Summary
在这里, 我们提出了一个协议来说明一个半三维 (semi-3D) 流聚焦微流控芯片的形成过程和验证实验。
Abstract
通过微流控装置中的流动聚焦过程, 可以产生均匀和大小可控的聚乙二醇二丙烯酸酯 (PEGDA) 液滴。本文提出了一种用于雾滴形成的三维 (semi-3D) 流聚焦微流控芯片。采用多层软光刻法制作了烷芯片。烷含有表面活性剂作为连续相, PEGDA 与紫外光引发剂是分散相。表面活性剂允许局部表面张力下降, 形成了一个更 cusped 的尖端, 促进破碎成微小的微滴。当分散相的压力恒定时, 液滴的大小随着连续相压力的增大而逐渐减小, 从而使分散相流中断。因此, 通过改变两个进气道的压力比, 可选择性地实现直径从1µm 到80µm 的水滴, 平均变化系数估计在7% 以下。此外, 在光聚合中, 液滴可以通过紫外线照射变成微珠。这种微珠表面的共轭生物分子在生物学和化学领域有许多潜在的应用。
Introduction
液滴基微流控系统具有从纳米到微米直径范围1的高单分散液滴的能力, 在高通量药物发现2中具有很大的潜力, 生物大分子的合成3 、4和诊断测试5。由于小水滴的独特优势, 如表面积大、体积比大、应用少, 微升的样品多, 这项技术在广泛的领域引起了广泛的关注。两种不相容液体的乳化是产生水滴的最典型方法之一。在以前的报告中, 研究人员开发了各种不同的水滴形成几何学, 包括 T 连接, 流动聚焦和共同流动的几何图形。在 T 形连接几何中, 分散相通过垂直通道传递到主通道中, 连续相流6,7。在典型的二维 (2D) 流聚焦8、9几何中, 分散相流从侧面剪切;而对于共流几何10,11, 另一方面, 一毛细管引入分散相流被放置在一个较大的毛细管内的共同流动的几何, 使分散的相流被剪切从所有方向。
液滴尺寸通过调整通道尺寸和流速比来控制, 而由共流或 T 结产生的最小尺寸仅限于数微米。对于流动聚焦液滴形成系统, 通过调整两相和表面活性剂浓度的压力比, 包括滴水状态、喷射机制和尖端流15, 形成三种液滴破裂形式。提示流模式也称为螺纹形成, 并观察从分散相流锥尖端绘制出的细线的外观。先前的研究表明, 在2D 或 semi-3D 流聚焦装置8,12中, 可以产生小于几微米的水滴。然而, 作为一个含有极低浓度 PEGDA 的水溶液作为分散相, PEGDA 颗粒的收缩率大约是光聚合后直径的原水滴的 60%, 而 PEGDA 不稀释作为分散相位导致不稳定的尖端流模式12。界面张力是乳化过程的重要参数, 由于表面活性剂加入到连续相液中会降低, 从而降低液滴尺寸、高频率13、高弯曲尖端, 并防止不稳定14。此外, 当大块表面活性剂浓度比临界胶束浓度高得多时, 在饱和态13中界面张力近似不变, 尖端流态可发生15。
在此基础上, 本文利用多层软光刻技术制备了一种 semi-3D 流聚焦微流控器 PEGDA 液滴生成方法。与典型的2D 流聚焦装置不同, semi-3D 流聚焦装置具有浅分散相通道和深部连续相通道, 使分散相可以在侧边上下剪切。这为流聚焦模式提供了更大的调整范围, 减少了液滴破碎所需的能量和压力。与上一次报告12不同, 分散相是纯 PEGDAcontaining 的光引发剂, 确保 PEGDA 颗粒的收缩率低于 10%16;连续相是烷溶于硅基非离子表面活性剂的高体积浓度的混合物。通过调整两个相的压力比, 产生尺寸可控和均匀的水滴。水滴的直径从80µm 到1µm, 因为液滴分解过程从射流模式到尖端流模式的变化。此外, 在紫外曝光的光聚合过程中合成了 PEGDA 颗粒。易于制造的液滴生成微流控系统将为生物应用提供更多的可能性。
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Protocol
1. 模具制造
- 使用绘图软件设计两个光掩膜。描述微通道结构的轮廓, 并在同一绘图文件中使用两个单独的掩码1和2层, 以确保不同通道之间的所有连接。打印不同的层独立于玻璃上的铬板由供应商与1µm 分辨率。确保光掩膜是黑暗的, 透明设计的结构, 作为一个负极性。
