ここでは、製造プロセスと semi-three-dimensional (半 3 D) 流れ焦点マイクロ流体チップ液滴形成のための検証実験を説明するためにプロトコルを提案します。
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この記事について
サマリー
要約
中心にマイクロ流体デバイス プロセス フローを介して均一でサイズ制御ポリ (エチレング リコール) レート (PEGDA) 液滴を作り出すことができます。液滴形成のため semi-three-dimensional (半 3 D) 流れ焦点マイクロ流体チップを提案する.多層ソフト ・ リソグラフィー法を用いたポリジメチルシロキサン (PDMS) チップを試作しました。界面活性剤を含むヘキサデカンが連続相として使用され、紫外線 (UV) 光開始剤と PEGDA は分散相。界面活性剤を削除するローカルの表面張力と小さなマイクロ液滴に分割を促進したよりカスプの先端を形成します。分散相の圧力は一定、液滴のサイズは、分散相流量が打ち切られた前に連続相の圧力の増加とともに小さくなった。その結果、直径 80 μ m 1 μ m からサイズ バリエーションと液滴を選択的に 2 つの入口チャネルの圧力比を変更することによって達成される可能性し、変動係数の平均は 7% 以下と推定されました。さらに、液滴は、光重合のための紫外光照射によるマイクロ ビーズになるかもしれない。このようなマイクロ ビーズ表面に抱合生体分子生物学と化学の分野で多くの潜在的なアプリケーションがあります。
概要
ナノメートルからマイクロ メートル直径範囲1に単分散液滴を高度生成し、高スループット薬物探索23 の生体分子の合成に大きな可能性を保持することは液滴を用いたマイクロ流体システム ,の4、および5をテスト診断。サンプルの数マイクロリットルの処理と大規模なアプリケーション ・体積比表面積などの小さな液滴のユニークな利点のため技術は幅広い分野での広範な関心を集めています。2 液体の乳化は、液滴を生成する最も一般的な方法の 1 つです。T 字合流管内の流れを中心との共同のジオメトリを流れるを含む異なる液滴形成ジオメトリのさまざまな分野で過去に報告、開発しました。T 字路のジオメトリで分散相は連続相が6、7を流れる、メイン チャンネルに垂直チャネルを介して配信されます。典型的な二次元 (2 D) 流れ中心8,9ジオメトリの分散相流れ、外側; から剪断します。され共同流れるジオメトリ10,11, 一方で毛細血管の分散相の流れをご紹介は co 軸共同流れるジオメトリは、大きく毛細血管内から分散相流れ、剪断、すべての方向。
液滴サイズはチャネルのサイズとフローの率の比を調整することによって制御され、流または t 字路で生成される最小のサイズは数十 μ m に限定。液滴形成システムの流れ中心、液滴の 3 つのモードを形成する二相の圧力比を調整することによって、界面活性剤濃度、輸液を含む政権、ジェッティング政権、ヒント ストリーミング15。ヒント ストリーミング モードはスレッドの形成と分散相流量の円錐形の先端から引き出しスレッドを観察する薄い外観とも呼ばれます。ヒント ストリーミングが数マイクロ メートルを生成可能性があります未満の以前の研究は、液滴を実証している 2D または半 3 D フロー集束デバイス8,12のプロセス。しかし、PEGDA の非常に低濃度水溶液は、分散相として使用された、PEGDA 粒子の収縮率だった元液滴直径の約 60% として希釈せず PEGDA しながら重合後、不安定なヒント ストリーミング モード12に分散相を導いた。エマルジョン プロセスの重要なパラメーターであり、粒径、高世代周波数13、非常に湾曲した先端の減少につながる連続相液体に界面活性剤の添加により減少して界面張力と14の不安定性を防止します。さらに、バルク界面活性剤濃度は臨界ミセル濃度よりはるかに高い、界面張力が約13飽和状態で変数とヒント ストリーミング モードは15を発生することが。
