Hier presenteren we een protocol ter illustratie van de fabricage processen en de verifiërende experimenten van een semi-three-dimensional (semi-3D) stroom-focusing microfluidic chip voor druppel vorming.
Een abonnement op JoVE is vereist om deze inhoud te bekijken. Log in of start vandaag met uw gratis proefperiode.
Methodenartikel
Generatie van grootte bestuurde Poly (ethyleen Glycol) Diacrylate druppels via Semi-3-dimensionale Flow gericht Microfluidic apparaten
In dit artikel
Samenvatting
Samenvatting
Uniforme en grootte-controleerbaar poly (ethyleen glycol) diacrylate (PEGDA) druppels geproduceerd kon worden via de stroom gericht proces in een microfluidic apparaat. Dit document stelt een semi-three-dimensional (semi-3D) stroom-focusing microfluidic chip voor druppel vorming. De chip Polydimethylsiloxaan (PDMS) werd vervaardigd met behulp van de methode Multi-Layer zachte lithografie. Hexadecaan met oppervlakteactieve stof werd gebruikt als continue fase, en PEGDA met de ultraviolet (UV) foto-initiator was de verspreide fase. Oppervlakteactieve stoffen mag de lokale oppervlaktespanning te laten vallen en een meer cusped tip die bevorderd breken in kleine micro-druppeltjes gevormd. Als de druk van verspreide fase constant was, werd de grootte van de druppels kleiner met de toenemende druk van de continue fase vóór verspreide fase stroom werd afgebroken. Dientengevolge, druppels met variatie van de grootte van 1 µm tot 80 µm in diameter selectief kunnen worden bereikt door het veranderen van de druk-verhouding in twee inlaat kanalen, en de gemiddelde variatiecoëfficiënt werd geschat op minder dan 7%. Bovendien zou kunnen druppels uitmonden in micro-kralen door UV belichting voor foto-polymerisatie. Conjugating biomoleculen op het oppervlak van dergelijke micro-kralen hebben veel toepassingsmogelijkheden op het gebied van biologie en chemie.
Inleiding
Microfluidic druppel gebaseerde systemen hebben de mogelijkheid om te produceren zeer monodispers druppels van nanometer micrometer diameter bereik1 groot potentieel ingedrukt in de high-throughput drug discovery2, synthese van biomoleculen3 ,4, en de diagnostische testen van5. Als gevolg van de unieke voordelen van kleinere druppeltjes, zoals de grotere oppervlakte aan volumeverhouding en de grootschalige toepassingen met het consumeren van een paar microliters van steekproef, heeft de technologie uitgebreide interesse in een brede waaier van velden aangetrokken. De membraanemulsificatie van twee onmengbare vloeistoffen is een van de meest typische methoden voor het genereren van de druppel. In eerdere verslagen in het veld, hebben onderzoekers een verscheidenheid van verschillende druppel vorming geometrieën, met inbegrip van de t-splitsing, stroom-focusing en co stroomt geometrieën ontwikkeld. In de t-splitsing geometrie, wordt de verspreide fase geleverd via een loodrecht kanaal in het belangrijkste kanaal, waarin de continue fase6,7 stroomt. In de typische tweedimensionale (2D) stroom-focusing8,9 geometrie, is de verspreide fase stroom geschoren uit de dwarskrachten; en voor de co vloeiende geometrie10,11, aan de andere kant, een capillair invoering van de verspreide fase stroom is geplaatst co-axiaal binnen een grotere capillair voor co vloeiende geometrie, zodat de verspreide fase stroom is geschoren uit alle richtingen.
De druppel grootte wordt bepaald door het kanaal grootte en stroom tarief verhouding aan te passen, en de minimale grootte geproduceerd door samen stromen of t-splitsing is beperkt tot tientallen micrometers. Voor stroom-focusing druppel vorming systeem, vormen drie modi voor druppel uiteenvallen door het aanpassen van de verhouding van de druk van twee fasen en concentratie van de oppervlakteactieve stof, met inbegrip van de druipende regime, de jetting regime, en tip-streaming15. Tip-streaming modus wordt ook genoemd draad vorming en het uiterlijk van een dunne de wol uit te trekken uit de tip van verspreide fase stroom kegel worden nageleefd. Eerdere studies hebben aangetoond dat druppels minder dan enkele micrometers kunnen worden gegenereerd, hoewel tip-streaming proces in 2D of semi-3D stroom-focusing apparaat8,12. Echter, zoals een waterige oplossing met een zeer lage concentratie van PEGDA werd gebruikt als de verspreide fase, de verhouding van de krimp van PEGDA deeltjes was ongeveer 60% van de oorspronkelijke druppels diameter na foto-polymerisatie, terwijl PEGDA zonder verdunning als de verspreide fase leidde tot unstable tip-streaming modus12. Interfaciale spanning is een belangrijke parameter voor emulsie proces en het zal afnemen als gevolg van de toevoeging van de oppervlakteactieve stof in de vloeistof van de continue fase, wat leidt tot afname van de grootte van de druppel, hogere generatie frequentie13, zeer gebogen uiteinde, en het voorkomen van instabiliteit14. Bovendien, wanneer de concentratie van de surfactant bulk veel hoger dan de kritische micel-concentratie is, de Interfaciale spanning is ongeveer onveranderlijk in de verzadigde staat13 en de tip-streaming modus kan optreden van15.
