定表面图案的母模，这些表面图案具有不同的高度或非矩形横截面。相关模具制造研究包括多步光刻、光刻胶回流以及灰度光刻等技术13,14,15。然而，现有技术不可避免地需要精密加工的光掩模或在多步制造过程中进行精确对准，这显著增加了微流控通道制造过程的复杂性。迄今为止，已有若干尝试采用单步制造工艺来制备具有不同截面的微流控通道，但这些技术在很大程度上仅限于特定的通道横截面形状16。

在过去的二十年中，除了采用各种截面的成型方法来制备PDMS微流控通道外，用于构建具有几何特征PDMS通道的刻蚀技术也已成为多种微流控应用中的首选制造方法。例如，PDMS湿法刻蚀技术与多层PDMS键合相结合，用于构建具有重建肺器官功能的气动驱动微流控细胞培养装置17。PDMS湿法刻蚀技术还与在计算机辅助控制系统加工的圆柱形微孔上进行PDMS浇铸相结合，用于制备三维PDMS微针阵列18。PDMS干法刻蚀被用于制造作为微机电致动器部件的PDMS微结构19,20。具有设计孔洞布局的多孔PDMS膜也可通过干法刻蚀工艺制备21。湿法和干法刻蚀技术均可集成用于在PDMS薄膜上形成指定几何形状的图案22。

然而，由于固有的微流控器件制备限制，用于形成具有复杂截面形状的PDMS微通道结构的刻蚀技术尚未得到广泛应用。首先，尽管利用化学试剂层流进行PDMS湿法刻蚀以构建多种截面微流道的技术已经建立，但由于各向同性化学刻蚀工艺的基本特性，后续的通道截面成型仍然受到限制23。此外，尽管在采用PDMS干法刻蚀技术制备微流控器件时，对通道截面几何形状的调控似乎具有一定的可行空间20，但所需的刻蚀时间通常过长（以小时计），在微流控芯片的实际制造中缺乏实用性。另外，PDMS材料与相应的光刻胶掩模层之间的刻蚀选择性通常较低，因此所获得的通道刻蚀深度往往无法满足要求20。

本文中，我们开发了一种通过聚二甲基硅氧烷（PDMS）顺序湿法刻蚀工艺（以下简称SWEP）一步构建具有不同几何截面微流控通道的方法。SWEP以单层通道的PDMS微流控器件为起始。通过设计不同的通道布局，可利用顺序刻蚀工艺实现多种几何截面形状的微流控通道的制备。该顺序刻蚀过程仅需将刻蚀剂引入嵌入PDMS材料中预设的特定单层通道即可。与传统的PDMS制备工艺相比，SWEP仅需额外增加一步操作，即可实现非矩形截面或不同高度的微流控通道的构建。所提出的SWEP方法为沿流动方向制备具有多种截面形状的微流控通道提供了一种直接且简便的途径，可显著简化上述传统方法中的制备流程。

