Summary
Der findes flere metoder til fremstilling af kanaler af ikke-rektangulære sektioner indlejret i Polydimethylsiloxan mikrofluid enheder. De fleste af dem involverer omstændelig fremstilling og omfattende tilpasning. I dette papir, er en et-trins tilgang rapporteret for at fabrikere mikrofluid kanaler af forskellige geometriske tværsnit af Polydimethylsiloxan sekventielle våde ætsning.
Abstract
Polydimethylsiloxan (PDMS) materialer udnyttes væsentligt for at fabrikere mikrofluid enheder ved hjælp af bløde litografi replika molding teknikker. Brugerdefinerede kanal layout design er nødvendige for bestemte funktioner og integreret ydeevne af mikrofluid enheder i talrige biomedicinske og kemiske applikationer (f.eks. cellekultur, biosensing, kemisk syntese og flydende håndtering). Paa grund af støbning metoder bruger silicium wafers med photoresist lag mønstret af fotolitografi som master forme, har mikrofluid kanalerne normalt regelmæssig tværsnit af rektangulære figurer med identiske højder. Typisk, kanaler med flere højder eller forskellige geometriske sektioner er designet til at have særlige funktioner og til at udføre i forskellige mikrofluid applikationer (f.eks.hydrophoresis bruges til at sortere partikler og kontinuerlige strømme for adskille blodlegemer6,7,8,9). Derfor er en stor indsats gjort i opbygningen kanaler med forskellige sektioner gennem flere trin tilgange som fotolitografi bruger flere photoresist lag og samling af forskellige PDMS tynde plader. Ikke desto mindre indebære sådan flere trin tilgange normalt at trivielle procedurer og omfattende instrumentation. Desuden, de opdigtede enheder kan ikke udføre konsekvent og resulterede eksperimentelle data kan være uforudsigelig. Her, er en et-trins tilgang udviklet til det ligetil fabrikation af mikrofluid kanaler med forskellige geometriske tværsnit gennem PDMS sekventielle våde ætsning processer, der introducerer TIPkan i kanaler af planlagte enkeltlags layout indlejret i PDMS materialer. I forhold til de eksisterende metoder til fremstilling af PDMS mikrofluid kanaler med forskellige geometrier, kan udviklede et-trins tilgang væsentligt forenkle processen for at fabrikere kanaler med ikke-rektangulære sektioner eller forskellige højder. Teknikken er derfor en måde at opbygge komplekse mikrofluid kanaler, som giver en fabrikation løsning til fremme af innovative mikrofluid systemer.
Introduction
Mikrofluid teknikker har henledt opmærksomheden i de seneste årtier på grund af deres iboende fordele for en bred vifte af biomedicinske og kemiske forskning og anvendelser. Der findes flere materialeforbrug muligheder til at konstruere mikrofluid chips i dag, som polymerer, keramik og silicium materialer. Til bedste af vores viden, blandt mikrofluid materialerne, er PDMS den mest almindelige, på grund af dens passende materiale egenskaber for forskellige mikrofluidik forskning og applikationer, herunder dets optiske og biologiske kompatibilitet med partikler, væsker, og ekstremt lille levende organismer1,2,3,4,5. Derudover overflade kemisk og struktur mekaniske egenskaber af PDMS materialer kan justeres for at lette undersøgelser microelectromechanical og mechanobiological ved at anvende sådanne polymer-baserede mikrofluid enheder10, 11,12. Med hensyn til fremstilling af mikrofluid udstyr med designet kanal mønstre, bløde litografi replika støbning metoder anvendes normalt til at oprette mikrofluid kanalerne ved at udnytte deres tilsvarende master forme, som er sammensat af fotolitografi-mønstrede photoresist lag og silicium wafer substrater12. Paa grund af støbning metoder bruger silicium wafers med mønstrede photoresist lag, har mikrofluid kanalerne normalt regelmæssig tværsnit af rektangulære figurer med identiske højder.
