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Biology

微流控芯片控制,弹性微阀阵列

doi: 10.3791/296 Published: October 1, 2007

Summary

我们展示了用于制造和自动化弹性聚二甲基硅氧烷(PDMS)为基础的,并不需要额外的能量的微型阀阵列关闭和功能光刻定义的精确卷的协议。一个平行subnanoliter量混频器和一个集成微流体灌注系统。

Abstract

微型微流体系统提供低成本的护理诊断和高通量的生物医学检测的简单而有效的解决方案。强大的流量控制和精确的流体体积,这些应用程序的两个关键要求。我们已经开发出具有弹性的聚二甲基硅氧烷(PDMS)的微型阀阵列的微流体芯片:1)不需要额外的能量来源,关闭流体的路径,从而加载的设备是高度可移植; 2)允许microfabricating深(可达1毫米)通道与垂直侧壁,在非常精确的特点。

的PDMS microvalves为基础的设备包括三个层次:一个流体层,包含流体的路径和各种尺寸,包含必要的微驱动microvalves流体路径,控制层和中间细的控制,则势必PDMS膜microchambers层。流体层和控制层是由硅橡胶成型副本从SU - 8胶的主人,而薄的PDMS膜是在指定的高度旋转的PDMS。控制层是保税PDMS两个氧活化后的薄膜,然后再组装与流体层。 microvalves是休息时关闭,并可以通过运用负压(例如,内部真空)打开。微型阀关闭和开放的自动化,通过计算机软件控制的电磁阀。

在这里,我们展示了两个不同的应用程序为基础的微阀微流体芯片。第一个芯片可以存储在不同的混合比例混合的精确分卷纳升的水溶液。第二个芯片允许计算机控制的微流体细胞培养灌注。

该设备是编造容易和简单的控制。由于硅橡胶的生物相容性,这些微型芯片可以有微型诊断方法以及基本的细胞生物学研究中的广泛应用。

Protocol

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微流控装置的设计使用CorelDRAW或AutoCAD软件

基于PDMS的microvalves设备原理:该设备由三个层次组成:流体层,包含各种尺寸,“控制层”,包含必要的微驱动microvalves流体路径,中间薄PDMS膜,则势必microchambers控制层。休息时,由于合规性和疏水性硅橡胶,膜密封(可逆)反对的席位,因此,商会保持彼此孤立的,没有能量输入。可以采用负压(例如,内部真空)阀打开,使PDMS膜偏转向下,从表面上看,支持两个流体商会之间的墙隔开,从而连接流体路径。从真空到大气压力开关的压力设定,可以实现阀门关闭。

使用CorelDRAW,AutoCAD软件设计的流体层和控制层模式。含有这些设计的口罩被印在通过商业服务(CAD /艺术服务,班登,或)高解析度(8,000至20,000 dpi)的透明度电影(口罩未显示)。

制备硅使用标准的SU - 8光刻的主人

  1. 标准SU - 8光刻方法被用来创建SU - 8“主人”(SU - 8月到2050年,MicroChem,牛顿,MA)为微层,并在洁净室的阀门控制层(在这个视频没有显示)。

  2. 为了便于释放,之前的PDMS复制的SU - 8,大师们所接触到一个fluorosilane((tridecafluoro - 1,1,2,2,tetrahydrooctyl)- 1 -三氯硅烷(TFOCS)),在蒸汽硅烷干燥器罐(不干燥颗粒)连接到真空源。干燥器室必须位于内化学通风柜由于TFOCS蒸气腐蚀性质。

  3. 放置吸水纸毛巾干燥器内室的一小部分。添加TFOCS下降纸巾和疏散室的空气。应用真空1分钟关闭。关闭真空,使沉积30分钟。存放在密闭容器中以供将来使用的主人。