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方案

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

1. 具有单层通道结构的微流控器件的制备

注意：本文采用软光刻方法3制备由PDMS材料制成的微流控装置，以展示如何制造具有不同截面的通道。

  1. 用于具有设计拓扑特征的 PDMS 层的主模具制备
    1. 在 PDMS 层上设计单次蚀刻或顺序蚀刻的通道布局。
    2. 使用计算机辅助绘图软件绘制所设计 PDMS 层的倒置拓扑特征草图。
    3. 将草图文件提交至光刻加工机构，以获得带有高精度倒置拓扑特征图案的光掩模，该图案已打印在透明片基上24。
    4. 在4英寸硅片表面使用异丙醇（2-丙醇（IPA），≥ 99.9 %）、丙酮（丙-2-酮，≥ 99.5 %）和缓冲氧化物刻蚀液（BOE，NH4F:HF (v/v) = 6:1），以去除任何灰尘或残留物，避免污染。
    5. 使用约500 mL去离子水清洗硅片以完成最终抛光，然后用氮气吹干冲洗后的硅片。
    6. 在硅片上放置约20 g的负性光刻胶。随后以500 rpm转速旋涂15秒，再以2,000 rpm转速旋涂30秒，形成厚度约为75 µm的光刻胶层。
      注：根据产品说明书25,26，通过使用不同型号的负性光刻胶以及不同的旋涂、烘烤和显影条件，可获得不同厚度的光刻胶层。
    7. 将硅片置于热板上，在65 °C加热3分钟，然后在95 °C加热9分钟进行软烘。
    8. 将硅片连同步骤1.1.3中制备的图案化透明掩模一起放入光刻对准仪中。
    9. 在对准仪中，使用300 mJ/cm2的紫外（UV）光照射被透明掩模覆盖的硅片。
    10. 紫外曝光后，将硅片置于热板上，先在65 °C加热2分钟，再在95 °C加热7分钟，进行曝光后烘烤（PEB）。
    11. 完成PEB后，将硅片浸入负性光刻胶显影液中并剧烈搅拌，或将浸没的硅片放入超声波清洗仪（37 kHz，有效功率180 W）中处理7分钟。
    12. 再次用异丙醇彻底清洗整个硅片，以去除表面残留的显影液。
    13. 为防止非预期键合，将硅片与100 µL 97%的硅烷（1H,1H,2H,2H-三氯硅烷基全氟辛烷）一同置于6 cm培养皿中，并放入干燥器内进行硅烷化处理。
    14. 将干燥器连接至真空泵，并将真空压力设定为760 mmHg。
    15. 接着开启泵运行15分钟，关闭后让硅片在干燥器内保持真空状态静置30分钟。
      警告：蒸发的硅烷对人体极具危害；因此，整个硅片表面钝化过程必须在通风橱中进行。
    16. 取出已完成表面钝化的硅烷化硅片，并将其固定于15 cm培养皿中以备后续使用。
      注：图案化硅片现已准备好作为模具，用于通过PDMS材料反向复制所设计的通道布局。
  2. 通过在模具上复制倒置拓扑结构来制备 PDMS 通道结构
    1. 将基础PDMS（单体）与相应的催化剂（固化剂）按10:1的体积比加入洁净的一次性塑料杯中。
    2. 使用电动搅拌器均匀混合PDMS预聚物混合物（来自步骤1.2.1）。
    3. 将杯子放入连接真空泵的干燥器中，抽真空60分钟，以去除PDMS混合物中夹带的气泡。
    4. 将20 g（用于第2节）或8 g（用于第3节）PDMS预聚物混合物倒在主模具（步骤1.1制备）上，该模具具有所设计通道布局的倒置拓扑特征，然后使用干燥器（60分钟）去除PDMS材料中可能存在的气泡。
    5. 将承载PDMS混合物的模具放入60 °C烘箱中加热4小时，使基于硅酮的液态预聚物材料固化。
    6. 将硅片连同PDMS冷却至室温约20分钟后，使用手术刀和镊子将固化的PDMS从模具上剥离。
    7. 使用手术刀将剥离的PDMS层裁剪至适当区域（第2节约为6 × 6 cm2，第3节为2 × 7.5 cm2），确保覆盖全部通道布局。
    8. 使用直径为1.5 mm的活检打孔器创建通道进出口（入口和出口）。
      注：进出口的数量和位置根据特定微流控通道制造所需的蚀刻工艺进行设计。
    9. 将30 g PDMS预聚物混合物倒入培养皿中，然后使用干燥器（60分钟）去除PDMS材料中可能存在的气泡。
    10. 将承载PDMS混合物的培养皿放入60 °C烘箱中加热超过4小时，使液态预聚物材料完全固化。
    11. 将培养皿连同PDMS冷却至室温约20分钟后，使用手术刀和镊子将固化的PDMS从培养皿中剥离。
    12. 使用手术刀将无特征的剥离PDMS层裁剪至与前述PDMS层相同的尺寸（第2节约为6 × 6 cm2，第3节为2 × 7.5 cm2）。
    13. 使用表面处理设备，在90 W功率下对两种PDMS层（步骤1.2.7和1.2.12制备）的表面进行40秒的氧气等离子体处理，以活化其表面——一种带有设计通道结构，另一种无任何特征。
    14. 在氧气等离子体表面活化后立即让两层PDMS的处理面相互接触进行键合。然后将键合后的PDMS层置于60 °C烘箱中加热超过30分钟。
      注：将键合后的PDMS层留在烘箱中的时间无上限。
    15. 待两层键合的PDMS冷却后，修剪掉多余材料，以便后续实验装置搭建。