For nylig, forskere har gjort betydelige fremskridt i biomedicinsk undersøgelser, der beskæftiger sig med, for eksempel, sortering partikler og celler ved hjælp af hydrophoresis, adskille blodplasma og berigende hvide blodlegemer ved at anvende mikrofluid chips med kanaler forskellige højder eller geometrisk afsnit6,7,8,9. Sådan sortering og adskillelse af funktioner af mikrofluidik for biomedicinske programmer er realiseret ved at tilpasse kanaler med forskellige geometriske sektioner. Flere undersøgelser har afsat til fremstilling af mikrofluid kanaler med tværsnit af forskellige geometri funktioner ved opdigte master forme med specifikke overflade mønstre i forskellige højder eller ikke-rektangulært tværsnit. Disse undersøgelser på mug fabrikation omfatte sådanne teknikker som Multi-trins fotolitografi, photoresist omløb og grå-skala litografi13,14,15. Uundgåeligt, de eksisterende teknikker indebærer fint udformet komponeneter eller en præcis tilpasning i flere trin i produktionen, som kan væsentligt øge kompleksiteten-niveauet af den tilsvarende fabrikation af mikrofluid kanaler. Hidtil har været flere forsøg på trinvis fremstillingsprocesser for mikrofluid kanaler af forskellige sektioner, men de respektive teknikker er meget begrænset til bestemte tværsnits figurer af kanaler16.
I de seneste to årtier, ud over støbning metoderne for at fabrikere PDMS er mikrofluid kanaler med forskellige sektioner, ætsning teknikker til mønster PDMS kanaler med geometriske funktioner blevet fabrikation af valg i en række mikrofluid applikationer. For eksempel, udnyttes PDMS våde ætsning sammen med multi-lag PDMS limning til at konstruere en pneumatisk aktiveret celle kultur enhed af mikrofluidik med rekonstitueret orgel-niveau lunge funktioner17. Den PDMS våde ætsning teknik er ansat med PDMS støbning på cylindriske microwells bearbejdet af computer-aided kontrolsystemer for at fabrikere 3D PDMS microneedle arrays18. PDMS tør ætsning bruges til at gøre PDMS mikrostrukturer som dele af mikro-elektriske aktuatorer19,20. Porøse PDMS membraner med designet pore layout er også fremstillet gennem tør ætsning processer21. Både våde og tørre ætsning teknikker kan integreres i mønster PDMS film med udpegede geometriske figurer22.
Dog kanal ætsning teknikker til at danne PDMS strukturer med komplekse afsnit figurer ikke er blevet almindeligt anvendt på grund af deres iboende begrænsninger på mikrofluid fabrikation. Først, mens teknikker til PDMS våde ætsning udnytte laminar strømme af kemikalier for at skabe mikrofluid kanaler af forskellige sektioner har været fastlagt, efterfølgende kanal sektion dannelsen er stadig begrænset på grund af de grundlæggende egenskaber af isotropic kemisk ætsning processer23. Desuden, selv om der synes at være rimelig plads til at kontrollere kanal sektion geometrier i mikrofluidik opdigtet benytter PDMS kemisk ætsning teknikker20, kræves ætsning tiden er normalt for lang tid (i timer) at være praktisk til fremstilling af mikrofluid chips. Hertil kommer, ætsning selektivitet mellem PDMS materialer og den tilsvarende maskering photoresist lag kan være lavt i almindelighed, og de resulterede ætset dybder for kanalerne er således ikke acceptabelt20.
I dette papir udvikler vi en et-trins tilgang for at fabrikere mikrofluid kanaler af forskellige geometriske tværsnit af PDMS sekventielle våde ætsning processer (herefter benævnt SWEP). SWEP begynder med en PDMS mikrofluid enhed med enkeltlags kanaler. Med assorterede layout design af kanalerne, kan opdigte mikrofluid kanaler med forskellige geometriske sektioner af forskellig art der opnås gennem sekventielle ætsning processer. Den sekventielle ætsning behøver kun en TIPkan skal indføres i specifikke kanaler af de planlagte enkeltlags layouts indlejret i PDMS materialer. Sammenlignet med konventionelle PDMS fabrication processer, SWEP bare kræve et yderligere skridt til at fabrikere mikrofluid kanaler af ikke-rektangulære sektioner eller forskellige højder. Den foreslåede SWEP giver et enkelt og ligetil måde at opdigte mikrofluid kanaler med forskellige sektioner langs strømningsretning, som kan være en væsentlig forenkling processer i de ovennævnte metoder.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. fremstilling af mikrofluid enheder med enkeltlags kanal Layouts
Bemærk: I dette papir, bløde litografi metode3 er vedtaget for at fabrikere mikrofluid enheder fremstillet af PDMS materialer, at vise, hvordan man fremstiller kanaler med forskellige sektioner.
