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Methodenartikel

Größe-gesteuerte Poly (Ethylenglycol) Diacrylate Tröpfchen über Semi-3-dimensionale fließen mit Schwerpunkt mikrofluidischen Geräte-Generation

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DOI:

10.3791/57198

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3. Juli 2018

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1Graduate School at Shenzhen, Tsinghua University, 2The State Key Laboratory of Precision Measurement Technology and Instruments, Tsinghua University

In diesem Artikel

Zusammenfassung

Hier präsentieren wir Ihnen ein Protokoll um die Fertigungsprozesse und Überprüfung Experimente eines semi-three-dimensional (halb-3D) Fluss-Fokussierung mikrofluidischen Chips für Tropfenbildung zu veranschaulichen.

Zusammenfassung

Einheitliche und Größe-steuerbare Poly (Ethylenglycol) Diacrylate (PEGDA) Tröpfchen könnte über den Fluss mit Schwerpunkt Prozess in einem mikrofluidischen Gerät hergestellt werden. Dieses Dokument schlägt einen semi-three-dimensional (halb-3D) Fluss-Fokussierung mikrofluidischen Chip für Tropfenbildung. Polydimethylsiloxan (PDMS) Chip wurde hergestellt unter Verwendung der mehrschichtigen weiche Lithographie-Methode. Hexadecan mit Tensid diente als die kontinuierliche Phase, und PEGDA mit dem ultravioletten (UV) Foto-Initiator war der dispersen Phase. Tenside erlaubt die lokale Oberflächenspannung zu fallen und eine mehr Spitzer Spitze, die gefördert, Einbruch in winzigen Mikro-Tröpfchen, gebildet. Da der Druck der dispersen Phase konstant war, wurde die Größe der Tröpfchen kleiner mit zunehmendem dauerphase Druck vor der dispergierten Phase, die Strömung abgebrochen wurde. Infolgedessen Tröpfchen mit Variation der Größe von 1 µm bis 80 µm im Durchmesser durch eine Änderung der Druckverhältnisse in beiden zulaufkanäle gezielt erreicht werden konnte, und der mittlere Variationskoeffizient wurde von unter 7 % geschätzt. Darüber hinaus könnte Tröpfchen durch UV-Bestrahlung für Foto-Polymerisation in Mikro-Perlen verwandeln. Konjugation von Biomolekülen auf solche Mikro-Perlen-Oberfläche haben viele Anwendungsmöglichkeiten in den Bereichen Biologie und Chemie.

Einleitung

Tröpfchen-basierte mikrofluidischen Systemen haben die Fähigkeit zu produzieren hoch monodispersen Tropfen aus Nanometer bis Mikrometer Durchmesser Bereich1 und halten großes Potenzial im Hochdurchsatz-Drug Discovery2, Synthese von Biomolekülen3 ,4, und die Diagnose Test5. Aufgrund der einzigartigen Vorteile der kleineren Tröpfchen, wie die größere Fläche zum Volumenverhältnis und Großanwendungen mit verbraucht wenige Mikroliter der Probe hat die Technologie großes Interesse in den unterschiedlichsten Bereichen angezogen. Die Emulgierung von zwei nicht mischbaren Flüssigkeiten ist eines der typischsten Methoden, um Tropfen zu erzeugen. Forscher haben in früheren Berichten im Bereich eine Vielzahl von verschiedenen Tropfen Bildung Geometrien, einschließlich der t-Kreuzung, Fluss-Fokussierung und Co fließenden Geometrien entwickelt. In der t-Kreuzung-Geometrie ist die dispersen Phase durch einen senkrechten Kanal in den Hauptkanal, geliefert in der kontinuierliche Phase6,7fließt. In der typischen zweidimensionale (2D) Fluss-Fokus8,9 Geometrie ist der dispersen Phase Flow aus den seitlichen geschoren; und für die Co fließende Geometrie10,11, auf der anderen Seite eine Kapillare, die Einführung der dispersen Phase Flow befindet sich co-Axial innerhalb einer größeren Kapillare für Co fließende Geometrie, so dass der dispersen Phase Flow von geschert ist alle Richtungen.