この論文では、上記の観測に基づく半 3 D フロー中心のマイクロ流体デバイス、多層ソフト ・ リソグラフィー法により作製したを使用した PEGDA 液滴生成の安易なアプローチを行った。典型的な 2次元流れ集束デバイスとは異なり、半 3 D フロー フォーカシング デバイスが浅い分散相チャネルおよび深い連続相チャネル分散相は横横、上下からせん断されるように。これはエネルギーと液滴分裂に必要な圧力を減らすことによってフロー フォーカス モードのより大きい調整範囲を提供します。前のレポート12とは異なり、分散相は純粋な PEGDAcontaining 写真-イニシエーター、PEGDA 粒子の収縮率が 1016; よりも低いことを確かめる連続相、シリコーン系非イオン性界面活性剤の高いバルク濃度で溶解ヘキサデカンの混合物です。サイズ制御と均一液滴は、2 段階の圧力比を調整することによって生産されました。液滴の径は、噴射モードからヒント ストリーミング モードへの変更が処理される液滴分裂、80 μ m から 1 μ m に変わります。さらに、PEGDA 粒子は、紫外光照射下での光重合プロセスを通じて合成されました。製作が容易で液滴生成マイクロ流体システムは、生物学的応用のためのより多くの可能性を提供いたします。
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プロトコル
1. 金型製作
- 図面のソフトウェアを使用して 2 つのフォトマスクを設計します。マイクロ構造の概要を説明してマスク同じ図面ファイルの 1 と 2 の 2 つの層を使用して、ように異なるチャネル間のすべての接続。1 μ m の分解能でベンダーによるガラスのプレートをクロームに独立して異なるレイヤーを印刷します。フォトマスクは、負の極性、設計構造の透明な暗いことを確認します。
注:マスク 1 には、オリフィスには分散相の入口チャネルが含まれています。マスク 2 は、連続相の入口チャネル、フィルター、およびコンセントに含まれます。 - 指定された写真平版ラボで直径 3 インチのシリコンウェハーをクリーンアップします。スピン コーターにウェハを配置、スピン チャックにウェーハを押さなければならない真空をオンにします。スピン コート 2-3 mL 10 のウエハー上に SU 8 2025年ネガ型フォトレジストの 1,000 rpm, 30、s 3,000 rpm、20 μ m の最初の層の厚さを提供することで s。
- 6 分の 95 ° C 鉄板ソフト焼く。コーティングされたウェーハ冷却部屋の温度 (RT) 後、それ平行 15 mW/cm2, 365 下マスク 1 を経由して公開 nm UV 18 s. 後の露出のための 6 分、95 ° C 鉄板焼くに冷却したウエハをできるようにして
- スピン コーティング プロセスを繰り返します。10 のウエハー上に SU 8 2100 ネガ型フォトレジストの 2-3 ml 30 その後、1,000 rpm で s 2,000 rpm、130 μ m の 2 番目の層の厚さを提供することで s。30 の公開する第 2 層レジスト 35 分 95 ° C 鉄板ソフト焼く後配置マスク 2 s、UV 露光装置による分散相チャネル層と提携していた。暴露後、7 分間 95 ° C のホット プレートで焼く。
- 機能ウェハに明確になるし、エチル ・ アルコールで洗うまでのプロピレング リコール エーテル酢酸メチルの 50 mL 強攪拌浴における浸漬してウエハーを開発します。最後に、2 h のハード焼成用サーモスタットのプラットフォームにウェハを配置します。
2 半 3 D フロー焦点マイクロ流体チップの作製
- ミックス PDMS モノマーおよびその硬化剤上部および下の層、通常最上位のレイヤーの 10:1 と底層の 8:1 のわずかに異なる重量比で 4 分の自動軟膏アジテーターを使用します。
注:上部と下部の PDMS スラブがわずかに異なる比率で作成 (10:1、8:1 それぞれ)、硬化剤に PDMS ベースの接着強度を向上させます。最下の層に 5:1 の比率を選択すると、硬めの底 PDMS スラブは配置が困難し、柔軟性の不足による接合強度を低減します。さらに、下部 PDMS スラブの厚さは、顕微鏡の作動距離を適応するため約 1 mm です。チップは、15:1 の比率を選択した場合、高圧下で簡単に変形します。 - 90 mm のシャーレで完成したシリコン型に混合物を注ぐし、厚さ 2 〜 3 mm。 真空チャンバー内に配置し、ドガのすべての空気の泡が消えるまで。オーブンで 1 時間 80 ° C で治します。
- RT。 使用するデバイス機能から 3 mm 以上をカットし、シリコンウェハ PDMS 層にむけてゆっくりとメスを冷却する PDMS を許可します。分散相入口、連続相の入口と 0.75 mm 径パンチを使用して最上位の PDMS レイヤーで出口をパンチします。
