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방법 논문

크기 제어 폴 리 (에틸렌 글리콜) 빛 방울 장치를 통해 세미 3 차원 흐름 초점 미세의 세대

7.2K 조회수

⸱

DOI:

10.3791/57198

⸱

2018년 7월 3일

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

이 논문에서

요약

여기, 선물이 제조 프로세스와 semi-three-dimensional (세미-3D) 흐름 초점 미세 칩 물방울 형성에 대 한 확인 실험을 설명 하는 프로토콜.

초록

균일 하 고 크기를 제어할 수 있는 폴 리 (에틸렌 글리콜) 빛 (PEGDA) 방울 초점 미세 장치에서 프로세스 흐름을 통해 생성 될 수 있습니다. 이 종이 물방울 형성에 대 한 semi-three-dimensional (세미-3D) 흐름 초점 미세 칩을 제안합니다. 입니다 (PDMS) 칩 멀티 레이어 소프트 리소 그래피 방법을 사용 하 여 날조 되었다. Hexadecane 계면 활성 제를 포함 하는 연속 위상으로 사용 되었다 고 자외선 (UV) 사진-초기자와 PEGDA는 분산 된 단계. 계면 활성 제 드롭 지역 표면 장력을 허용 하 고 작은 마이크로-물방울으로 승진 더 cusped 팁을 형성 했다. 분산 단계의 압력은 일정, 방울의 크기 분산된 단계 흐름은 그만 두어 전에 연속 단계 압력 증가 함께 작은 되었다. 그 결과, 1 µ m에서 80 µ m 직경에서에 크기 변형 된 방울 두 입구 채널에 압력 비율을 변경 하 여 선택적으로 달성 될 수 있었다 그리고 변이의 평균 계수 7% 이기 위하여 견적 되었다. 또한, 물방울 사진 중 합에 대 한 자외선 노출에 의해 마이크로 비즈로 돌 수 있었다. 같은 마이크로 구슬 표면에 생체 변화는 생물학과 화학의 분야에서 많은 잠재적인 응용 프로그램을 있다.

서론

미세 물방울 기반 시스템은 높은 마이크로미터 직경 범위1 나노미터에서 단 분산 방울을 생산 하 고 높은 처리량 약물 발견2, 생체3의 합성에에서 큰 잠재력을 보유 하는 능력 ,4및5를 테스트 하는 진단. 볼륨 비율 및 샘플의 약간 microliters 소비와 함께 대규모 응용 프로그램에 더 큰 표면 영역 같은 작은 물방울의 독특한 장점으로 인해 기술 분야의 광범위 한 범위에 광범위 한 관심을 모으고 있다. 유화 2 개의 혼합할 수 없는 액체의 작은 물방울을 생성 하는 가장 일반적인 방법 중 하나입니다. 필드에서 이전 보고서, 연구원은 다른 방울 형성 형상, t-교차점, 흐름 초점과 공동 흐르는 형상 등의 다양 한을 개발 했습니다. T-교차점 기하학에서 분산된 단계는 지속적인 단계6,7흐르는 메인 채널에 수직 채널을 통해 배달 됩니다. 일반적인 2 차원 (2D) 흐름 초점8,9 형상에, 분산된 단계 흐름 측면;에서 전단은 공동 흐르는 형상10,11, 다른 한편으로, 분산된 단계 흐름을 소개 하는 모 세관 배치 됩니다 공동 축방향 공동 흐르는 형상에 대 한 더 큰 모 세관 내부 분산된 단계 흐름에서 전단 모든 방향입니다.

작은 물방울 크기 채널 크기와 흐름 속도 비율을 조정 하 여 제어 되 고 공동 흐르는 또는 t-교차점에 의해 생산 하는 최소 크기는 수십 마이크로미터로 제한. 흐름 초점 작은 물방울 대형 시스템에 대 한 작은 물방울이 별의 세 가지 모드의 2 단계 압력 비율을 조정 하 여 양식 및 계면 활성 제 농도 떨어지는 등 정권, jetting 정권, 및 팁 스트리밍15. 팁 스트리밍 모드 스레드 형성, 그리고 얇은 스레드 분산된 단계 흐름 콘의 끝에서 밖으로 그리기 관찰 될 것 입의 모양이 라고도 합니다. 팁 스트리밍 비록 몇 마이크로미터 생성할 수 보다는 작은 방울을 증명 하는 이전 연구 프로세스 2D 또는 세미-3D 흐름 초점 장치8,12. 그러나, PEGDA의 매우 낮은 농도 포함 하는 용액 분산된 상으로 사용 되었다, PEGDA 입자의 수축 비율 했다 원래 방울 직경에서의 약 60%로 희석 하지 않고 PEGDA 동안 사진 합 후는 분산된 단계 불안정 팁 스트리밍 모드12이끌어 냈다. 계면 장력 에멀젼 과정의 중요 한 매개 변수 이며 그것은 지속적인 위상 액체, 작은 물방울 크기, 더 높은 세대 주파수13, 높은 곡선된 팁, 감소에 지도에 계면 활성 제의 추가 때문 줄어 고 14불안정성 방지합니다. 또한, 대량 계면 활성 제 농도 임계 micelle 농도 보다 훨씬 높은 경우 계면 장력은 약13 포화 상태 가변 그리고 팁 스트리밍 모드15를 발생할 수 있습니다.