Die Tropfengröße ist durch Anpassung Kanal Größe und Flow Rate Ratio kontrolliert, und die Mindestgröße von Co fließt oder t-Kreuzung produziert beschränkt sich auf Dutzende von Mikrometern. Für Flow-Fokussierung Tröpfchen Bildung System bilden drei Modi der Tröpfchen Trennung durch das Druckverhältnis der zwei-Phasen-Anpassung und Tensid Konzentration, einschließlich das Nachtropfen Regime sprühvolumen Regime und der Tipp-Streaming-15. Tipp-Streaming-Modus nennt man auch Fadenbildung und das Aussehen einer dünnen der Faden Herausziehen von dispersen Phase Flow Kegelspitze beobachtet werden. Frühere Studien haben gezeigt, Tröpfchen weniger als wenige Mikrometer können erzeugt werden, obwohl Tipp-Streaming-Prozess in 2D oder halb-3D Fluss-Fokus Gerät8,12. Jedoch wie eine wässrige Lösung mit einer sehr geringen Konzentration von PEGDA als der dispersen Phase diente, die Schrumpfung Verhältnis der PEGDA Partikel war etwa 60 % der ursprünglichen Tröpfchen im Durchmesser nach Foto-Polymerisation, während PEGDA ohne Verdünnung als die dispergierte Phase führte zu instabilen Tipp-Streaming-Modus12. Grenzflächenspannung ist ein wichtiger Parameter der Emulsion Prozess und es wird durch die Zugabe des Tensids in die kontinuierliche Phase Flüssigkeit, führt zur Abnahme der Tropfengröße, höhere Erzeugung Frequenz13, stark gewölbte Tip zu verringern und Instabilität14zu verhindern. Außerdem, wenn die Masse Tensid Konzentration viel höher als die kritische Micelle-Konzentration ist, die Grenzflächenspannung ist ungefähr unveränderlich in den gesättigten Zustand13 und Tipp-Streaming-Modus kann15auftreten.

Basierend auf die obigen Beobachtungen in diesem Papier haben wir einen einfachen Ansatz für PEGDA-Tröpfchen-Generation mit einem halb-3D Fluss-Fokussierung mikrofluidischen Gerät, hergestellt von mehrschichtigen weiche Lithographie Methode entwickelt. Anders als die typischen 2D Fluss-Fokus Gerät, hat das halb-3D Fluss-Fokussierung Gerät eine flache dispergierte Phase und einem tief dauerphase-Kanal, damit die dispersen Phase von rauf und runter neben Lateral geschert werden kann. Dies bietet größeren Verstellbereich für Flow-Fokus-Modus durch die Reduzierung der Energie- und Druckbedarf für Tröpfchen Zerfall. Anders als bei den vorherigen Bericht12, die dispersen Phase ist reine PEGDAcontaining Foto-Initiator, darauf achten, dass die Schrumpfung Verhältnis der PEGDA Partikel weniger als 10 %16; und die kontinuierliche Phase ist die Mischung von Hexadecan auflösen mit ein hohes Volumen Konzentration von der Silikon-basierten nichtionische Tenside. Größe-steuerbare und einheitliche Tröpfchen entstanden durch Anpassung der Druckverhältnis aus zwei Phasen. Der Durchmesser der Tröpfchen wechselt von 80 µm bis 1 µm als Tröpfchen Trennung Änderungen vom sprühvolumen Modus Tipp-Streaming-Modus verarbeitet. Darüber hinaus wurde das PEGDA Teilchen durch Foto-Polymerisation unter UV-Bestrahlung synthetisiert. Die Tröpfchen Generation mikrofluidischen System mit Leichtigkeit der Herstellung bieten mehr Möglichkeiten für Anwendungen in der Biologie.