副本成型硅橡胶的主人

  1. 流体层和控制层是由硅橡胶成型,从SU - 8大师翻版。

  2. 彻底搅拌的PDMS预聚物和交联剂(10:1重量比),泡沫在10-15分钟,直至气泡明确干燥器。

  3. 切成1-2厘米长的片硅胶管。油管根据应用选择合适的大小。我们使用1.1​​4 mm内径的导管,在这里轻松地连接到1 / 16英寸外径管后。

  4. Duco公司®水泥使用胶水管上的SU - 8的控制层的主入口区域。小心不要使用太多的胶水,硅胶管是相同的组件的PDMS,将被嵌入到PDMS微流体装置,造成空气和流体紧张的进气口/网点和油管。

  5. 在我们的设备,进气口地区设计的流体和控制层的口罩,但只到一层的设备(例如,控制层)成型硅胶管入口。要创建流体层的进气口,我们手动删除或穿刺膜覆盖入口地区的几节。因此,对齐和装配后,所有的微(那些携带流动以及那些控制阀)是从设备的顶部访问,使底面平面成像设备,使传统的显微镜阶段。

  6. 小心地倒入冒泡到PDMS的两个主人,在控制层的主油管周围。泡沫再在干燥器中。完成脱泡后,放入65 ° C的烘箱固化> 1小时。

  7. 删除固化硅橡胶,涵盖了从烤箱的主人。

  8. 削减个人的主人(每个主包含三个相同的设备)和剥离设备。

  9. 取出用针或镊子对入口区域胶水。

  10. 考虑到洁净室的控制层的PDMS。

薄的PDMS膜制造

  1. 由于在显示设备的原则,中间层由一个〜12微米厚的硅橡胶膜。

  2. 混合10:1 WT。由涡旋的PDMS预聚物/正己烷(3:1重量比)固化剂的混合比例。

  3. 移动到一个干净的房间。 (无尘埃的环境是确保关键的PDMS膜,无缺陷;灰尘颗粒可能会导致膜孔和/或缺陷势必副本模具。)

  4. 将一个硅烷3英寸直径的晶圆一个Solitec飞旋的真空吸盘。晶圆硅烷前PDMS的纺纱,以方便PDMS硅表面释放(fluorosilane衍生物)。容易清洗的塑料薄膜包裹着聚四氟乙烯碗外夹头。

  5. 免除到使用18号针头(为最大限度地减少气泡)的晶圆PDMS /正己烷混合2-3毫升。

  6. 设置旋转参数。转速7000 RPM为30秒,产生〜12微米厚的的硅橡胶薄膜在。

  7. 晶圆温度在85 ° C的一个热点板块治愈的PDMS薄膜4分钟。

PDMS的多层器件的粘接和装配

  1. 把控制层和一个氧离子室的PDMS膜。打开血浆为30秒(氧压30磅,流速3-5 SCFH,550W)。使接触到的PDMS膜氧活化后立即(在5分钟内)的控制层。经验,系统参数,如氧气的压力,流量,和等离子体功率和治疗时间,根据不同的应用配置。

  2. 等待5分钟,从晶圆移除控制层与膜。

  3. 拆下进气口区膜,以便控制和流体层是从通过管子的顶部访问。

  4. 下一个立体(平面)与流体层控制层(如进气口油管)对齐。由于PDMS到硅橡胶密封,没有永久的粘接。

电脑控制的开放和关闭的PDMS microvalves真空或压力

  1. 设备对齐和装配后,1 / 16英寸外径(1 / 32英寸ID)聚乙烯管插入1.14 mm内径硅胶进气口和连接的进气口的压力来源或流体水库。

  2. 打开和关闭阀门,真空和空气压力线,通过两个压力调节器连接到一个微型三通电磁阀阵列的压力控制。

  3. 电磁阀连接到NI数据采集硬件通过LabVIEW软件控制。

  4. 设备操作和膜偏转一个彩色CCD摄像头(SPOT放疗,诊断仪器,斯特林高地,心肌梗死)的可视化。

并行的两种不同颜色的染料混合在不同的定义纳升量

我们展示了一个平行的混频器,用于存储和精确的分卷纳升的水溶液在不同的混合比例混合允许的操作:

  1. 流体层包含两个数组microchambers:随着阵列,microchambers的大小减小,从左边开始,从200微米× 400微米至200微米× 40微米; 一个 10是一个500微米× 40微米室是使用数组A中的流体连接; 会议厅10右侧是一组对称的大小的增加商会。数组B室设计,总是等于不同的行中的任何两个相邻商会的添加量。一个0,一个0R和B 10,B 10R被设计成各自控制的解决方案A和B,无需混合。

  2. 控制层,有两个独立的阀门控制集。阀门{V 1}是用来连接两个各自的进气口的腔阵列,而一个是用来连接两个数组每个商会对第二套阀{V} 。

  3. 开阀设置{V 1}允许两个染料溶液的流动阵列A和B,分别填补microchambers 。可以实现流量的解决方案,通过手或真空拉控制电磁阀。如果气泡在microchambers形式,更多的解决方案可以推到去除气泡,或者该设备可以留几分钟和气泡就会消失,由于透气性的PDMS的。

  4. 关闭阀门设置{V 1}两个数组中每个隔离室。

  5. 打开阀门设置{V}允许在不同的阵列相邻商会之间的混合液体。混合仅约需1-2分钟,以完成这些卷。

  6. 关闭{V}推流体每个流体商会和商会变形回到原来的形状。由于两流体阵列商会,11个大小不同的设计,生产11种不同的混合比例混合在一个单一的步骤。

集成微流体系统,电脑控制微流体细胞培养灌注

我们展示了微流体系统,能够自动灌注到一个单一的细胞培养室的多种解决方案。 “入口控制microvalves,可以在任何单一的入口,各种不同的组合,或一次序列激活。该设备是能够生产各种解决方案的梯度或混合物。

该器件还包​​括三个层次:一个流体层,控制层和中间薄PDMS膜。

此设备的替代制作步骤:

  1. 流体通道和控制通道的入口是“一拳”使用直径1.2毫米微冲哈里斯(特德佩拉公司)。使用减弱了18针插入通过控制层的PDMS针管连接进气口。这允许比硅胶管的进气口密集的包装。遵守的PDMS提供了一个有效地传递流体或气压针周围的密封。

  2. 如前所述,薄PDMS膜的结合,以控制层是使用接触氧气等离子来完成。

  3. 流体层副本成型准备与PDMS预聚物,交联剂,在5:1的比例,部分为25分钟在60℃,在对流烘箱固化。在这一点上,部分治愈的流体层仍然是俗气,但它可以从主删除。

  4. 流体层是手动对齐预装配的控制和使用膜层立体。组装的设备是一个烤盘上,然后放置5分钟,在80 º C下,阀门控制线连接到自动控制器和阀门被启动,直到流体真空应用在所有的阀座层膜分离。 “分离”的阀门后,电脑控制器设置为周期的阀门开启和关闭,而该设备是在80℃的烤盘上进一步治愈至少1个小时。

我们集成的微流体系统的特点:该设备能够自动灌注16不同的解决方案,以细胞培养室,使用复油液计划。渠道设计确保所有的进气口的阻力是平衡的。我们的微型阀的设计分离的解决方案和控制,通过流体迅速清除,这就限制了交叉污染的综合频道漂洗。综合人字形混频器可以被激活,产生不同的进气口的混合物。此外,还有四个不同的电阻,可以激活改变流量的渠道。

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Discussion

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我们的微阀的设计的主要优点:

  1. 没有额外的能量来源是需要关闭的流体路径,因此加载的设备是高度可移植;
  2. 该设备可内置光刻图案的SU - 8模具的PDMS副本,允许microfabricating深(可达1毫米),垂直侧壁的渠道(即高度的功能,可以指定独立的宽度),并在很精确的特点。

并行混频器的优点:

  1. 这是很容易制造和简单控制。
  2. 卷光刻定义,因此,非常精确。
  3. 液体和试剂,可以存储在连续几天的微装置,允许高度可移植的实验。
  4. 值得注意的是,PDMS的生物相容性,因此该设备具有微型诊断分析,以及在药物筛选和酶为基础的生物分子检测的,如细胞为基础的分析的广泛的适用性。

集成微流体灌注室的优点:

  1. 它能够对多种化学品的解决方案,自动灌注到一个单一的细胞培养室。
  2. 入口控制microvalves,可以在任何单一的入口,各种不同的组合,或一次序列激活。
  3. 该设备是能够生产各种解决方案的梯度或混合物。

主要为制造过程中的注意事项:

  1. 无尘埃的环境是在PDMS膜制造,确保无缺陷膜的关键。

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Acknowledgments

这项工作是支持的国家生物医学成像和生物工程授予#EB003307研究所和美国国家科学基金会职业奖自动对焦

Materials

Name Type Company Catalog Number Comments
Clean silicon wafers Supplies Silicon Sense Inc. 3P0110TEST 3-inch diameter, P/Boron
"Master" wafers containing SU-8 patterns Supplies Fabricated in house using standard photolithography procedures
Desiccators (2) Equipment VWR international 24987-048 One for silanization, one for PDMS de-bubbling.
Balance Equipment OHAUS Corp. SC6010
Oven Equipment Sheldon Manufacturing, Inc. 1330GM
MiniVortexer Equipment VWR international 58816-121
Spinner Equipment Headway Research Inc. PWM32
Plasma etcher Equipment Plasmatic Systems, Inc. Plasma Preen II-973
Hot Plate Equipment Torre Pines Scientific HP30A
Stereoscope Microscope Nikon Instruments TMZ1500
CCD camera Equipment Diagnostic Instruments SPOT RT
Solenoid valves Equipment Lee Company LHDA0511111H
Data acquisition board Hardware National Instruments PCI 6025E, CB-50LP
LabView Software National Instruments Version 8.0
Tridecafluoro-1,1,2,2,-tetrahydrooctyl)-1-trichlorosilane Reagent United Chemical Technologies T2492 Silanization must be done in a chemical fume hood.
PDMS prepolymer and crosslinker Reagent Dow Corning Sylgard 184
Hexane Reagent EMD Millipore HX0295-6
Color Dyes Reagent Spectrum Chemical Mfg. Corp. FD&C 110, 135, 150 Blue #1, Yellow #5, Red #3.
3 ml disposable transfer pipets Supplies Fisher Scientific 13-711-20
Kimwipes Supplies Kimberly-Clark Corporation 34155
Weighing boats Supplies VWR international 12577-027
Tongue depressor Supplies Fisher Scientific 11-700-555
P100 dishes Supplies Fisher Scientific 08-772E
Silicone tubing (1.14 mm inner diameter (I.D.)) Supplies Cole-Parmer 07625-30
Tygon tubing (O.D. 1/16 in; I.D. 1/32 in) Supplies Cole-Parmer 06418-02
Duco Cement Supplies Devcon Inc. 6245
Razor blade Tools VWR international 55411-050
Needles Tools Fisher Scientific 0053482 (25 Gauge)
#5 Forceps Tools Fine Science Tools 11251-20
50 ml centrifuge tube Supplies Fisher Scientific 05-526B
Seal wrap film Supplies AEP Industries Inc. 0153877
1.5 ml microcentrifuge tubes Supplies Fisher Scientific 05-406-16
15 ml centrifuge tubes Supplies BD Biosciences 352097
Purple nitrile power-free gloves Supplies VWR international 40101-348
1.2 mm Harris biopsy punch Tools Ted Pella, Inc. 15074

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References

  1. Li, N., Hsu, C. H., Folch, A. Parallel mixing of photolithographically-defined nanoliter volumes using elastomeric microvalve arrays. Electrophoresis. 26, (19), 3858-3864 (2005).
  2. Thorsen, T., Maerkl, S. J., Quake, S. R. Microfluidic large-scale integration. Science. 298, (5593), 580-584 (2002).
微流控芯片控制,弹性微阀阵列
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Li, N., Sip, C., Folch, A. Microfluidic Chips Controlled with Elastomeric Microvalve Arrays. J. Vis. Exp. (8), e296, doi:10.3791/296 (2007).More

Li, N., Sip, C., Folch, A. Microfluidic Chips Controlled with Elastomeric Microvalve Arrays. J. Vis. Exp. (8), e296, doi:10.3791/296 (2007).

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