- ダスト粒子を除去する粘着テープと PDMS をクリーンアップします。プラズマは、クリーナー 300 W プラズマで 2 分間同時に PDMS レイヤーを上部と下部の両方を扱います。底層表面の一番上の層、ステレオ顕微鏡を通して表示機能が合うまで比較的表面をスライドさせます。
- 強度を高めるし、接合を完了する 1 日 120 ° C のオーブンでデバイスを治します。
3. 試薬の調製
- 連続相のソリューションの準備: ヘキサデカン 18 巻 % シリコーン系界面活性剤を溶解することにより。
- 分散相のソリューションの準備: 親水性ポリ (エチレング リコール) レート (PEGDA、MW 255) 光開始剤およびローダミン B (5 mg/mL の濃度で含まれている 2-hydroxy-4'-(2-hydroxyethoxy)-2-methylpropiophenone (MW 224、98%)95%、MW 479.01) 蛍光染料として 1 モル/L の濃度で。
- 連続相と空気圧コント ローラーの 1 つの mL 貯水池を埋めます。分散相で 200 μ L のゲルの読み込みヒントを入力します。
4. システムの準備
- ハイスピード カメラを表示する逆にされた顕微鏡のステージ上半 3 D マイクロ流体デバイスを設置します。
- 短いステンレス鋼チューブを接続することによって連続相のパンチ穴にフッ素化エチレンのプロピレン (FEP) チューブを接続し、ゲルの読み込みヒントの最後を分散相のパンチ穴に挿入します。デバイスのプラグをコンセントに FEP 管の全長 20 cm を挿入し、15 mL 遠心管中の端に置きます。
注:システムの構成を図 1に示します。
5. 液滴形成
- 倒立顕微鏡のワークベンチにデバイスを置き、別のチャネルのジャンクションが約顕微鏡の光源の位置にあることを確認します。二相交差点を含む領域、オリフィスの地域、および下流チャネルの倒立顕微鏡の焦点を当てます。
- 圧力 15 mbar の分散相および連続相の 30 mbar との交差する地域にゆっくりと液を提供する空気圧コント ローラーを使用して 2 つのフェーズを設定します。安定化と泡と PDMS 残渣を伝送していない安定した流体までの 3 分を待ちます。
- 制御ソフトウェアのユーザー インターフェイスでパラメーターを入力します。たとえば定数システムの圧力はベースレベルの分散相の圧力を設定、45 mbar でそれを維持します。ヒント ストリーミング モードに噴射からエマルジョン破壊モードが変更されるまでの連続相の圧力を増やすし、安定化のための 5 分を待ちます。
- 滴を収集する遠心管にコンセントの穴を接続する FEP 管端を置きます。
6. PEGDA 粒子のコレクションと評価
- 治具で効率よく研げる遠心管を修正します。チューブに液相が流れるとき、紫外光照射による急冷凝固による PEGDA 粒子を取得します。
- 収集プロセスを仕上げ、サンプルし、PEGDA 粒子をそれぞれ 20 X 60 X オブジェクトと蛍光顕微鏡を使って観察。
注意してください。カメラで撮影したデジタル蛍光画像は、カスタムメイドのソフトウェア ルーチンによって分析されます。画像がアウトの中心光と気の利いたエッジ検出メソッドに基づく画像内のオブジェクトを抽出する球のぼかし効果を排除するために R L アルゴリズム17に基づく最初のデコンボリューション最後に、それぞれの球体の直径は、ハフ変換18を使用して計算できます。その結果、平均と各イメージで球オブジェクトの直径の標準偏差を推定できます。
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結果
前述のように多層ソフト ・ リソグラフィー技術を使用して半 3 D フロー焦点マイクロ流体チップを試作しました。作製及び図 2に示すように protocolare でマスター型の結果。65 μ m ワイド チャンネルを分散相と、50 μ m 幅のオリフィス (図 2、) を導入するため、第 1 の層は、厚さ 20 μ m です。また 130 μ m 厚層を使用して、連続相チャネルと出口チャネル (図 2b) を提供します。図 2cは、完成した金型を示しています。入口のフィルターは入力から PDMS のパンチ穴の破片を防ぐために設計されています。これは、(図 2d...