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Protokoll

1. Schimmel Fertigung

  1. Zwei Fotomasken mit einer Zeichnung Software zu entwerfen. Beschreiben Sie die Umrisse der Microchannel Struktur zu und verwenden Sie zwei separate Ebenen für Maske 1 und 2 in der gleichen Zeichnung, also gewährleisten Sie alle Verbindungen zwischen verschiedenen Kanälen zu. Verschiedene Ebenen unabhängig voneinander um Chrom-Platte auf dem Glas von einem Anbieter mit 1 µm Auflösung zu drucken. Sicherstellen Sie, dass die Fotomasken dunkel mit transparent gestaltete Strukturen als ein negativer Polarität.
    Hinweis: Die Maske 1 enthält die dispergierte Phase Einlasskanal und eine Öffnung. Die Maske 2 enthält die dauerphase Einlasskanal, den Filter und die Steckdose.
  2. Reinigen Sie in ausgewiesenen Photolithographie Labor einen 3-Zoll-Durchmesser-Silizium-Wafer. Legen Sie die Wafer auf eine Spin Coater, schalten Sie das Vakuum den Wafer zum Spin Futter anzubringen. Spin-Mantel 2-3 mL von SU-8 2025 negativer Photoresist auf dem Wafer für 10 s bei 1.000 u/min, dann 30 s bei 3.000 u/min, Bereitstellung der ersten Schichtdicke von 20 µm.
  3. Weiche Backen auf einer Herdplatte 95 ° C für 6 min. Nachdem die beschichtete Wafer auf Raumtemperatur (RT) abgekühlt, setzen Sie es über die Maske 1 unter einem kollimierten 15 mW/cm2, 365 nm UV für 18 S. Post-Exposition auf eine Herdplatte 95 ° C für 6 min. Backen, dann die Wafer auf RT abkühlen lassen
  4. Wiederholen Sie die Spin-Coating-Verfahren. Anwenden von 2-3 mL von SU-8 2100 negativer Photoresist auf dem Wafer für 10 s bei 1.000 u/min, dann 30 s bei 2.000 u/min, bietet der zweite Schichtdicke von 130 µm. Nach weiche Backen auf einer Herdplatte 95 ° C für 35 min, legen Sie die Maske 2 auf der zweiten Schicht Photoresist aussetzen für 30 s, die mit der dispersen Phase-Kanal-Ebene durch eine UV-Aligner ausgerichtet war. Post-Exposition, auf einer Herdplatte 95 ° C für 7 min backen.
  5. Den Wafer durch Eintauchen in einem gerührten Bad 50 ml von Propylenglykol Methyl Äther Acetat bis Funktionen auf dem Wafer klar, dann waschen Sie es mit Spiritus zu entwickeln. Schließlich legen Sie die Wafer auf die thermostatischen Plattform zum Backen für 2 h.

2. halb-3D Flow-Fokussierung Mikrofluidik-Chip Fabrication

  1. Mix-PDMS Monomer und seine Härtemittel in einem etwas anderen Gewichtsverhältnis für die oberen und die unteren Schichten, in der Regel 10:1 für die oberste Schicht, und 8:1 für die Unterschicht verwenden automatische Salbe Rührwerk für 4 min.
    Hinweis: Die oberen und unteren PDMS-Platten sind bereit, in ein etwas anderes Verhältnis (10:1 und 8:1 bzw.) der PDMS-Basis zum Härtemittel, Verbesserung der Haftfestigkeit. Beim 5:1 Verhältnis für die Unterschicht gewählt wird, die steifere Bodenplatte PDMS Ausrichtung erschwert und Haftfestigkeit aufgrund mangelnder Flexibilität reduziert. Darüber hinaus ist die Dicke der Bodenplatte PDMS ca. 1 mm für die Anpassung des Arbeitsabstand des Mikroskops. Der Chip verformt sich leicht unter hohem Druck bei 15:1-Verhältnis gewählt wird.
  2. Gießen Sie die Mischung in die fertige Silikon-Form in einer 90-mm-Petrischale und bieten eine Dicke von 2 ~ 3 mm. Legen Sie sie in einer Vakuumkammer und degas bis alle Luftblasen verschwinden. Heilung bei 80 ° C für 1 h im Ofen.
  3. Lassen Sie die PDMS auf RT. Verwendung abkühlen ein Skalpell zum Ausschneiden des Gerätes mindestens 3 mm von den Funktionen und langsam Abziehen der PDMS-Schicht aus dem Siliziumwafer. Lochen Sie die dispergierte Phase Inlet, dauerphase Einlass und Auslass in der PDMS-Deckschicht mit einem 0,75 mm Durchmesser.
  4. Reinigen Sie die PDMS mit Klebeband um Staubpartikel zu entfernen. Plasma Behandlung der oberen und unteren PDMS Schichten gleichzeitig für 2 min in einem 300 W Plasma Reiniger. Die oberste Schicht auf der unteren Ebene Oberfläche und schieben Sie die Oberflächen relativ bis Funktionen ausgerichtet sind durch ein Stereo-Mikroskop betrachten.
  5. Das Gerät in einem Ofen bei 120 ° C für einen Tag zu erhöhen die Festigkeit und vollständige Verklebung zu heilen.