이 논문에서는, 위의 관찰에 따라 우리 PEGDA 방울 생성 장치를 사용 하는 세미-3D 흐름 초점 미세, 멀티 레이어 소프트 리소 그래피 방법으로 조작에 대 한 손쉬운 접근 개발. 다른 일반적인 2D 흐름 집중 장치, 세미-3D 흐름 집중 장치는 얕은 분산된 단계 채널 및 깊은 연속 위상 채널 있으므로 분산된 단계 수 수 전단에서 위쪽 및 아래쪽 옆에 옆에. 이 흐름 초점 모드에 대 한 에너지와 물방울이 별에 필요한 압력을 감소 시켜 더 큰 조정 범위를 제공 합니다. 다른 이전 보고서12, 분산된 단계는 순수한 PEGDAcontaining 사진-초기자, PEGDA 입자의 수축 비율 1016; 보다 낮은 그리고 지속적인 단계 높은 대량 실리콘 기반 비 계면 활성 제의 농도와 용 해 hexadecane의 혼합물 이다. 크기 제어 및 균일 한 방울 두 단계의 압력 비율을 조정 하 여 제작 했다. 물방울이 별 팁 스트리밍 모드 처리 모드에서 변경 내용을 처리 하는으로 방울의 직경 1 µ m 80 µ m에서 변경 됩니다. 또한, PEGDA 입자는 자외선 노출 사진 중 합 과정을 통해 합성 했다. 제조의 용이성과 물방울 생성 미세 시스템 생물학 응용 프로그램에 대 한 더 많은 가능성을 제공할 것입니다.

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프로토콜

1. 금형 제작

  1. 두 포토 드로잉 소프트웨어를 사용 하 여 디자인 합니다. 아닌 구조의 개요를 설명 마스크 1과 2 같은 드로잉 파일에 대 한 두 개의 별도 레이어를 사용 하 여, 그래서 서로 다른 채널 간의 모든 연결을 확인 하십시오. 1 µ m 해상도와 공급 업체에 의해 유리 플레이트 크롬을 독립적으로 서로 다른 레이어를 인쇄 합니다. 네거티브 극성으로는 포토 어두운 투명 하 게 설계 된 구조 인지 확인 합니다.
    참고: 마스크 1 분산된 단계 입구 채널 및 구멍을 포함 한다. 마스크 2 연속 단계 입구 채널, 필터와 콘센트 포함 되어 있습니다.
  2. 지정 된 사진 평판 실험실에서 직경 3 인치 실리콘 웨이퍼를 청소. Spin coater에 웨이퍼를 배치, 스핀 척에 웨이퍼를 부착 하 여 진공에. 스핀-코트 수 8 2025 부정적인 감광 제 10 웨이퍼에의 2-3 mL 1000 rpm, 다음 30 s s 20 µ m의 첫 번째 레이어 두께 제공 하는 3000 rpm에서.
  3. 6 분 동안 95 ° C 열판에 부드러운 빵. 코팅 된 웨이퍼 (RT) 실내 온도에 냉각, 후는 조명을 15 mW/cm2, 365 마스크 1 통해 노출 18 미 후 노출에 대 한 UV의 nm 6 분 동안 95 ° C 열판에 구워 다음 실시간에 냉각 웨이퍼를 허용
  4. 스핀 코팅 과정을 반복 합니다. 2-3 mL 수 8 2100 부정적인 감광 제 10 웨이퍼에 적용 1000 rpm, 다음 30 s s 2000 rpm, 130 µ m의 두 번째 레이어 두께 제공. 35 분 동안 95 ° C 열판에 부드러운 빵, 후 위 마스크 2 30 노출 두 번째 레이어 감광 s, UV aligner에 의해 분산된 단계 채널 계층으로 정렬 되었다. 사후 노출, 7 분 동안 95 ° C 열판에 구워.
  5. 기능, 웨이퍼에 명확 하 게 될 때까지 에틸 알코올로 씻어 프로필 렌 글리콜 메 틸 에테르 아세테이트의 50 mL의 촉발된 욕조에 immersing 하 여 웨이퍼를 개발 합니다. 마지막으로, 2 시간에 대 한 하드 베이킹에 서 모스 탯 플랫폼에 웨이퍼를 놓습니다.