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ディスカッション
2 D と半 3 D マイクロ流体デバイスを用いたフロー フォーカス モードにおける液滴の生成は以前様々 なレポート8,9,15,19,20で開発されています 21。これらのシステムで固まってないことができる水性の液体として選ばれた分散相に脱イオン水8,15,20,21, など, ナトリウムの水溶液安定したヒント ストリーミング モードの形成と水酸化19
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開示事項
著者が明らかに何もありません。
謝辞
この作品は、深セン研究グラント号の資金によって支えられました。JCYJ 20150630170146829、JCYJ20160531195439665、JCYJ20160317152359560)。著者は、深川機関の高度な技術で、サポートのための科学の中国アカデミー教授義陳を感謝したいです。
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材料
| 名前 | 会社 | カタログ番号 | コメント |
|---|---|---|---|
| シリコンウェーハ | Huashi Co., Ltd | ||
| SU-8 2025, 2100 | Microchem Co. | ||
| SU-8の開発元 | Microchem Co. | ||
| クロム マスク | Qingyi Precision Mask Making Co., Ltd | ||
| ポリジメチルシロキサン (PDMS) | ダウ コーニング | シルガード 184 | |
| ポリ (エチレングリコール) ジアクリレート (PEGDA) | シグマ | 26570-48-9 | |
| 2-ヒドロキシ-40-(2-ヒドロキシエトキシ)-2-メチルプロピオフェノン | TCI | H1361-5G | 光開始剤 |
| ヘキサデカン | シグマ | 544-76- 3 | |
| アビル EM 90 | CHT | 144243-53-8 | 界面活性剤 |
| ローダミン B | アラジン | 81-88-9 | 蛍光染料 |
| スピンコーター | |||
| リソグラフィー機 | |||
| 自動軟膏攪拌機 | Thinky | ARV-310 | |
| オーブン | ブルーパード | ||
| 光学顕微鏡 | オリンパス | IX71 | |
| ハイスピードカメラ | 浜松 | オルカフラッシュ | |
| MAESFLO マイクロ流体制御システム | FLUIGENT | MFCS-EZ | |
| UVランプ | FUTANSI | 365nm UVライト、8000MW/CM2 |
参考文献
- Teh, S. Y., Lin, R., Hung, L. H., Lee, A. P. Droplet microfluidics. Lab on a chip. 8, 198-220 (2008).
- Xiao, Q., et al. Novel multifunctional NaYF4:Er3+,Yb3+/PEGDA hybrid microspheres: NIR-light-activated photopolymerization and drug delivery. Chemical communications. 49, 1527-1529 (2013).
- Pan, M., Kim, M., Blauch, L., Tang, S. K. Y. Surface-functionalizable amphiphilic nanoparticles for pickering emulsions with designer fluid-fluid interfaces. RSC Adv. 6, 39926-39932 (2016).