(3) Reagenzien Vorbereitung

  1. Bereiten Sie die Lösung für die kontinuierliche Phase: Hexadecan durch 18 Vol % Silikon basierende nichtionische Tenside lösen.
  2. Bereiten Sie die Lösung der dispersen Phase: hydrophile Poly (Ethylenglycol) Diacrylate (PEGDA, MW 255) mit 2-hydroxy-4'-(2-hydroxyethoxy)-2-methylpropiophenone (98 %, MW 224) in einer Konzentration von 5 mg/mL als Foto-Initiator und Rhodamin B () 95 %, MW 479.01) in einer Konzentration von 1 Mmol/L als Fluoreszenz-Farbstoffen.
  3. Die kontinuierliche Phase 1 mL Stauseen der pneumatische Druckregler einfüllen. Füllen Sie 200 µL Gel laden Tipp mit der dispersen Phase.

4. die Systemvorbereitung

  1. Stellen Sie das halb-3D mikrofluidischen Gerät auf der Bühne von einem umgekehrten optischen Mikroskop betrachten mit einer Highspeed-Kamera.
  2. Schließen Sie den fluorierten Ethylen Propylen (FEP) Schlauch an das gestanzte Loch die kontinuierliche Phase durch das Anbringen einer kurzen Edelstahl-Rohr, dann stecken Sie das Ende einer Gel-laden-Spitze in das gestanzte Loch der dispersen Phase. Legen Sie eine 20-cm-Länge von FEP-Schlauch in die Steckdose im Gerät und stecken Sie das Ende in einem 15 mL Zentrifugenröhrchen.
    Hinweis: Die Konfiguration des Systems ist in Abbildung 1dargestellt.

(5) Tröpfchen-Bildung

  1. Stellen Sie das Gerät auf der Werkbank von einem inversen Mikroskop, und stellen Sie sicher, dass die Kreuzung der verschiedenen Kanäle sich etwa in die Position der Lichtquelle des Mikroskops befindet. Konzentrieren Sie die inversen Mikroskop auf eine Region, die zwei-Phasen-Schnittmenge enthält, die Blende-Region und der nachgeschalteten Kanal.
  2. Eingestellte Druck aus zwei Phasen mit pneumatischer Druckregler Flüssigkeit langsam an die sich überschneidenden Region mit 15 Mbar für der dispersen Phase und 30 Mbar für die kontinuierliche Phase liefern. Warten Sie 3 min zur Stabilisierung und Gleichgewichtherstellung bis stabile Strömung tragen keine Luftblasen und PDMS-Rückstände.
  3. Geben Sie die Parameter auf die Benutzeroberfläche der Steuerungssoftware. Stellen Sie den Druck von der dispersen Phase als Basisebene Druck des Systems auf eine Konstante, zum Beispiel, auf 45 Mbar halten. Erhöhen Sie den Druck der kontinuierlichen Phase bis die Emulsion-Trennung-Modus aus jetten in den Tipp-Streaming-Modus geändert wird, dann warten Sie 5 min zur Stabilisierung.
  4. Legen Sie das FEP Rohrende Zentrifugenröhrchen, die Tröpfchen sammeln die Austrittsöffnung herstellen.