-
Oprettelse af master forme for et PDMS lag med konstrueret topologien funktioner
- Design kanal layout på en PDMS lag til et enkelt ætsning proces eller ætsning i rækkefølge.
- Skitse inverteret topologi funktioner af laget designet PDMS ved hjælp af en computer-aided tegneprogram.
- Levere filen skitse til en fotolitografi facilitet til at opnå en mønstret photomask med høj præcision inverteret topologi funktioner af kanal layout udskrives på en gennemsigtighed24.
- Brug isopropylalkohol (2-Propanol (IPA), ≥ 99,9%), acetone (Propan-2-one, ≥ 99,5%) og bufferet oxid etch (BOE, NH4F:HF (v/v) = 6:1) på overfladen af en 4-tommer silicium wafer at fjerne støv eller residualer og undgå forureninger.
- Bruge omkring 500 mL deioniseret vand til at vaske silicium wafer for en slutpoleringen, og derefter anvende nitrogen gas for at tørre den skylles wafer.
- Placer en negativ tone photoresist på ca. 20 g på wafer. Så spin pels wafer på 500 rpm for 15 s og 2,000 rpm for 30 s til at producere et photoresist lag af omkring 75 µm i tykkelse.
Bemærk: Forskellige photoresist tykkelser kan opnås ved hjælp af negative tone photoresists med forskellige varenumre og med forskellige spin coating, bagning og udvikling betingelser, ifølge brugeren manualer25,26. - Blød bage wafer ved at opvarme det på en kogeplade på 65 ° C i 3 min og derefter på 95 ° C for 9 min.
- Sætte wafer i en photomask aligner maskine sammen med mønstrede gennemsigtighed fra trin 1.1.3 som en maske.
- I aligner maskine, anvende ultraviolet (UV) lys på 300 mJ/cm2 at eksponere wafer omfattet af gennemsigtighed.
- Efter eksponering for UV-lys, skal du placere wafer på en kogeplade på 65 ° C i 2 min og derefter på 95 ° C i 7 min som efterfølgende bages (PEB).
- Efter PEB, kraftigt agitere wafer nedsænket i en negativ tone photoresist udvikler, eller placere den nedsænket wafer i et ultralydsbad (37 kHz, effektiv power af 180 W) i 7 min.
- Ren det hele wafer igen med isopropylalkohol til at fjerne enhver udvikler resterende på wafer overflade.
- For at forhindre uønskede limning, silanize wafer overflade ved at sætte wafer sammen med 100 µL af 97% silan (1H, 1H, 2H, 2H- perfluorooctyl-trichlorosilane) i en 6 cm petriskål i en ekssikkator.
- Tilslut ekssikkatoren til en vakuumpumpe og indstille det vakuum pres på 760 mmHg.
- Næste, tænde pumpen til 15 min. skifte det ud, og derefter forlade wafer at hvile i et vakuum i ekssikkator til 30 min.
Forsigtig: Den fordampede silan er yderst skadeligt for mennesker; således skal hele wafer overflade passivation udføres i et stinkskab. - Hente TOT silaniseret wafer, som var under overfladen passivation. Lave wafer i et 15 cm petriskål til yderligere brug.
Bemærk: Den mønstrede wafer er klar til at blive brugt som en skimmel for at kopiere designet kanal layouts omvendt af PDMS materialer.
-
Fabrikation af PDMS kanal layout ved at gentage den inverterede topologi på formene
- Sætte den base PDMS (monomer) sammen med den tilsvarende katalysator (hærdning agent) på en volumen-forholdet på 10:1 i et rent og enkelt-bruger plastik kop.
- Bland PDMS prepolymer blandingen (fra trin 1.2.1) homogent ved hjælp af en power omrører.
- Sæt kop i ekssikkator tilsluttet vakuumpumpe til 60 min til at fjerne enhver fanget bobler i PDMS blanding.
