复乳代使用聚二甲基硅氧烷（PDMS）同轴流量聚焦设备
2015年12月25日
微流体液的生成通常涉及具有图案润湿性的器件或定制的玻璃组件。在这里，我们描述了全聚二甲基硅氧烷 （PDMS）液发生器的制造和测试，该发生器不需要表面处理或复杂的制造工艺，能够生产低至 14 μm 的液。
该程序的总体目标是构建和测试一种全聚二甲基 suboxane 微流体装置，该装置利用同轴流聚焦产生液。该方法可以帮助回答化学和生物学中需要超高通量筛选的关键问题，例如酶的定向进化和稀有表型的鉴定。该技术的主要优点是，它能够使用软光刻制造快速生产剂发生器，而无需专门的表面处理。
首先，为两层制造设计微流体结构。使用 AutoCAD 软件，将设计打印在电路板薄膜上，分辨率为 10 微米，如此处所示的参考中所述。将 1 到 2 毫升 SU 8 30 35 涂抹在预先清洁的 3 英寸直径硅晶片的中心，放在旋转编码器上，然后将其固定在卡盘上。
以 500 RPM 的速度旋转 20 秒，然后以 30 RPM 的速度旋转 2000 秒。取出晶片，在 135 摄氏度的热板上烘烤 30 分钟。让晶片冷却至室温，然后再进行下一步。
现在，在整理的 LED 灯下将涂层晶圆暴露在第一层的掩模中 90 秒。曝光后，将晶圆放回 135 摄氏度的热板上 1 分钟。冷却后，在晶圆中心涂抹 1 至 2 毫升 SUH 2050。
将晶圆放回旋转编码器上，以 500 RPM 的速度旋转 20 秒。然后以 30， 1， 375 RPM 的速度旋转 375 秒。当旋转编码器停止旋转时，取出晶圆并将其放回 135 摄氏度的热板上 30 分钟。
然后将晶圆冷却回室温，然后再进行下一步。将第二层的掩模对准前面步骤中图案化的几何形状，曝光后再次将涂层晶圆暴露在紫外线下三分钟，将晶圆放在 135 摄氏度的热板上一分钟。冷却后，通过将晶片浸入丙二醇、乙酸一甲醚的搅拌浴中来显影掩模。
在浴中 30 分钟后，取出晶片并用异丙醇洗涤。接下来，将威化饼在 135 摄氏度的热板上烘烤 1 分钟。冷却晶片，然后将显影的母版放入 100 毫米培养皿中。
将 50 克硅胶基质与 5 克固化剂混合在塑料杯中，制备一批 PDMS。使用装有搅拌棒的旋转工具混合成分，然后在干燥液中对混合物进行脱气约 30 分钟或直到去除所有气泡。接下来，将 PDMS 倒在母版上至 3 毫米的厚度。
然后将培养皿放入干燥物中进一步脱气。去除所有气泡后，将设备在 60 摄氏度下烘烤两个小时。使用手术刀从模具上切下 PDMS 设备，并将其放在干净的表面上，模型面朝上。
然后用剃须刀片将 PDMS 切成两半，以将包含母版印记的 50 微米流体处理几何形状的工件上的设备两侧分开。用 0.75 毫米的活检打孔器对流体入口和出口进行打孔。接下来，将 PDMS 片及其图案面向上放入等离子室等离子体中。
在 300 瓦等离子清洗机中用 1 毫巴的氧气等离子体处理设备 60 秒。然后取出样品，用一滴去离子水润湿未淬灭的 PDMS 表面，作为临时润滑剂，同时通过立体显微镜观察设备。将等离子处理过的表面放在一起并滑动表面，直到实现机械锁定。
当嵌入式框架和突出框架配合时，组装完成后，将设备放入 60 摄氏度的烤箱中烘烤两天，以蒸发水分并完成粘合。然后使用几滴未固化的 PDMS 将组装好的装置固定在载玻片上，在 60 摄氏度的烤箱中烘烤构建体 1 小时。为了固化 PDMS 位置，倒置显微镜载物台上的微流控芯片与快门速度至少为 100 微秒的数码相机相结合。
接下来，将三个 10 毫升注射器安装到注射泵上，并在每个注射器上连接 27 号针头。将约 30 厘米的 PE 两根管连接到每个针头上，然后将管子的松散端插入设备中适当的冲孔中。然后将 10 厘米长的 PE 2 插入设备的出口，并将另一端放入废物收集容器中。
设置完成后，通过高速运行注射泵来灌注设备。停止泵。一旦管段中的流体到达设备的入口，将显微镜聚焦在芯片上包含 50 x 50 微米孔的区域，并调整框架，使其包括下游出口通道。
设置注射泵，以 250 微升/小时的流速将流体输送到化液发生器，内相流速为 100 微升/小时，中相流速为 100 微升/小时，流速为每小时 700 微升。对于连续阶段。等待 10 分钟，让系统平衡。
接下来，将外相的流速增加到每小时 1050 微升。再等待 3 到 5 分钟，让化液的生成在这组流动条件下稳定下来。稳定后，以 30 赫兹的频率获取 5 秒的视频图像。
保存视频，以便通过手动图像分析进行离线处理。重复此过程，同时使用随附文本方案的表 1 中的值改变外相的流速。保持内期和中期的速率。