2. 一步法制备不同截面PDMS微流控通道

注意：为了表征聚二甲基硅氧烷（PDMS）的湿法刻蚀速率，建议使用具有单层直矩形通道的微流控器件，以确定与特定实验条件相对应的刻蚀速率。

  1. PDMS湿法刻蚀的实验表征
    1. 通过将四正丁基氟化铵（TBAF，1 M的四氢呋喃（THF）溶液）与1-甲基-2-吡咯烷酮（NMP）按体积比v:v = 1:10混合，配制刻蚀液。
      注：NMP能够有效溶解刻蚀剂产生的化学残留物。通常情况下，NMP对PDMS材料仅有轻微溶胀作用，PDMS微流控器件仍能保持其形状、体积和密封状态。
    2. 将混合的TBAF/NMP刻蚀液吸入一支10 mL注射器中，并连接不锈钢钝头针（16 G）。
    3. 设置注射泵，作为通道内压力驱动流体的控制器。
    4. 将装有刻蚀液的注射器通过钝头针连接至上述简单装置的通道入口，并将出口端导管引至废液容器，如图1所示。
    5. 启动装载混合TBAF/NMP刻蚀液的注射泵，以150 µL/min的流速运行，用于表征PDMS湿法刻蚀过程。
    6. 使用明场显微镜观察，确保沿流动方向刻蚀的通道具有均匀的宽度，从而确认刻蚀液的体积混合比例和流速适当。
    7. 在PDMS刻蚀过程中，利用倒置显微镜（4倍放大）采集通道横截面的时间序列图像。
    8. 利用图像处理程序中的二维分析基本测量功能分析存储的图像，获取PDMS材料湿法刻蚀过程中通道宽度随时间变化的数据序列。
    9. 通过图2所示公式评估时间序列的刻蚀速率，该公式为将通道宽度变化量（ΔW / 2）的一半除以PDMS刻蚀持续时间（t）。
    10. 对采集的数据点进行线性回归分析，估算在特定体积混合比1:10条件下，混合TBAF/NMP刻蚀液对PDMS材料的整体刻蚀速率，如图2所示。
  2. 通过PDMS顺序湿法刻蚀制备具有不同几何截面的微流控通道
    1. 为单层PDMS通道结构设计刻蚀液入口的布局，以实现依次进行相应的刻蚀工艺，从而制备出如图3所示具有不同横截面形状的特定通道类型。
    2. 按照步骤2.1.1–2.1.7所述的PDMS湿法刻蚀方法进行操作。
      注：流速设定为50 μL/min。
    3. 在TBAF/NMP刻蚀液流动过程中，通过显微镜检查刻蚀通道，观察是否存在明显气泡、大量刻蚀剂引起的化学残留、刻蚀液泄漏或在倾斜平面上流动等显著问题。
    4. 通过倒置显微镜观察微流控通道壁厚的变化，并控制湿法刻蚀时间，以确保获得理想的通道几何结构。

3. 微流控混合器的设计

注意：此处展示了一种微流控混合器的设计，该混合器能够高效混合两种不同的流体，以体现具有不同截面结构的微流控通道在应用上的优势。

  1. 制备具有不同通道截面的微流控混合器
    1. 采用软光刻复制成型技术（第2节），制作如图4所示设计的单层微流控通道PDMS器件。
    2. 在单层微流控通道布局中，从图4中标记为“出口”的端口引入按照步骤2.1.1所述方法配制的TBAF/NMP刻蚀液，流速为20 µL/min。
    3. 在显微镜下观察微流控通道壁厚的变化，并控制湿法刻蚀时间，以确保获得如图5所示的合适通道几何结构。
  2. 微流控混合器的实验表征
    1. 在实现具有交替不同形状截面的微流控通道后，将两种不同的流体——浓度为50 µg/mL的荧光素钠盐溶液和蒸馏水——分别以20 µL/min的流速泵入两个独立的通道中。
    2. 在倒置显微镜（4倍放大）下，从顶部拍摄两个混合器在标记为A、B、C和D位置处的荧光显微图像，这两个混合器分别为具有均匀截面（刻蚀前）和不同几何截面（SWEP处理2小时后）的结构（图6）。
      注：荧光显微图像在混合过程开始后5分钟、流动达到稳定状态时采集。
    3. 使用图像处理程序分析所捕获的荧光图像，估算相应的混合效率数值，该数值由混合残差（MR，0.5表示未混合，0表示完全混合）定义，公式如下27,28：
      平均残差寿命的数学表达式、积分方程、统计分析
      其中，
      t 为刻蚀时间，
      L 为感兴趣位置处的通道宽度，
      S 为通过该位置处通道的一条线段，
      I 为在时间 t 时沿 S 的荧光强度分布。
    4. 分别绘制两个混合器在A、B、C和D位置处沿通道截面 S 的荧光强度分布图，这两个混合器分别为具有均匀截面（刻蚀前）和不同几何截面（SWEP处理2小时后）的结构。估算相应的MR值，如图6所示。