- Hæld 20 g (for afsnit 2) eller 8 g (for afsnit 3) af PDMS prepolymer blandingen på toppen af master formen (lavet i trin 1.1) med funktionerne inverteret topologi af designet kanal layout, og derefter fjerne enhver mulig bobler indkapslet i PDMS materialer ved hjælp af t han ekssikkator (for 60 min).
- Sætte skimmelsvamp regnskabsmæssige PDMS blandingen i en ovn ved 60 ° C i 4 h at helbrede de silikone-baseret flydende prepolymer materialer.
- Efter afkøling wafer sammen med PDMS til stuetemperatur i ca 20 min., frigøre den hærdede PDMS fra formen med en skalpel og pincet.
- Skræddersy den fritliggende PDMS lag til et område (ca 6 x 6 cm2 for afsnit 2 eller 2 x 7,5 cm2 for afsnit 3) dækker hele kanal layout ved hjælp af en skalpel.
- Opret kanal adgang porte (indgange og udgange) ved hjælp af en biopsi punch af 1,5 mm i diameter.
NOTE: Tallene og holdninger af indgange og udgange er designet baseret på ætsning processer for at fabrikere specifikke mikrofluid kanaler. - Hæld 30 g af PDMS prepolymer blandingen i en petriskål, og derefter fjerne enhver mulig bobler indkapslet i PDMS materialer ved hjælp af ekssikkatoren (for 60 min).
- Sætte petriskålen transporterer PDMS blandingen i en ovn ved 60 ° C i mere end 4 h at helbrede de flydende prepolymer materialer.
- Efter afkøling petriskål med PDMS til stuetemperatur i ca 20 min., frigøre den hærdede PDMS fra skålen med en skalpel og pincet.
- Ved hjælp af en skalpel, skræddersy den fritliggende PDMS lag uden nogen funktioner til dimensioner svarende til de af de ovennævnte PDMS lag (ca 6 x 6 cm2 for afsnit 2 eller 2 x 7,5 cm2 for afsnit 3).
- Aktivere overflader af begge PDMS lag (lavet i trin 1.2.7 og 1.2.12) med designet kanal layouts og uden nogen funktioner ved at udsætte de øverste PDMS materialer til ilt plasma i en overfladebehandling maskine på 90 W til 40 s.
- Bond 2 PDMS lag ved at gøre kontakt mellem deres behandlede overflader lige efter ilt plasma overflade aktivering. Derefter forlade de agglomererede PDMS lag i en ovn ved 60 ° C i mere end 30 min.
Bemærk: Der er ingen øvre frist til at forlade de agglomererede PDMS lag i ovnen. - Efter 2 fæstnede PDMS lag er afkølet, trim overskydende PDMS materialer fra den opdigtede enhed for en senere eksperimentelle set-up.
2. et-trins tilgang til at opdigte PDMS mikrofluid kanaler af forskellige sektioner
Bemærk: For at karakterisere PDMS våd ætsning sats, en mikrofluid enhed med et enkelt lag og lige kanal af rektangulære figurer er foreslog kan udnyttes til at identificere specifikke ætsning priser svarende til visse eksperimentelle indstillinger.
-
Eksperimentel karakterisering af PDMS våd ætsning
- Forberede en TIPkan løsning ved at blande tetra-n-butylammonium fluorid (TBAF, 1 M opløsning i tetrahydrofuran (THF)) med 1-Methyl-2-pyrrolidinone (NMP) med en hastighed på v: v = 1:10.
Bemærk: NMP er i stand til at effektivt opløse kemiske residualer induceret af produktet. I almindelighed, PDMS materialer er hævede marginalt af NMP og PDMS mikrofluid enheder er stadig i stand til at bevare deres figurer, bind, og forsegle betingelser. - Trække den blandede TBAF/NMP produktet ind i en 10 mL sprøjte tilsluttet en rustfri stump kanyle (16 G).
- Oprette en sprøjten pumpe som en controller af pres-drevet væsker i kanalerne.
- Tilslut de stump nåle af injektionssprøjter fyldt med TIPkan løsning på havnens kanal af ovennævnte enkel enhed og guide den respektive port fra outlet rør til en affald beholder som vist i figur 1.