注:掩模1包含分散的相进通道和孔。掩码2包含连续相进通道、过滤器和插座。 - 在指定的光刻实验室, 清洁一个3英寸直径的硅片。将晶片放在旋转涂布机上, 打开真空, 将晶片贴在旋转卡盘上。自旋涂层2-3 毫升的 SU-8 2025 负光刻胶到硅片上十年代在 1000 rpm, 然后三十年代在 3000 rpm, 提供第一层厚度的20µm。
- 软烘烤95°c 热板6分钟。涂层后的晶片冷却到室温 (RT), 暴露它通过面具1下的准直15兆瓦/cm2, 365 nm 紫外线十八年代. 曝光后, 烘烤95摄氏度热板6分钟, 然后让晶片冷却到 RT。
- 重复自旋涂层过程。将2-3 毫升的 SU-8 2100 负光刻胶在硅片上, 十年代在 1000 rpm, 然后三十年代在 2000 rpm, 提供第二层厚度130µm。在软的烘烤在95°c 热板为35分钟之后, 安置面具2在第二层光刻胶揭露三十年代, 与分散的相位渠道层数是一致的由紫外光刻。曝光后, 烘烤95摄氏度热板7分钟。
- 通过浸泡在50毫升丙二醇甲醚醋酸盐的搅拌浴中, 开发该晶片, 直到晶圆上的特征变得清晰, 然后用乙醇清洗。最后, 将晶片放在恒温平台上, 进行2小时的硬烘烤。
2. Semi-3D 流聚焦微流控芯片制造
- 将该单体及其固化剂与顶部和底层的重量比略有不同, 通常为顶层 10:1, 8:1 为底层, 使用自动软膏搅拌器4分钟。
注:顶部和底部的基板是以略微不同的比例 (分别为10:1 和 8:1), 以固化剂为基础, 增强了粘结强度。当选择底部层的5:1 比时, 较硬的底板, 使对准困难, 并降低粘结强度由于缺乏灵活性。此外, 在适应显微镜工作距离的情况下, 底板的厚度约为1毫米。当选择15:1 比时, 芯片容易在高压下变形。 - 将混合物倒入90毫米培养皿中完成的硅模具中, 并提供 2 ~ 3 毫米的厚度. 把它放在真空室里, 加德德, 直到所有气泡消失。在烤箱中治疗1小时80摄氏度。
- 让它冷却到 RT. 使用手术刀切割设备至少3毫米以外的特点, 并慢慢剥离从硅片上的基片。使用0.75 毫米直径冲床, 在上一层中的分散相入口、连续相入口和出口处打孔。
- 用胶带清洗该硅烷, 去除灰尘微粒。在 300 W 等离子清洗机中, 等离子同时对顶部和底部的两层都进行2分钟的处理。将顶层放在底层表面, 相对滑动曲面, 直到特征通过立体声显微镜对齐查看。
- 在120摄氏度的烤箱中固化一天, 以提高强度和完整的粘合。
3. 试剂制备
- 通过溶解18体积% 硅基非离子表面活性剂, 制备连续相的溶液: 烷。
- 准备分散阶段的解决方案: 亲水性聚乙二醇二丙烯酸酯 (PEGDA, 兆瓦 255,) 含有 2-羟基 4 '-(2-hydroxyethoxy)-2-methylpropiophenone (98%, 兆瓦 224) 在浓度为5毫克/毫升作为照片引发剂, 和罗丹明 B (95%, 兆瓦 479.01), 浓度为1毫摩尔/升为荧光染料。
- 用连续相填充气动压力控制器的1毫升储层。填充200µL 凝胶加载尖端与分散的阶段。
4. 系统准备
- 将 semi-3D 微流控装置放在倒置光学显微镜的舞台上, 用高速相机观看。
- 将氟化乙烯 (FEP) 管连接到连续相的冲孔孔上, 附加一个短的不锈钢管, 然后将凝胶加载尖端的末端插入到分散相的冲孔孔中。将20厘米长的 FEP 管插入设备的插座中, 并将末端放置在15毫升离心管中。
注:系统的配置如图 1所示。
5. 液滴形成
- 将设备放在倒置显微镜工作台上, 确保不同通道的接合处大致位于显微镜光源的位置。将倒置显微镜聚焦于包含两相相交、孔区和下游通道的区域。
- 设定两个阶段的压力, 使用气压控制器将流体缓慢地输送到相交的区域, 15 毫巴为离散相和30毫巴连续相。等待3分钟的稳定和平衡, 直到稳定的流体流动没有气泡和硅烷残渣。
- 在控制软件的用户界面上输入参数。将分散相的压力设置为系统的基级压力, 例如, 将其保持在45毫巴。增加连续相的压力, 直到乳液破裂模式从射流转变为尖端流模式, 然后等待5分钟的稳定。
- 将 FEP 管端连接出水孔和离心管以收集水滴。
6. PEGDA 粒子的收集和表征
- 固定在夹具中的离心管斜。当液相流向管时, 通过紫外暴露快速凝固获得 PEGDA 颗粒。