Op basis van de bovenstaande opmerkingen maken, in dit document, ontwikkeld we een facile benadering voor PEGDA druppels generatie met behulp van een semi-3D stroom-focusing microfluidic apparaat, vervaardigd door multi-layer zachte lithografie methode. Anders dan de typische 2D stroom-gericht apparaat, de semi-3D stroom-focusing apparaat heeft een ondiepe verspreide fase kanaal en een diep continue fase kanaal, zodat de verspreide fase kan worden geschoren uit omhoog en omlaag naast laterale. Dit biedt grotere aanpassing assortiment voor stroom-focusing modus door vermindering van de energie en de druk die nodig is voor druppel uiteenvallen. Anders dan de vorige verslag-12, de verspreide fase is pure PEGDAcontaining foto-initiator, ervoor te zorgen dat de verhouding van de krimp van PEGDA deeltjes lager dan 10%16 is; en de continue fase is het mengsel van hexadecaan ontbinding met een hoge bulk-concentratie van de siliconen gebaseerde nonionic oppervlakteactieve stof. Grootte-controleerbaar en uniforme druppels werden geproduceerd door het aanpassen van de verhouding van de druk van twee fasen. De diameter van de druppels verandert van 80 µm 1 µm zoals de druppel uiteenvallen wijzigingen ten opzichte van de jetting modus naar de tip-streaming modus verwerkt. Bovendien werd het PEGDA deeltje gesynthetiseerd door foto-polymerisatie proces onder UV-belichting. De druppel generatie microfluidic systeem met gemak van fabricage zal het verstrekken van meer mogelijkheden voor biologische toepassingen.
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Protocol
1. schimmel Fabrication
- Ontwerp twee fotomaskers met behulp van een tekening software. Beschrijven de omtrek van de microchannel structuur en gebruik van twee afzonderlijke lagen voor masker 1 en 2 in de dezelfde tekeningbestand, dus zorg ervoor alle verbindingen tussen verschillende kanalen. Verschillende lagen onafhankelijk chrome plaat op het glas door een leverancier met 1 µm resolutie afdrukken. Ervoor zorgen dat de fotomaskers donker met transparante ontworpen structuren, als een negatieve polariteit uitzendt.
Opmerking: Het masker 1 bevat het verspreide fase inlaat kanaal en een opening. Het masker 2 bevat de continue fase inlaat kanaal, het filter en het stopcontact. - Schoon in aangewezen fotolithografie lab, een 3-inch diameter silicium wafer. Plaats het zegel op een spin-coater, weer op het vacuüm te bevestigen van het zegel op de spin chuck. Spin-jas 2-3 mL SU-8 2025 negatieve fotoresist op het zegel voor 10 s bij 1.000 tpm, dan 30 s 3000 rpm, bieden de eerste laagdikte van 20 µm.
- Zachte bak op een kookplaat van 95 ° C gedurende 6 minuten. Nadat de gecoate wafer afkoelt tot kamertemperatuur (RT), worden blootgesteld via het masker 1 onder een collimated 15 mW/cm2, 365 nm van UV-voor 18 s. post-exposure, bakken op een kookplaat van 95 ° C gedurende 6 minuten, dan kunnen de wafer afkoelen tot RT.
- Herhaal het proces van de spin-coating. Toepassing van 2-3 mL van de negatieve fotoresist SU-8 2100 naar de wafer voor 10 s bij 1.000 tpm, dan 30 s bij 2.000 rpm, bieden de tweede laagdikte van 130 µm. Na zachte bak op een kookplaat van 95 ° C gedurende 35 min., plaats het masker 2 op de tweede laag fotoresist bloot voor 30 s, dat was afgestemd op de verspreide fase kanaal laag door een UV-aligner. Post-exposure, bakken op een kookplaat van 95 ° C gedurende 7 minuten.