- Køre sprøjten pumpe transporterer sprøjter indeholdende blandet TBAF/NMP TIPkan løsningen på en 150 µL/min strømningshastighed for kendetegner PDMS våd ætsning.
- Bruge lysfelt mikroskopiske udsigt og sørg for at den ætsede kanal langs strømningsretningen har en ensartet bredde, og derfor bekræfte, at diskenheden blanding forholdet mellem produktet og TIPkan strømningshastighed er tilstrækkelige.
- Fange tidsserier billeder af kanalen tværsnit under en inverteret mikroskop med en 4 X forstørrelse under PDMS ætsning proces.
- Analysere de lagrede billeder ved at anvende funktionen grundlæggende måling i en 2D analyse af programmet billedbehandling forarbejdning til at indsamle en gang sekvensen af tal for kanal bredde under den våde ætsning proces af PDMS materialer.
- Evaluere tidsserier ætsning priser gennem den ligning, vist i figur 2, som dividere 50% af kanal bredde ændring (ΔW / 2) med varigheden af PDMS radering (t).
- Udføre en lineær regression af de indsamlede datapunkter til at estimere en samlet ætsning sats af de blandede TBAF/NMP produktet med den specifikke diskenhed blanding forholdet 1:10 for materialerne, PDMS som vist i figur 2.
- Forberede en TIPkan løsning ved at blande tetra-n-butylammonium fluorid (TBAF, 1 M opløsning i tetrahydrofuran (THF)) med 1-Methyl-2-pyrrolidinone (NMP) med en hastighed på v: v = 1:10.
-
PDMS sekventielle våd ætsning for opdigte mikrofluid kanaler af forskellige geometriske sektioner
- Designe et arrangement af TIPkan fjorde for enkeltlags PDMS kanallayout tjener de tilsvarende ætsning processer i rækkefølge, således at en bestemt kanaltype af forskellige tværsnits figurer som vist i figur 3 kan være opdigtet.
- Følg fremgangsmåden i trin 2.1.1 - 2.1.7 for PDMS våd ætsning tilgang.
Bemærk: Flowet er angivet som 50 μL/min. - Mens TBAF/NMP produktet flyder, inspicere de ætsede kanaler under mikroskop for at se, hvis der findes betydelige problemer som en mængde af bobler, en resterende af flere kemiske residualer induceret af produktet, en lækage af produktet, eller en strøm af produktet på en skrå plan.
- Observere mikrofluid kanal væg tykkelse variation af inverteret mikroskopi, og tid den våde ætsning proces for at sikre de korrekte kanal geometrier nås.
3. udformning af en mikrofluid Mixer
Bemærk: Et design af den mikrofluid mixer, som effektivt kan blande 2 ulige væsker er vist her for at vise en fordelagtig anvendelsen af mikrofluid kanaler med forskellige sektioner.
-
Fabrikation af mikrofluid mixer med forskellige kanal sektioner
- Gøre en PDMS enhed med et lag mikrofluid kanal af de design, der er vist i figur 4 af den bløde litografi replika molding teknik (afsnit 2).
- I kanallayout enkeltlags mikrofluid præsentere en TBAF/NMP TIPkan opløsning fremstillet ved at følge fremgangsmåden i trin 2.1.1 fra porten markeret som "outlet" på en 20 µL/min strømningshastighed i figur 4.
- Observere mikrofluid kanal væg tykkelse variation under mikroskop, og tid den våde ætsning proces for at sikre de korrekte kanal geometrier som vist i figur 5 er nået.
-
Eksperimentel karakterisering af mikrofluid mixer
- Efter mikrofluid kanalen med dele af forskellige figurer i en alternativ mønster er realiseret, pumpe 2 ulige væsker herunder en løsning af fluorescein natrium salt 50 µg/mL koncentration og destilleret vand i 2 separate kanaler på en 20 µL/min strømningshastighed.
- Tage fluorescens mikroskop billeder af kanalen i top view på de holdninger, der er mærket som A, B, C og D under en inverteret mikroskop (4 X forstørrelse) for de 2 blandere med ensartet (før ætsning) og forskellige geometriske sektioner (efter 2 h af SWEP), henholdsvis) Figur 6).