2. 세미-3D 흐름 초점 미세 칩 제조

  1. 믹스 PDMS 단위체와 상단 및 하단 레이어, 일반적으로 상위 계층에 대 한 10:1 및 8:1 아래 계층에 대 한 약간 다른 무게 비에 그것의 경화제 4 분에 대 한 자동 연 교 반기를 사용합니다.
    참고: 위쪽 및 아래쪽 PDMS 석판 약간 다른 비율에 준비가 (10:1 및 8:1 각각) 경화제를 PDMS 기지의 접합 강도 향상. 5:1 비율을 아래 계층에 대 한 선택 하면 엄격한 하단 PDMS 슬 래 브 맞춤 어려운 고 유연성의 부족으로 인해 결합 강도 감소 시킨다. 또한, 하단 PDMS 슬 래 브의 두께 현미경의 작동 거리를 적응에 대 한 약 1 m m 이다. 15:1 비율을 선택 하면 칩은 쉽게 높은 압력에서 변형.
  2. 90 mm 페 트리 접시에 완성 된 실리콘 몰드에 혼합물을 부 어 하 고 제공 하는 두께 2 ~ 3 mm. 진공 챔버에 배치 그리고 모든 공기 거품이 사라질 때까지 드. 80 ° C 오븐에서 1 h에서 치료.
  3. PDMS 장치 기능에서 적어도 3mm 잘라내어 천천히 껍질 실리콘 웨이퍼에서 PDMS 층을 메스 실시간 사용을 허용 합니다. 분산된 단계 입구, 연속 단계 입구 및 0.75 m m 직경 펀치를 사용 하 여 최고 PDMS 층에서 콘센트를 펀치.
  4. 먼지 입자를 제거 하는 접착 테이프를 가진 PDMS를 청소. 플라즈마 청소기 300 W 플라즈마에 2 분 동안 동시에 위쪽 및 아래쪽 PDMS 레이어 취급. 상위 레이어 아래쪽 레이어 표면에 배치를 서피스 상대적으로 기능 스테레오 현미경을 통해 보기 정렬 됩니다.
  5. 치료 강도 강화 하 고 결합을 완료 한 날에 대 한 120 ° C에서 오븐에 장치.

3. 시 약 준비

  1. 연속 위상의 솔루션을 준비: 18 vol % 실리콘 기반 비 계면 활성 제를 용 해 하 여 Hexadecane.
  2. 분산 단계의 솔루션 준비: 친수성 폴 리 (에틸렌 글리콜) 빛 (PEGDA, MW 255) 사진-창시자, 및 rhodamine B (5 mg/mL의 농도에서 포함 된 2-hydroxy-4'-(2-hydroxyethoxy)-2-methylpropiophenone (98%, MW 224) 95%, MW 479.01) 형광 염료로 1 mmol/L의 농도에서.
  3. 공 압 압력 컨트롤러의 1 mL 저수지를 연속 단계에 채워 넣어 라. 분산된 단계와 200 µ L 젤 로드 팁을 작성.

4. 시스템 준비

  1. 고속 카메라 보기는 거꾸로 광학 현미경의 스테이지 준결승 3 차원 미세 장치를 놓습니다.
  2. 짧은 스테인레스 스틸 튜브를 연결 하 여 연속 위상의 천공된 구멍에 플 루 오 르 에틸렌 프로필 렌 (FEP) 튜브를 연결 다음 분산 단계의 천공된 구멍에 젤 로드 팁의 끝을 삽입 합니다. FEP 튜브의 20 cm 길이 장치에서 콘센트에 삽입 하 고 15 mL 원심 분리기 튜브에서 끝을 배치.
    참고: 시스템의 구성은 그림 1에 나와 있습니다.

