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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

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DOI：

10.3791/57868

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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

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

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

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

1. 单层通道结构微流控器件的制备

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结构的通道。

  1. 创建具有设计拓扑结构的 PDMS 层主模具
    1. 为单次蚀刻或顺序蚀刻工艺，在 PDMS 层上设计流道布局。
    2. 使用计算机辅助绘图软件绘制所设计 PDMS 层的倒置拓扑结构草图。
    3. 将草图文件提交至光刻加工机构，以获得高精度的图案化光掩膜，其中通道布局的倒置拓扑结构图案被印制在透明片上24。
    4. 在 4 英寸硅片表面使用异丙醇（2-丙醇 (IPA)，≥ 99.9 %）、丙酮（丙烷-2-酮，≥ 99.5 %）和缓冲氧化物刻蚀液（BOE，NH4F:HF (v/v) = 6:1），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进行最终抛光，然后用氮气吹干清洗后的硅片。
    6. 将约 20 g 负性光刻胶涂布于硅片上，随后以 500 rpm 旋转 15 秒，再以 2,000 rpm 旋转 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，先在 65 °C 下预烘 3 分钟，再在 95 °C 下烘烤 9 分钟。
    8. 将硅片连同第 1.1.3 步骤中制备的图案化透明掩膜一起放入光刻对准仪中。
    9. 在对准仪中，使用 300 mJ/cm2 的紫外光（UV）照射被透明掩膜覆盖的硅片。
    10. 紫外曝光后，将硅片置于热板上，先在 65 °C 下放置 2 分钟，再在 95 °C 下放置 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，或将其置于超声波清洗仪（37 kHz，有效功率 180 W）中处理 7 分钟。
    12. 再次使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）一同放入 6 cm 培养皿中，并置于干燥器内进行表面硅烷化处理。
    14. 将干燥器连接至真空泵，并将真空压力设定为 760 mmHg。
    15. 启动泵抽真空 15 分钟，关闭泵后，将硅片在干燥器内保持真空状态静置 30 分钟。
      注意：蒸发的硅烷对人体极具危害性，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，将其固定于 15 cm 培养皿中以备后续使用。
      注：该图案化硅片现已可作为模具，用于通过 PDMS 材料反向复制所设计的流道布局。
  2. 通过在模具上复制倒置拓扑结构制备 PDMS 流道结构
    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. 使用电动搅拌器将 PDMS 预聚物混合物（来自步骤 1.2.1）均匀混合。
    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 预聚物混合物浇注在主模具（步骤 1.1 制备）上，覆盖具有倒置拓扑结构的流道设计区域，然后将模具置于干燥器中（60 分钟）以去除 PDMS 材料中可能存在的气泡。
    5. 将承载 PDMS 混合物的模具置于 60 °C 烤箱中固化 4 小时，使基于硅胶的液态预聚物材料固化。
    6. 待硅片与 PDMS 一同冷却至室温约 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 节约为 2 × 7.5 cm2），确保覆盖全部流道布局。
    8. 使用直径为 1.5 mm 的活检打孔器创建流道通孔（入口和出口）。
      注：入口和出口的数量与位置根据特定微流控通道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，然后通过干燥器（60 分钟）去除 PDMS 材料中可能夹带的气泡。
    10. 将承载 PDMS 混合物的培养皿置于 60 °C 烤箱中固化超过 4 小时，使液态预聚物材料完全固化。
    11. 待培养皿与 PDMS 一同冷却至室温约 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. 使用手术刀将无结构特征的剥离 PDMS 层裁剪至与前述 PDMS 层相同尺寸（第 2 节约为 6 × 6 cm2，第 3 节约为 2 × 7.5 cm2）。
    13. 将两个 PDMS 层（分别来自步骤 1.2.7 和 1.2.12）的表面——一个带有设计流道结构，另一个无结构特征——在表面处理仪中暴露于氧气等离子体下（90 W，40 秒），以活化其表面。
    14. 在氧气等离子体表面活化后立即通过接触两处理表面实现两个 PDMS 层的键合，随后将键合后的 PDMS 层置于 60 °C 烤箱中超过 30 分钟。
      注：将键合后的 PDMS 层置于烤箱中的时间无上限。
    15. 待两个键合的 PDMS 层冷却后，修剪掉多余材料，以便后续实验装置搭建。

2. 制备不同截面PDMS微流控通道的一步法

注意：为表征 PDMS 的湿法刻蚀速率，建议采用具有单层直矩形通道的微流控装置，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。
      注意：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. 将混合好的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，用于控制通道内压力驱动的流体流动。
    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，并将出口端导管引导至废液容器，如图1所示。
    5. 启动注射泵，以150 µL/min的流速推动含有混合TBAF/NMP刻蚀液的注射器，用于表征PDMS湿法刻蚀过程。
    6. 通过明场显微观察，确认沿流动方向刻蚀出的通道具有均匀的宽度，从而验证刻蚀液的体积混合比例和刻蚀液流速是否合适。
    7. 在倒置显微镜下以4倍放大倍率，采集PDMS刻蚀过程中通道横截面的时间序列图像。
    8. 利用图像处理软件中的二维分析基本测量功能，分析所存储的图像，获取PDMS材料湿法刻蚀过程中通道宽度随时间变化的一系列数值。
    9. 通过图2所示公式计算时间序列刻蚀速率，即用通道宽度变化量的50%（ΔW / 2）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，估算体积混合比为1:10的混合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，使其依次执行相应的刻蚀过程，从而可制备出如图3所示具有不同横截面形状的特定类型通道。
    2. 按照步骤2.1.1–2.1.7所述方法进行PDMS湿法刻蚀操作。
      注意：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、刻蚀液泄漏或刻蚀液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，该设计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中的优势。

  1. 制作具有不同通道截面的微流控混合器
    1. 采用软光刻复制 molding 技术（第2节），制作如图4所示设计的单层微流控 PDMS 装置。
    2. 在单层微流控通道布局中，从图4中标记为“出口”的端口以 20 µL/min 的流速引入按照步骤2.1.1所述方法配制的 TBAF/NMP 刻蚀液。
    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，以确保实现如图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. 当具有交替不同形状截面的微流控通道制备完成后，以 20 µL/min 的流速将两种不同的流体——分别为浓度为 50 µg/mL 的荧光素钠盐溶液和去离子水——分别泵入两个独立的通道中。
    2. 在倒置显微镜（4倍放大）下，对两种混合器（刻蚀前具有均匀截面的混合器和经过2小时 SWEP 后具有不同几何截面的混合器）在标记为 A、B、C 和 D 的位置处进行顶视荧光显微成像（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采集的荧光图像，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：
      用于均值分析的数学公式；积分方程，科研、教育用途。
      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. 绘制两种混合器（刻蚀前具有均匀截面的混合器和经过2小时 SWEP 后具有不同几何截面的混合器）在标记为 A、B、C 和 D 的位置处沿通道截面线段 S 的荧光强度分布，并估算相应的 MR 值，如图6所示。

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结果

近年来，已有大量研究采用光刻复制 molding13,14,15 和 PDMS 刻蚀技术17,18,19,20,21,22 制备具有不同截面的微流控器件。然而，这些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。本文提出一种通过 SWEP 一步法制备不同几何截面 ...

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讨论

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

作者声明无任何利益冲突。

致谢

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

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