Bemærk: Fluorescens mikroskop billeder er taget, mens de stabile strømme opstår, ved tidspunkt på 5 min, regnes fra begyndelsen øjeblikke af blande gennem mixer kanaler. - Analysere fluorescerende billederne ved hjælp af en billedbehandling forarbejdning program til at anslå den tilsvarende blanding effektivitet numre, som er defineret af den blanding resterende (hr., 0,5 = ublandet, 0 = fuldt blandet) i følgende ligning27, 28:
Her
t er tid, ætsning,
L er kanal bredden på en bestemt position af interesse,
S er et stregsegment på tværs af kanalen på position, og
Jeg er fluorescens intensitet fordeling over S t. - Plot fluorescens intensitet fordeling over S over kanalen på de holdninger, der er mærket som A, B, C og D for de 2 blandere med ensartet (før ætsning) og forskellige geometriske sektioner (efter 2 h af SWEP), henholdsvis. Anslå den tilsvarende hr. afbilledet i figur 6.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
For nylig, et stort antal undersøgelser er blevet foretaget på fabrikation af mikrofluid enheder med kanaler af forskellige sektioner af litografi replika molding13,14,15 og PDMS ætsning teknikker17 , 18 , 19 , 20 , 21 , 22. dog findes der stadig betydelige begrænsninger af mønster figurer og vanskeligheder med fremstilling operationer16,23. I dette papir, er en et-trins tilgang til at opdigte PDMS mikrofluid kanaler af forskellige geometriske sektioner af SWEP foreslået.
Figur 1 skematisk viser mikrofluid lag kanal layout for at skabe PDMS kanaler af forskellige sektioner af SWEP og viser eksperimentelle opsætningen af associerede slanger system. NMP er en buffer, der bruges til SWEP eksperimenter, som vist i figur 1a og 1b. I SWEP eksperimenter er det vigtigt at vælge et passende opløsningsmiddel at fjerne ætsning produkter i kanaler for at opretholde laminar flow udnyttes af ætsning processer. Derfor er NMP buffer valgt som opløsningsmiddel til effektivt opløses produkter fra SWEP22,23.
De ætsede kanaler er også fyldt med blå mad farvestoffer til at vise udviklingen i afsnittene kanal inde i mikrofluid enheden. Ved at arrangere TIPkan indløb af designet enkeltlags kanal mønster, mikrofluid kanal sektioner med forskellige geometri funktioner i forskellige former, kan opnås gennem SWEP som vist i figur 3.
At karakterisere PDMS våd ætsning, en mikrofluid enhed med et lag og lige kanal af rektangulære figurer er udnyttet til at identificere en samlet ætsning sats af de blandede TBAF/NMP produktet med en bestemt blanding af volumen ratio for PDMS materialer. Ved den lineære regression af de indsamlede data kanal bredde variationer med hensyn til visse ætsning gange samlet anslås ætsning sats af TIPkan løsning eksperimentelt som 2.714 µm/min (figur 2).
I mikrofluid kanaler med ensartet tværsnit flyde væsker det meste langs kanalen væggene, som undertrykker tilfældige kontakter mellem stof partikler; Derfor, flydende blanding drevet af diffusion normalt opnås gennem særlig lang kanaler. Som et resultat, forventes mikrofluid kanaler af forskellige geometriske sektioner for at lette væske blanding ved hjælp af laterale flydende bevægelser over kanal sektioner. I denne undersøgelse viste et design af mikrofluid mixer (figur 4) hvor to ulig væsker er effektivt blandet her for at præsentere en fordelagtig anvendelsen af mikrofluid kanaler med forskellige sektioner. Figur 5 præsenterer tidsserier billeder af den mikrofluid mixer kanal fabrikeret af SWEP bruger PDMS materialer i top view på ætsning stadier af 0 h, 0,25, 0.40 h, 0,55 h, 0,70 h, 1,00 h, og 2,00 h i rækkefølge.