在此过程中，在各种流动条件下对化装置进行了测试。为了证明不同尺寸的单色分散液的形成，连续相与内相和中间相之和的比率显示在每张图像上方。选定流速比的液滴直径直方图显示了生成的液滴大小的相对均匀性。
所得的液产生 5.2% 的平均直径系数变化该装置能够形成明显小于孔口宽度的液，并且随着流速比的增加而显示出明显的下降趋势。在测试的最高载流相流中，使用 50 x 50 微米的孔口形成 14 微米的液，开发后。该技术为化学和生物研究人员进行与标准流式细胞术检测平台兼容的液滴微流体实验铺平了道路。
观看此视频后，您应该对如何使用简单的全 PDMS 构建技术制造和测试微流体剂发生器有很好的了解。
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概述
本文介绍了一种全聚二甲基硅氧烷（PDMS）微流控装置的制备与测试方法，该装置用于生成双重乳液。该装置采用同轴流动聚焦技术，并通过省去特殊表面处理步骤简化了生产过程。
关键研究组成部分
科学领域
- 微流控
- 乳液生成
- 软光刻
背景
- 双重乳液在化学和生物学的多种应用中具有重要意义。
- 传统方法通常需要复杂的制备技术和表面处理。
- 使用PDMS可实现更简便且高效的器件制备。
- 同轴流动聚焦是生成双重乳液的关键技术。
研究目的
- 建立一种制备双重乳液的简化方法。
- 促进生化应用中的高通量筛选。
- 实现酶的定向进化及稀有表型的鉴定。
使用的方法
- 使用 AutoCAD 软件设计微流控结构。
- 以高分辨率将设计图案打印在电路板胶片上。
- 在硅晶圆上涂覆 SU-8 光刻胶以用于器件制备。
- 测试 PDMS 双重乳液生成器的性能。
主要结果
- PDMS 装置成功生成了低至 14 µm 的双重乳液。
- 与传统方法相比，该装置的制备过程得到简化。
- 该装置在高通量应用方面展现出潜力。
- 结果表明，该装置在生成稳定的双重乳液方面具有有效性。
结论
- 全PDMS双重乳液发生器是复杂装置的一种可行替代方案。
- 该方法可显著提升化学与生物学领域的研究能力。
- 未来的应用可能包括酶的进化及表型鉴定。
常见问题
行业应用价值
该PDMS微流控装置可快速、高通量地生成均匀的双重乳液，适用于生化筛选应用。通过省去复杂的制备和表面处理步骤，该装置支持在酶进化和稀有表型鉴定中的可扩展工作流程。该技术通过提供可重复的、基于液滴的检测系统，并兼容流式细胞术检测，从而提高了早期发现阶段的预测可靠性。
生物制药研发中的战略应用
早期发现与靶点验证
- 科学价值：通过生成受控微环境以进行酶筛选，实现对治疗假设的验证。
- 操作价值：通过在特定流速下生成单分散的双重乳液，支持超高速通量筛选。
- 预测价值：通过在隔离的水相区室中筛选稀有表型，促进先导分子的鉴定。
筛选与检测方法开发
- 检测准备就绪：可生成14 µm至50 µm的标准化双重乳液，用于稳定的生化反应。
- 可重复性：在不同流动条件下，液滴尺寸的变异系数低（5.2%）。
- 平台兼容性：生成的乳液适用于通过标准流式细胞术平台进行下游分析。
转化与临床前研究
- 转化连续性： 实现从靶点验证到临床前候选物评价的筛选工作流程。
- 机制性降风险： 允许在受限的水相环境中对酶变体进行功能评估，以减少假阳性结果。
- 可扩展性： 采用坚固且不易污染的大通道，支持长期持续的筛选实验。
流程与工作流整合
该设备适用于从靶点验证到先导化合物筛选的整个发现流程，支持检测方法开发及筛选前的准备工作。
- 发现生物学：通过在双重乳液中实现区室化的生化反应，支持假设验证。
- 筛选：提供可定量控制液滴尺寸的即用型检测液滴生成，用于化合物或变异体的评估。
- 分析：产出可测量的输出结果（液滴直径、均一性），用于比较不同筛选条件。
- 转化研究：通过标准化的基于乳液的检测方法，将早期筛选命中结果与临床前验证相连接。
- 企业级复用：提供可重复使用的微流控平台，无需重新加工即可适配多种筛选目标。
运营与企业影响
- 科学价值：通过可重复的微环境控制，提高靶点验证的预测可信度。
- 操作价值：实现基于乳液的检测方法在不同项目间的标准化和可扩展性。
- 战略价值：通过减少高通量筛选中的生物学假阳性结果，优化“进行/终止”决策。
- 项目组合影响：基于筛选保真度，支持对酶变体或化合物先导物进行风险调整后的优先排序。
实施注意事项
- 需要具备微流控设计和软光刻 fabrication 的专业知识。
- 依赖于等离子体键合设备和精密注射泵的可用性。
- 需要在不同团队之间对流体连接件和管路进行标准化。
- 当应用于不同黏度或表面活性剂时，可能需要重新优化流速。
- 实际限制：器件性能取决于精确的流速控制和孔口对准。
