生产塑料微流控装置与查看端口对可见光和红外透明软光刻过程
2017年8月17日
该协议为塑料微流控器件的制备与透明查看端口的可见光和红外线光成像的描述。
这种微纳加工方案的总体目标是以简单且经济高效的方式生产与傅里叶变换红外显微光谱兼容的塑料微流体设备。这些方法可以帮助广泛了解细胞生物化学。它为我们提供了对红外显微光谱的简化访问，这是一种无标记、无损伤的成像技术，可以检索活细胞的生化图谱。
这种技术的主要优点是它减少了访问微制造设施的需求，并且它使用塑料作为最终设备的主要组件。演示该程序的是我们实验室的研究助理 Mona Suryana。要开始此过程，请按照文本协议中的概述准备硅初级模具。
接下来，以 10 比 1 的比例混合 PDMS 弹性体和固化剂。混合的总量使得所得 PDMS 的厚度约为 1 至 1.5 毫米。充分混合后，将混合物转移到真空罐中。
降低压力，直到它介于 1 到 10 毫巴之间。等待 15 分钟或直到没有可见的气泡对混合物进行脱气。将脱气的 PDMS 倒在准备好的硅模具上。
将模具转移到真空罐中，降低压力 15 分钟，以再次对混合物进行脱气。然后将模具转移到热板或烤箱中。将模具在 70 摄氏度下加热两个小时以固化混合物。
将固化的 PDMS 从火上移开，冷却至室温。使用剃须刀片沿硅模边缘切割 PDMS。用一把镊子捏住一个角，然后小心地将 PDMS 复制品从硅模具上剥下来。
接下来，将 PDMS 模具转移到等离子清洗机上。将腔室压力设置在 1 到 10 毫巴之间，并用 60 瓦的氧气等离子体和 20 SCCM 的氧气流量处理 PDMS 模具 30 秒。之后，将模具放入真空罐中，加入约 50 微升硅烷。
将罐子置于真空状态下 2 小时。首先，按照文本协议中的概述设计或获取丙烯酸模板，并按照本程序开始时所示准备 PDMS 弹性体和固化剂。将脱气的 PDMS 混合物倒在亚克力模板上，直到最顶端的表面被淹没，在液体表面以下约 1 毫米处。
然后将浸没的模板转移到真空罐中。使用与以前相同的过程对 PDMS 进行脱气。然后将浸没的模板转移到热板或烤箱中。
在 60 摄氏度下加热 2 小时以固化混合物。从热源中取出固化的 PDMS，让它冷却至室温。使用剃须刀片，沿着亚克力模板的边缘切割 PDMS。
接下来，用镊子捏住一个角，小心地剥下 PDMS。在此之后，按照文本协议中的概述准备第二个 PDMS 副本。要开始制造设备的图案化一半，请用氧气等离子体处理氟化钙窗口，以 60 瓦的功率持续 30 秒，氧气流量为 20 SCCM。
小心地将第一个 PDMS 模板（带有小柱的模板）放在平坦的表面上。然后，将处理过的氟化钙窗口放在模板的中心。轻轻按压以确保窗口与 PDMS 完全接触。
接下来，在 PDMS 模具的背面放置一块 UV 透明板，与中央腔室的位置对齐。轻轻按压以确保它与 PDMS 完全接触。将模具放在 PDMS 模板上，使流体图案面朝下，并使流体室与窗口中心对齐。
然后在 PDMS 模板的入口处逐渐分配 NOA 滴。让 NOA 慢慢填充空腔。型腔完全填充后，通过将模具暴露在紫外线下来固化 NOA。
小心地从模具中取出 UV 透明板。从 NOA 层的顶部轻轻剥离 PDMS 模具。在此之后，删除 NOA 图层。
要开始制造设备的扁平部分，请用 60 瓦的等离子体和 20 SCCM 的氧气流量处理氟化钙窗口 30 秒。小心地将第二个 PDMS 模板（没有小柱的模板）放在平坦的表面上。将处理过的氟化钙窗口放在模板的中心。
轻轻按压以确保窗口与 PDMS 完全接触。接下来，获取一张 1 毫米厚的 PDMS，尺寸为 5 厘米 x 3.5 厘米。将此纸张放在氟化钙窗口的顶部，与模板的中心对齐。
轻轻按压以确保纸张与窗口完全接触。在 PDMS 模板的入口处逐渐分配 NOA 滴。让 NOA 慢慢填充空腔。
型腔完全填充后，通过将模具暴露在紫外线下来固化 NOA。剥离 PDMS 层。然后小心地从 PDMS 模板中删除固化的 NOA 层。
将设备的一半放在另一半上，使氟化钙窗口对齐。轻轻按压 NOA 层的角，固定两半的位置。接下来，按照文本协议中的概述获取 PDMS 光盘和矩形。
将 PDMS 光盘放入设备的相应开口中。接下来，将带有预切开口的 PDMS 矩形放置在每一侧。将整个组件转移到真空压力机上，将其夹在两块板之间。
然后，密封塑料袋。打开真空泵以抽空组件并使其运行至少 10 分钟。使用 270 瓦的宽带汞蒸气灯，将抽真空的组件暴露在紫外线下 15 分钟。
在此之后，关闭真空泵，让组件缓慢排放至大气压，然后从组件中取出最终设备。在此过程中，制造了一个塑料微流体装置，其视孔对可见光和红外光透明。然后采集透射光谱以比较全新的氟化钙窗口、制造器件的一半和整个器件。
可以看出，这三种光芒的透射率都超过 80% 到中红外，表明在此范围内具有高度的透明度。虽然整个器件的光谱表现出由两个窗口之间的气隙引起的干涉图案，但这些光谱表明，制造过程不会改变氟化钙窗口在中红外范围内的透明度。一旦掌握，如果作得当并且所需的模板和模具准备好，这项技术可以在一小时内完成。
观看此视频后，您应该对如何使用 PDMS 的复制成型和使用 UV 固化树脂的毛细管填充工艺来生产与傅里叶变换红外光谱兼容的塑料微流体器件有很好的了解。不要忘记，使用硅烷和紫外线可能非常危险，因此在执行此程序时，请始终进行基于程序的风险评估并佩戴适当的人员防护设备。
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概述
本文描述了一种用于制造与傅里叶变换红外微光谱仪兼容的塑料微流控设备的协议。该方法旨在简化获取红外成像技术以研究细胞生物化学的途径。
关键研究组成部分
科学领域
- 微制造
- 生物化学
- 成像技术
背景
- 微流控设备对于各种生物化学应用至关重要。
- 红外微光谱仪是一种无标记成像技术。
- 该技术允许检索活细胞的生物化学图谱。
- 使用塑料减少了对专门微制造设施的需求。
研究目的
- 提供一种生产微流控设备的成本效益方法。
- 增强对细胞生物化学的理解。
- 展示一种简化的红外微光谱仪方法。
使用的方法
- 硅原型模具的准备。
- 塑料微流控设备的制造。
- 傅里叶变换红外微光谱仪的实施。
- 由研究助理演示。
主要结果
- 成功制造了与红外成像兼容的设备。
- 展示了获取先进成像技术的便利性。
- 强调了在设备制造中使用塑料的优势。
- 提供了一个可在研究中广泛采用的协议。
结论
- 该协议为研究人员提供了一个实用的解决方案。
- 它促进了活细胞生物化学的研究而不会损坏样本。
- 这种方法可以拓宽红外微光谱仪在生物学研究中的应用。
常见问题
Executive Industry Relevance