- De wafer te ontwikkelen door het onder te dompelen in een stirred bad van 50 mL methylacetaat ether propyleenglycol tot functies duidelijk op de wafer geworden, dan met ethylalcohol wassen. Tot slot, plaats het zegel op de thermostatische platform voor harde-bakken voor 2 h.
2. semi-3D Flow-focusing Microfluidic Chip Fabrication
- Mix PDMS monomeer en haar genezen agent in een lichtjes verschillend gewichtsverhouding voor de bovenste en de onderste lagen, meestal 10:1 voor de bovenste laag, en 8:1 voor de onderste laag, met behulp van automatische zalf agitator voor 4 min.
Opmerking: De boven- en onderkant PDMS platen worden bereid in een iets andere verhouding (10:1 en 8:1 respectievelijk) voor PDMS base te genezen agent, verbetering van de sterkte van de binding. Bij 5:1 verhouding is gekozen voor de onderste laag, de stijvere onder PDMS slab uitlijning bemoeilijkt en vermindert de hechting sterkte wegens gebrek aan flexibiliteit. Daarnaast is de dikte van de plaat onder PDMS ongeveer 1 mm voor de aanpassing van de afstand van de werken van Microscoop. De chip vervormt gemakkelijk onder hoge druk wanneer 15:1-verhouding wordt gekozen. - Giet het mengsel in de mal van de voltooide silicium in een petrischaal 90-mm en voorzien van een dikte van 2 ~ 3 mm. plaats het in een vacuuemcel en ontgas totdat alle luchtbellen verdwijnen. Genezen bij 80 ° C gedurende 1 uur in een oven.
- Laat de PDMS afkoelen tot RT. gebruik een scalpel om te knippen het apparaat ten minste 3 mm afstand van de functies en langzaam de PDMS laag van het silicium wafer afschilferen. De inlaat van de verspreide fase, de continue fase inlaat en de uitlaat in de toplaag van de PDMS, met behulp van een 0,75 mm diameter punch Punch.
- Reinig de PDMS met plakband om te verwijderen van stofdeeltjes. Plasma behandelen zowel de boven- en onderkant PDMS lagen tegelijk gedurende 2 minuten in een 300 W plasma reiniger. Plaats de bovenste laag op de onderkant van de laag, en schuif de oppervlakken relatief tot functies worden uitgelijnd door een stereo microscoop bekijken.
- Het genezen van het apparaat in een oven bij 120 ° C gedurende één dag ter verbetering van de sterkte en voltooien van hechting.
3. reagentia voorbereiding
- Bereid de oplossing van de continue fase: Hexadecane door ontbinding 18 vol % siliconen gebaseerde nonionic oppervlakteactieve stof.
- Bereid de oplossing van de verspreide fase: hydrofiele poly (ethyleen glycol) diacrylate (PEGDA, MW 255,) met 2-hydroxy-4'-(2-hydroxyethoxy)-2-methylpropiophenone (98%, MW 224) met een concentratie van 5 mg/mL als foto-initiator en rhodamine B () 95%, MW 479.01) met een concentratie van 1 mmol/L als de fluorescente kleurstoffen.
- Vul de 1 mL reservoirs van pneumatische druk controller met de continue fase. Vul de tip 200 µL gel laden met de verspreide fase.
4. system Preparation
- Plaats het apparaat semi-3D microfluidic in het werkgebied van een omgekeerde optische Microscoop, met een high-speed camera bekijken.
- Sluit de gefluoreerde ethyleen propyleen (FEP) buis aan het geperforeerd gat van de continue fase door het aanbrengen van een korte roestvrij-staal buis, dan sluit het uiteinde van een gel laden tip in het geperforeerd gat van de verspreide fase. Invoegen van een 20 cm lengte van FEP buis in het stopcontact in het apparaat en plaats het uiteinde in een centrifugebuis van 15 mL.
Opmerking: De configuratie van het systeem wordt geïllustreerd in Figuur 1.
5. druppels vorming
- Plaats het apparaat op de werkbank van een omgekeerde Microscoop, en ervoor te zorgen dat de kruising van verschillende kanalen ongeveer zich in de positie van de lichtbron van de Microscoop bevindt. Richten de omgekeerde Microscoop op een gebied waarin twee-fasen kruising, de regio van de opening en de downstream-kanaal.
- Ingestelde druk van twee fasen met behulp van pneumatische druk controller te leveren van de vloeistof langzaam naar de kruisende regio, met 15 mbar voor de verspreide fase en 30 mbar voor de continue fase. Wacht 3 min voor stabilisatie en evenwichtsinstelling tot stabiele vloeistofstromen uitvoering geen bubbels en PDMS residu.