- 完成采集过程后, 分别通过20X 或60X 对象的荧光显微镜对 PEGDA 粒子进行取样和观察。
注意.通过定制的软件程序, 对摄像机捕获的数字荧光图像进行了分析。该图像是基于 R L 算法17的第一卷积, 消除聚焦光的模糊效应, 并基于精明边缘检测方法提取图像中的球面对象;最后, 用霍夫变换18计算出各球面对象的直径。因此, 可以估计每个图像中球面物体直径的平均值和标准偏差。
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Representative Results
semi-3D 流聚焦微流控芯片采用多层软光刻技术制作而成。protocolare 中主模的制作过程和结果如图 2所示。第一层提供65µm 宽通道, 用于引入分散相和50µm 宽孔 (图 2a), 厚度为20µm。另外130µm 厚度层用于提供连续相通道和出口通道 (图 2b)。图 2c显示成品模具。在入口的过滤器设计, 以防止在被打孔的碎片从进入。这样做是为了克服孔中的堵塞 (图 2d)。
在制作主模具后, 在协议中的铸造过程和结果如图 3所示。顶部和底部半部分的镜像结构是使用的。使用0.75 毫米冲床钻进和出口孔到顶层的。同时, 在氧等离子体处理后, 顶部和底部的板坯的特性对齐, 不显著影响器件性能。整个 semi-3D 装置的长度约为5厘米。我们尝试了10厘米长的芯片添加下游通道。然而, 芯片越大, 对齐过程越困难, 由于对齐区域的增加。此外, 较短的芯片 (如2.5 厘米长的芯片, 我们使用) 也使校准过程困难, 由于缺乏灵活性。
semi-3D 流聚焦微流控装置和典型的液滴形成过程如图 4所示。由于分散相通道的深度和连续相通道的不同, 在连续相流的作用下, 分散相流将从各个方向压缩。因此, 对称圆锥状液体尖端形成连续产生水滴。水滴的大小由分散和连续相流的压力比改变。实验中, 分散相 (pD) 的压力保持恒定作为基级压力, 并修改连续相 (pC) 的压力, 以影响剪切力, 使液滴破裂过程从喷射模式到尖端流模式, 如图 5所示。液滴通过光聚合形成粒子固化。紫外线照射聚合液滴中的单体。图 6显示了不同压力比的粒子的荧光图像;图像分析揭示了液滴大小, 这是图 7a中的压强比函数。通过与电路方法24的类比,得到了如下图 7b所示的等效射流电路。我们粗略计算了三部分的水力阻力: 分散相通道为 1.26 X 1014Pa · s · m-3 (R3);孔和下游通道的总和是 6.08 X 1012Pa · s · m-3 (R4+ R5);连续相通道和过滤器是 2.19 X 1012Pa · s · m-3 (R2) 和 1.10 X 1012Pa · s · m-3 (R1)。所有水力阻力和流速之间的关系如下所示:
PB 是两相微通道交叉口的压力。当分散相 (PD) 的压力保持在45毫巴时, 压力比转换为相应的流速比:
Qc = 0.8859Pc -1.62891
QD = 2.1302-0.0217PC
液滴尺寸绘制为图 7c中流速比的函数。计算结果表明, 增大压力比 (pC /pD) 导致分散相流被剪切到 spindlier 尖端和下降滴。PEGDA 颗粒的大小范围从1µm 到80µm, 平均变化系数 (CV) 低于7%。小水滴通过荧光显微镜观察到60X 物体, 所以在显微镜的视野中只有一打左右的水滴。此外, 小水滴在半径约为二十或三十像素。很难描述小水滴的方差系数, 而小碱基会导致不准确的计算, 因此不表明这些小水滴的 CVs。
图 1: 实验系统的配置请单击此处查看此图的较大版本.
图 2:多层软光刻用的模具.(a)面具1用于形成20µm 特征。主控腔包含分散相通道和孔口。(b)面具2用于形成130µm 特征。主控形状包含连续相位通道和退出通道。(c)单片机主。(d)过滤器的 CAD 绘图和扫描电镜, 位于入口以防止堵塞。请单击此处查看此图的较大版本.
图 3: 聚甲基微流控芯片的铸造和粘结工艺。(a) semi-3D 的装置的装配示意图。(b)扫描电镜下的板坯结构.(c)单片微流控装置。请单击此处查看此图的较大版本.
图 4: semi-3D 流聚焦微流控系统的一个说明性工作原理。请单击此处查看此图的较大版本.