5. 방울 형성

  1. 거꾸로 현미경의 워크 벤치에 장치를 놓고 서로 다른 채널의 현미경의 광원의 위치에 대략 위치 하는지 확인 합니다. 2 단계 교차점을 포함 하는 영역이, 구멍 지역 및 다운스트림 채널에 거꾸로 한 현미경의 초점을 맞춥니다.
  2. 공 압 압력 컨트롤러를 사용 하 여 분산 단계 15 mbar와 30 mbar 연속 단계에 대 한 교차 영역에 천천히 액체를 제공 하는 두 단계의 압력을 설정 합니다. 안정화와 안정적인 유체 흐름 거품 및 PDMS 잔류물 없이 운반까지 평형에 대 일 분을 기다립니다.
  3. 제어 소프트웨어의 사용자 인터페이스에 매개 변수를 입력 합니다. 예를 들어 상수 시스템의 베이스 레벨 압력으로 분산 단계의 압력을 설정, 45 mbar에서 그것을 유지. 유제가 별 모드 jetting 팁 스트리밍 모드에서 변경 될 때까지 지속적인 단계의 압력을 증가 후 안정화를 위한 5 분 기다립니다.
  4. FEP 튜브 끝 방울 수집 하 원심 분리기 튜브에 연결 하는 콘센트 구멍을 배치 합니다.

6. PEGDA 입자 수집 및 특성화

  1. 정착 물에 aslant 원심 분리기 튜브를 수정. 때 튜브를 액체 단계 흐름 UV 노출에 의해 급속 한 응고를 통해 PEGDA 입자를 얻을.
  2. 수집 프로세스를 완료 하는 경우 샘플 하 고 각각 20 X 60 X 개체와 형광 현미경을 통해 PEGDA 입자를 관찰 합니다.
    참고. 카메라에 의해 촬영 된 디지털 형광 이미지 맞춤 소프트웨어 루틴에 의해 분석 된다. 이미지는 첫 번째 deconvolution 밖으로의 초점 빛과 이미지에서 개체 캐니에 지 검출 방법;에 따라 추출 영역의 흐림 효과 제거 하는 R-L 알고리즘17 에 따라 마지막으로, 각 영역 개체의 직경 Hough 변환18를 사용 하 여 계산할 수 있습니다. 그 결과, 평균 및 표준 편차 각 이미지에 구체 개체의 직경의 추정 될 수 있습니다.

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결과

세미-3D 흐름 초점 미세 칩 멀티 레이어 소프트 리소 그래피 기술을 사용 하 여 위에서 설명한 대로 조작 했다. 제조 프로세스와 결과 그림 2에 표시 된 protocolare에 있는 마스터 형 이다. 65 µ m 넓은 채널 분산된 단계와는 50 µ m 넓은 개 구 부 (그림 2를) 도입을 제공 하는 첫 번째 계층은 두께에서 20 µ m. 또한 130 µ m 두께 레이어는 연속 단계 채널 및 출구 채널 (그림 2b)를 제공 하는 데 사용 됩니다. 그림 2 c 완성 된 몰드를 보여줍니다. 입구에서 필터는 입력에서 PDMS에 구멍 뚫은 구멍의 파편을 방지 하기 위해 설계 되...

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토론

2D 및 3D 세미 미세 장치를 사용 하 여 흐름 초점 모드에서 작은 물방울의 생성 이전 보고서8,,915,19,20, 다양 한 개발 되었습니다. 21. 이러한 시스템에서 수성 액체 고형화 하지 수는으로 선정 되었다 이온된 수8,15,,2021, 같은 분산된 단계 나트륨의 용액 안정적인 팁 스트리밍 모드의 형성과 수산화...

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공개 사항

저자는 공개 없다.

감사의 글

이 작품 심천 기초 연구 (그랜트 제 자금에 의해 지원 되었다 JCYJ 20150630170146829, JCYJ20160531195439665 및 JCYJ20160317152359560)입니다. 저자는 교수부터 Y. 첸 심천 연구소의 고급 기술 지원에 대 한 과학의 중국 아카데미에 감사 하 고 싶습니다.

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재료

이 논문에 사용된 재료 목록
이름회사카탈로그 번호댓글
실리콘 웨이퍼Huashi Co., Ltd
SU-8 2025, 2100Microchem Co.
SU-8 개발사Microchem Co.
크롬 마스크Qingyi Precision Mask Making Co., Ltd
폴리디메틸실록산(PDMS)다우코닝실가드 184
폴리(에틸렌 글리콜) 디아크릴레이트(PEGDA)시그마26570-48-9
2-하이드록시-40-(2-하이드록시에톡시)-2-메틸프로피오페논TCIH1361-5G광개시
헥사데칸시그마544-76- 3
ABIL EM 90CHT144243-53-8계면 활성제
로다 민 B알라딘81-88-9형광
염료 스핀 코터
리소그래피 기계
자동 연고 교반기ThinkyARV-310
오븐BluePard
광학 현미경OLYMPUSIX71
고속 카메라일본 하마마츠ORCA-flash
MAESFLO 미세유체 유체 제어 시스템FLUIGENTMFCS-EZ
UV 램프FUTANSI365nm UV 광, 8000MW/CM2
Y111069Y020100제

참고문헌

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