Enabling high-transparency microfluidic devices with CaF2 view-ports addresses a critical bottleneck in live-cell IR spectro-microscopy, supporting non-destructive biochemical mapping. This fabrication protocol reduces reliance on cleanroom infrastructure, accelerating early discovery and assay development workflows. The approach enhances predictive confidence in cellular biochemistry studies and expands platform accessibility across R&D portfolios.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Facilitates direct biochemical interrogation of live cells using IR and visible light.
- Enables mechanistic de-risking by supporting label-free, non-destructive imaging.
- Improves target validation through high-fidelity spectral data acquisition.
Screening & Assay Development
- Supports preparation of microfluidic platforms with reproducible optical properties.
- Enables standardized, quantitative readouts for compound or condition screening.
- Allows flexible device design for open or closed channel configurations.
Translational & Preclinical Research
- Provides continuity from discovery to preclinical validation via robust biochemical mapping.
- Aligns with translational biomarker strategies by enabling live-cell spectral analysis.
- Reduces risk of artifactual data by preserving sample integrity during analysis.
Pipeline & Workflow Integration
This method integrates from early discovery through assay development, supporting workflows that require high-transparency, IR-compatible microfluidic devices for live-cell analysis.
- Discovery Biology: Advances hypothesis testing and pathway clarification using live-cell IR spectro-microscopy.
- Screening: Delivers reproducible, quantitative spectral outputs for comparative analysis.
- Analytics: Provides high-transmittance windows for accurate measurement of biochemical changes.
- Translational Research: Bridges discovery and preclinical phases by enabling non-destructive biomarker assessment.
- Enterprise Reuse: Offers a scalable, adaptable platform for diverse R&D applications.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence and reduces mechanistic ambiguity in live-cell studies.
- Operational Value: Streamlines device fabrication, minimizing cleanroom dependency and turnaround time.
- Strategic Value: Supports efficient go/no-go decisions by enabling rapid, high-quality data acquisition.
- Portfolio Impact: Enhances risk-adjusted prioritization through robust, reproducible biochemical insights.
Implementation Considerations
- Requires expertise in soft lithography and microfluidic assembly.
- Needs access to PDMS molding, plasma cleaning, and UV curing infrastructure.
- Demands cross-team standardization for device design and fabrication protocols.
- Adaptable to various channel configurations and integration of advanced features.
- Safety protocols are essential when handling silane and UV light, as noted in the procedure.
Biopharma FAQs
Chapters in this video
0:05
Title
0:51
Preparation of Polydimethylsiloxane Secondary Mold
9:35
Conclusion
8:44
Results: Transparency of the Completed Plastic Microfluidic Device
2:59
Preparation of PDMS Templates
4:17
Fabrication of the Patterned Half of the Microfluidic Device
6:00
Fabrication of the Flat Half of the Microfluidic Device
7:28
Bonding the Two Halves to Fabricate the Microfluidic Device