- Zhang, L., et al. Microfluidic synthesis of rigid nanovesicles for hydrophilic reagents delivery. Angewandte Chemie. 54, 3952-3956 (2015).
- Shembekar, N., Chaipan, C., Utharala, R., Merten, C. A. Droplet-based microfluidics in drug discovery, transcriptomics and high-throughput molecular genetics. Lab on a chip. 16, 1314-1331 (2016).
- Soh, G. Y., Yeoh, G. H., Timchenko, V. Numerical investigation on the velocity fields during droplet formation in a microfluidic T-junction. Chemical Engineering Science. 139, 99-108 (2016).
- Chiarello, E., Derzsi, L., Pierno, M., Mistura, G., Piccin, E. Generation of Oil Droplets in a Non-Newtonian Liquid Using a Microfluidic T-Junction. Micromachines. 6, 1825-1835 (2015).
- Moyle, T. M., Walker, L. M., Anna, S. L. Controlling thread formation during tipstreaming through an active feedback control loop. Lab on a chip. 13, 4534-4541 (2013).
- Moon, B. U., Abbasi, N., Jones, S. G., Hwang, D. K., Tsai, S. S. Water-in-Water Droplets by Passive Microfluidic Flow Focusing. Analytical chemistry. 88, 3982-3989 (2016).
- Zhu, P., Tang, X., Wang, L. Droplet generation in co-flow microfluidic channels with vibration. Microfluidics and Nanofluidics. , 20(2016).
- Kim, S. H., Kim, B. Controlled formation of double-emulsion drops in sudden expansion channels. Journal of colloid and interface science. 415, 26-31 (2014).
- Jeong, W. C., et al. Controlled generation of submicron emulsion droplets via highly stable tip-streaming mode in microfluidic devices. Lab on a chip. 12, 1446-1453 (2012).
- Peng, L., Yang, M., Guo, S. S., Liu, W., Zhao, X. Z. The effect of interfacial tension on droplet formation in flow-focusing microfluidic device. Biomedical microdevices. 13, 559-564 (2011).
- Nunes, J. K., Tsai, S. S., Wan, J., Stone, H. A. Dripping and jetting in microfluidic multiphase flows applied to particle and fiber synthesis. J Phys D Appl Phys. , 46(2013).
- Anna, S. L., Mayer, H. C. Microscale tipstreaming in a microfluidic flow focusing device. Physics of Fluids. 18, 121512(2006).
- Liu, H., et al. Microfluidic synthesis of QD-encoded PEGDA microspheres for suspension assay. J. Mater. Chem. B. 4, 482-488 (2016).
- Richardson, W. H. Bayesian-based iterative method of image restoration. Journal of the Optical Society of America. 62, 55-59 (1972).
- Mukhopadhyay, P., Chaudhuri, B. B. A survey of Hough Transform. Pattern Recognition. 48, 993-1010 (2015).
- Ward, T., Faivre, M., Stone, H. A. Drop production and tip-streaming phenomenon in a microfluidic flow-focusing device via an interfacial chemical reaction. Langmuir: the ACS journal of surfaces and colloids. 26, 9233-9239 (2010).
- Anna, S. L., Bontoux, N., Stone, H. A. Formation of dispersions using "flow focusing" in microchannels. Applied Physics Letters. 82, 364(2003).
- Kim, H., et al. Controlled production of emulsion drops using an electric field in a flow-focusing microfluidic device. Applied Physics Letters. 91, 133106(2007).
- Dangla, R., Gallaire, F., Baroud, C. N. Microchannel deformations due to solvent-induced PDMS swelling. Lab on a chip. 10, 2972-2978 (2010).
- Chiu, Y. J., et al. Universally applicable three-dimensional hydrodynamic microfluidic flow focusing. Lab on a chip. 13, 1803-1809 (2013).
- Oh, K. W., Lee, K., Ahn, B., Furlani, E. P. Design of pressure-driven microfluidic networks using electric circuit analogy. Lab on a chip. 12, 515-545 (2012).
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