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结果

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

近年来，研究人员已通过光刻复制 molding13,14,15 和 PDMS 蚀刻技术17,18,19,20,21,22 对具有不同截面结构的微流控器件的制备开展了大量研究。然而，现有方法在图形化形状方面仍存在显著限制，且制造操作较为困难16,23。本文提出一种基于 SWEP 的一...

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讨论

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

在过去的几十年中，微流控技术为系统构建化学和生物医学研究的实验平台提供了极具前景的方法1,2,3,4,5这些平台还展示了其在研究多种细胞功能方面的能力 体内 在生理微环境条件下通过 体外 细胞研究6,7,8,9在实验研究及相关应用中，大多数微流控装置的通道横截面为均匀的矩形结构。在这些微流控装置中，通道结构对微环境条件具有重要作用。例如，在将微流控技术用作药物递送工具时，可通过调节标准横截面几何形状的矩形通道中的流速，实现对化...

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披露

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

作者声明无任何利益冲突。

致谢

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

作者衷心感谢中国台湾国家卫生研究院（NHRI）创新研究资助（IRG）（EX106-10523EI）、中国台湾科技部（MOST 104-2218-E-032-004、104-2221-E-001-015-MY3、105-2221-E-001-002-MY2、105-2221-E-032-006、106-2221-E-032-018-MY2）以及中央研究院职业发展奖提供的支持。作者感谢许恒华对稿件的校对。

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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
1-甲基-2-吡咯烷酮Tedia，俄亥俄州费尔菲尔德ME-1962NMP
10 ml 注射器Becton-Dickinson，新泽西州富兰克林湖302151
150 mm 培养皿Dogger ScienceDP-43151
1H,1H,2H,2H-全氟辛基三氯硅烷Alfa Aesar，马萨诸塞州沃德希尔L1660697% 硅烷 
4'' 硅假片Wollemi Technical，中国台湾桃园-
丙酮ECHO Chemical，中国台湾苗栗AH3102-000000-72EC
AG 双曝光掩模对准器M&R Nano Technology，中国台湾桃园AG500-4D-D-V-S-H
活检打孔器Miltex，新泽西州普莱恩斯伯勒33-31
钝头针Jensen Global，加利福尼亚州圣塔芭芭拉16 号规格
缓冲氧化物刻蚀液ECHO Chemical，中国台湾苗栗PH3101-000000-72EC
干燥器A-VAC Industries，加利福尼亚州阿纳海姆35.10001.01
荧光素钠盐水溶液Sigma-Aldrich Co.，密苏里州圣路易斯F6300
ImageJ美国国立卫生研究院，马里兰州贝塞斯达Ver. 1.51图像处理程序 
倒置荧光显微镜 Leica Microsystems，德国韦茨拉尔DMI 6000 B
异丙醇（IPA）ECHO Chemical，中国台湾苗栗CMOS112-00000-72EC
Leica Application Suite Leica Microsystems GmbHLAS X
MATLABMathWorks，马萨诸塞州纳蒂克R2015b用于 MR 评估的编程软件
机械对流烘箱ThermoFisher Scientific，马萨诸塞州沃尔瑟姆Lindberg Blue M MO1450C
等离子体处理系统Nordson MARCH，加利福尼亚州康科德PX-250氧气等离子体表面处理
聚二甲基硅氧烷（PDMS） Dow Corning，密歇根州米德兰SYLGARD 184
聚乙烯管Becton-Dickinson and Company，马里兰州斯帕克斯427446PE 205，10英尺
旋涂机ELS Technology，中国台湾新竹ELS 306MA
负性光刻胶 MicroChem，马萨诸塞州韦斯特伯勒SU-8 2050
负性光刻胶显影液MicroChem，马萨诸塞州韦斯特伯勒Y020100SU-8 显影液
手术刀片Feather，日本大阪5005093用于 PDMS 切割
注射泵Chemyx，德克萨斯州休斯顿Fusion 400
四正丁基氟化铵（TBAF）Alfa Aesar，马萨诸塞州沃德希尔A10588

参考文献

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