- Ingang van de parameters in de gebruikersinterface van de software van de controle. Instellen van de druk van de verspreide fase als de base-niveau druk van het systeem om een constante, bijvoorbeeld, het onderhouden op 45 mbar. Verhoging van de druk van continue fase tot de emulsie uiteenvallen modus wordt gewijzigd van de jetting naar de tip-streaming mode, wacht 5 min. voor stabilisatie.
- Plaats de FEP buis einde het gat van de uitlaat verbinden met de centrifugebuis voor het verzamelen van de druppels.
6. PEGDA deeltjes verzamelen en karakterisering
- Corrigeer de centrifugebuis schuin in het armatuur. Krijgen de PEGDA deeltjes via de snelle stolling door UV belichting wanneer vloeibare fase stroom aan de buis.
- Bij het beëindigen van het proces van het verzamelen, proef en observeren de PEGDA deeltjes via de fluorescente microscoop 20 X of 60 X objecten respectievelijk.
Opmerking. De digitale fluorescerende afbeeldingen die zijn vastgelegd door de camera worden geanalyseerd door een op maat gemaakte software routine. Het beeld is eerste deconvolutie op basis van de R-L algoritme17 te elimineren van het vervagende effect van uit-van-gericht licht en de sfeer die objecten in de afbeelding worden uitgepakt op basis van de Canny rand detectiemethode; tot slot, de diameter van elke bol-object kan worden berekend met behulp van Hough transformatie18. Dientengevolge, kunnen gemiddelde en standaardafwijking van de diameter van de bol objecten in elk beeld worden geschat.
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Resultaten
De flow-focusing semi-3D-chip voor microfluidic werd vervaardigd met behulp van multi-layer zachte lithografie technieken zoals hierboven beschreven. Het fabricageprocédé en de resultaten voor master schimmel in de protocolare afgebeeld in Figuur 2. De eerste laag, waarmee een 65 µm breed kanaal voor de invoering van de verspreide fase en een 50 µm breed opening (Figuur 2een), is 20 µm in dikte. Een toevoeging 13...
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Discussie
De generatie van druppeltjes in de stroom-focusing modus met behulp van 2D- en semi-3D microfluidic apparaat is eerder ontwikkeld in een aantal verslagen8,9,15,19,20, 21. In deze systemen, werd de waterige vloeistof die niet kon worden verhard gekozen als de verspreide fase, zoals gedeïoniseerd water8...
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Openbaarmakingen
De auteurs hebben niets te onthullen.
Dankbetuigingen
Dit werk werd ondersteund door het fundamenteel onderzoek van Shenzhen financiering (Grant nr. JCYJ 20150630170146829, JCYJ20160531195439665 en JCYJ20160317152359560). De auteurs bedank Prof. Y. Chen aan het Shenzhen Institutes of Advanced Technology, Chinese Academie van Wetenschappen voor ondersteunt.
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Materialen
| Naam | Bedrijf | Catalogusnummer | Opmerkingen |
|---|---|---|---|
| Silicon wafer | Huashi Co., Ltd | ||
| SU-8 2025, 2100 | Microchem Co. | Y111069 | |
| SU-8 developer | Microchem Co. | Y020100 | |
| Chromium mask | Qingyi Precision Mask Making Co., Ltd | ||
| polydimethylsiloxane(PDMS) | Dow Corning | Sylgard 184 | |
| poly(ethylene glycol) diacrylate (PEGDA) | Sigma | 26570-48-9 | |
| 2-hydroxy-40-(2-hydroxyethoxy)-2-methylpropiofenon | TCI | H1361-5G | foto-initiator |
| Hexadecaan | Sigma | 544-76- 3 | |
| ABIL EM 90 | CHT | 144243-53-8 | oppervlakteactieve stoffen |
| Rhodamine B | Aladdin | 81-88-9 | fluorescent kleurstof |
| Spin Coater | |||
| Litografiemachine | |||
| Automatische zalfmixer | Thinky | ARV-310 | |
| Oven | BluePard | ||
| Optische microscoop | OLYMPUS | IX71 | |
| Hogesnelheidscamera | Hamamatsu, Japan | ORCA-flash | |
| MAESFLO Microfluidisch vloeistofbesturingssysteem | FLUIGENT | MFCS-EZ | |
| UV-lamp | FUTANSI | 365 nm UV-licht, 8000 MW/CM2 |
Referenties
- 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).
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Herprints en machtigingen