图 5: 各种液滴破碎过程的荧光法师.(a d)喷射模式和(e f)尖端流模式。pC是连续相的压力, pD是分散相的压力。请单击此处查看此图的较大版本.
图 6.PEGDA 粒子在不同的压力比下.在(a b)光学显微镜和(c d)共焦激光扫描显微镜下, 不同大小和颗粒的粒子的荧光图像。pC是连续相的压力, pD是分散相的压力。请单击此处查看此图的较大版本.
图 7.雾滴大小。(a)根据压力比的相应大小。黑方代表液滴尺寸分布, 上标数为相应的变异系数。较小的水滴很难描绘出小水滴的方差系数, 所以没有指出这些小水滴的 CV。(b)射流电路示意图。(三)液滴尺寸与流速比之间的关系。请单击此处查看此图的较大版本.
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Discussion
使用2D 和 semi-3D 微流控装置的流聚焦模式产生的水滴, 以前已经在各种报告8,9,15,19,20, 21。在这些系统中, 不凝固的水溶液被选择为分散的相, 如去离子水8,15,20,21, 水溶液的钠氢氧化19和稳定尖流模式的形成需要高压电场8,21的支持。此外, 这种流聚焦液滴形成系统类似于纯净水, 低浓度水溶液为 PEGDA12, 比使用 PEGDA 不稀释的分散相更稳定。
在无高压电场的 semi-3D 流聚焦微流控系统中, 采用未稀释 PEGDA 溶液作为分散相液, 增加了形成稳定液滴破碎过程的难度。通过增加表面活性剂浓度, 发现尖端流态更稳定;同时, 表面活性剂浓度的增加也降低了局部表面张力, 形成了更 cusped 的尖端, 从而降低了雾滴的粒径。因此, 尺寸可控 (1 µm 到80µm 直径) 的水滴可以通过调整压力比, 在易于制造和高重现性的方式得到。
然而, 对我们的 semi-3D 流聚焦微流控系统有很大的限制。聚硅烷是一种柔性材料 , 由于微通道的变形 , 在高压动聚焦模式会变得不稳定。此外, 虽然据报道, 烷会导致22的膨胀, 我们没有看到我们的微通道造成了明显的变形, 这种影响。选取了分散相的80µm 和100µm 宽通道, 当压力增大时, 观察到微变形。因此, 我们认为, 在如此高的压力下, 孔口区域的流速太高, 导致不可避免的变形, 而不是由于烷的膨胀效应。整平装置在持续使用7小时后会轻微弯曲。测量一组实际数据需要大约4小时, 而且设备没有明显变形。此外, 利用 T 形结的剧烈破裂过程是否导致不稳定的流聚焦模式是值得探讨的。Y-连接, 在两个相位通道之间 (包括 65°, 45°, 的) 一个角度的流聚焦结构选择, 以使一个温和的流动-聚焦于更稳定的模式。然而, 在这些微流控装置下, 没有出现尖流模式, 只在喷射模式下形成较大的水滴。报告还指出, 在高压比下, 采用 Y-结23µm, 分散相流的全宽度约为30。最后, 在分散相上应用的基级压力略低, 低压降低了产生频率, 尤其是小水滴。在今后的工作中, 预计将通过平行结构获得较高的生产率。
小水滴引起的表面体积比越高, 反应速率和效率越高。在生物学中, 小水滴将用于抗体筛选和药物发现的表面装饰, 添加生物分子, 如靶向基因和细胞, 并通过添加磁性和荧光产生功能粒子材料。我们希望, 我们的协议, 涉及制造 semi-3D 流聚焦的甲基化和小水滴产生, 将有助于不断深入研究这一领域, 并用于广泛的生物应用。
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Disclosures
作者没有什么可透露的。
Acknowledgments
这项工作得到了深圳基础研究经费的支持 (批准号:JCYJ 20150630170146829, JCYJ20160531195439665 和 JCYJ20160317152359560)。作者要感谢中国科学院深圳先进技术研究院的教授, 为支持。
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 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-methylpropiophenone | TCI | H1361-5G | photoinitiator |
| Hexadecane | Sigma | 544-76- 3 | |
| ABIL EM 90 | CHT | 144243-53-8 | surfactants |
| Rhodamine B | Aladdin | 81-88-9 | fluorescent dye |
| Spin Coater | |||
| Lithography machine | |||
| Automatic ointment agitator | Thinky | ARV-310 | |
| Oven | BluePard | ||
| Optical microscope | OLYMPUS | IX71 | |
| High-speed camera | Hamamatsu, Japan | ORCA-flash | |
| MAESFLO Microfluidic Fluid Control System | FLUIGENT | MFCS-EZ | |
| UV lamp | FUTANSI | 365 nm UV light, 8000 MW/CM2 |
References
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