6. PEGDA Partikel Auflistung und Charakterisierung

  1. Befestigen Sie die Zentrifugenröhrchen Schraubeinsätze in der Halterung. Erhalten Sie die PEGDA Partikel durch die rasche Erstarrung durch UV-Bestrahlung, wenn Flüssigphase fließen in die Röhre.
  2. Beim Sammeln von Prozess zu schlichten, probieren Sie und beobachten Sie die PEGDA Partikel durch das Fluoreszenz-Mikroskop mit 20 X oder 60 X Objekte bzw..
    Hinweis. Die fluoreszierende Digitalbilder von der Kamera eingefangen werden durch eine maßgeschneiderte Softwareroutine analysiert. Das Bild ist erste Dekonvolution basierend auf R-L-Algorithmus17 , den Effekt von heraus-von-Fokussierung Licht und die Kugel, die Objekte im Bild basierend auf den Canny Rand Nachweismethode extrahiert werden zu beseitigen; zu guter Letzt kann der Durchmesser der einzelnen Kugel mit Hough Transformation18berechnet werden. Infolgedessen, werden Mittelwert und Standardabweichung der Durchmesser der Kugel Objekte in jedem Bild abgeschätzt.

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Ergebnisse

Der halb-3D Fluss-Fokussierung mikrofluidischen Chip wurde hergestellt mit mehrschichtigen weiche Lithographie Techniken wie oben beschrieben. Die Fertigung und die Ergebnisse für master-Form in der Protocolare in Abbildung 2dargestellt. Die erste Schicht, die einen 65 µm breiten Kanal bietet für die Einführung der dispersen Phase und einem 50 µm breite Öffnung (Abbildung 2eine), ist 20 µm Dicke. Ein Zusatz 130 µ...

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Diskussion

Die Generation der Tröpfchen in der Fluss-Fokus-Modus mit 2D und halb-3D mikrofluidischen Gerät wurde zuvor in einer Vielzahl von Berichten8,9,15,19,20, 21. In diesen Systemen wurde die wässrige Flüssigkeit, die nicht verfestigt werden könnte als der dispersen Phase, wie z. B. deionisiertes Wasser8

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Offenlegungen

Die Autoren haben nichts preisgeben.

Danksagungen

Diese Arbeit wurde von der Shenzhen Grundlagenforschung Finanzierung (Grant Nr. unterstützt. JCYJ 20150630170146829, JCYJ20160531195439665 und JCYJ20160317152359560). Die Autoren möchten Prof. Y. Chen an der Shenzhen Institute of Advanced Technology, chinesische Akademie der Wissenschaften für Unterstützungen bedanken.

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Materialien

Liste der in diesem Artikel verwendeten Materialien
NameUnternehmenKatalognummerKommentare
SiliziumwaferHuashi Co., Ltd
SU-8 2025, 2100Microchem Co.
SU-8 EntwicklerMicrochem Co.
ChrommaskeQingyi Precision Mask Making Co., Ltd
Polydimethylsiloxan (PDMS)Dow CorningSylgard 184
Poly(ethylenglykol) diacrylat (PEGDA)Sigma26570-48-9
2-Hydroxy-40-(2-hydroxyethoxy)-2-methylpropiophenonTCIH1361-5GPhotoinitiator
HexadecanSigma544-76- 3
ABIL EM 90CHT144243-53-8Tenside
Rhodamin BAladdin81-88-9Fluoreszenzfarbstoff
Spin Coater
Lithographiemaschine
Automatisches SalbenrührwerkThinkyARV-310
OvenBluePard
Optisches MikroskopOLYMPUSIX71
HochgeschwindigkeitskameraHamamatsu, JapanORCA-Blitz
MAESFLO Microfluidic Fluid Control SystemFLUIGENTMFCS-EZ
UV-LampeFUTANSI365 nm UV-Licht, 8000 MW/CM2
Y111069Y020100

Referenzen

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