Efter mikrofluid kanal med dele af forskellige figurer i en alternativ mønster er realiseret og to forskellige væsker, herunder en løsning af fluorescein natrium salt og destilleret vand er efterfølgende pumpes ind i to separate kanaler, fluorescens mikroskop billeder af kanal i top view på de holdninger, der er markeret som A, B, C og D er fanget i en inverteret mikroskop for de to blandere med uniform (før ætsning) og forskellige geometriske sektioner (efter 2 h af SWEP), henholdsvis (figur 6). Disse billeder er taget, mens de stabile strømme opstår, ved tidspunkt på 5 min, regnes fra begyndelsen øjeblikke af blande gennem mixer kanaler. Disse fluorescens mikroskop billeder leveres derefter, at en automatiseret program udviklet i denne undersøgelse til at udtrække den tilsvarende hr. tal repræsenterer den blanding effektivitet af mixeren.
Før ætsning processen havde kanalen mixer med en serpentine kanallayout identiske tværsnit af rektangulær form. På grund af den tilstrækkelige kanal længde nødvendige for diffusion mekanismer, mikrofluid mixer har en væsentlig blanding effektivitet repræsenteret ved 0.4607, 0.3403, 0.2450 og 0.1940 hr. numre på A, B, C og D positioner, henholdsvis. Efter 2 h af SWEP, med samme overordnede kanal længde til den oprindelige, har mikrofluid mixer kanal sektioner af forskellige figurer i en alternativ mønster. Det er vigtigt, at mixer med forskellige kanal sektioner giver en markant stigning i blande effektivitet, repræsenteret af mærkbart faldende hr. numre af 0.3875, 0.1915, 0.1336 og 0.0680 ved A, B, C og D positioner, henholdsvis, på grund af laterale væske forslag fører til advektion ud over diffusion mekanismer. Desuden fra stilling B - D, sådanne advektion mekanismer indtrædende kanal sektioner resultatet i en tilsyneladende og ensartet forhøjelse mixer fabrikeret af SWEP blanding effektivitet.
Figur 1: slangen set-up på mikrofluid enkeltlags kanal layout for at skabe PDMS kanaler af forskellige geometriske tværsnit af sekventielle våde ætsning processer (SWEP). (en) denne skematiske viser mikrofluid enhederne med enkeltlags kanaler. Det øverste lag er opdigtet benytter PDMS af flere kanal designs for våd TIPkan inlet ordninger. Det nederste lag er lavet af PDMS med en tom mønster. (Top: en TIPkan inlet; midten: to TIPkan fjorde.) Bunden er skimmelsvampe til toplag fabrikation. (b) disse paneler viser den samlede enhed for fabrikation af kanaler af forskellige sektioner. Bredden af kanalerne og tykkelsen på væggene er 50 µm og 100 µm, henholdsvis. (c) disse paneler Vis eksperimentelle fotos af slangen set-up på mikrofluid enkeltlags kanal layout for SWEP. (Øverste række: en TIPkan inlet; nederste række: to TIPkan fjorde.) Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 2: karakterisering af PDMS våd ætsning. Denne figur viser den lineære regression af de indsamlede halv kanal bredde ændringer med hensyn til ætsning gange til estimering af en samlet ætsning sats af de blandede TBAF/NMP produktet med en bestemt blanding af volumen forholdet til PDMS materialer. [Indsatsen er en skematisk for en simpel og lige kanal mønster for kendetegner den våde ætsning satser af PDMS materialer tværsnits geometri. Samlet ætsning sats af TBAF/NMP (v: v = 1:10) er 2.714 µm/min. og den tilsvarende R2 (determinationskoefficienten) er 0.9913.] Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 3: fabrikerede mikrofluid kanaler af forskellige geometriske sektioner af sekventielle PDMS våde ætsning. Disse paneler viser forskellige ordninger af TIPkan fjorde for enkeltlags PDMS kanal layouts tjener de tilsvarende ætsning processer i rækkefølge for at fabrikere bestemt kanal typer af forskellige tværsnits figurer som (en) Kors-formet, (b) håndvægt-formet, og (c) klokke-formede tværsnits geometrier. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 4: fabrikerede mikrofluid blandere udnytte kanaler med forskellige sektioner. (en) dette panel er en design tegning af et enkelt lag kanallayout for fabrikation af en mikrofluid mixer udnytte kanaler med forskellige sektioner. Bunden viser formen for enkeltlags kanal fabrikation. (b) disse paneler viser flise scan mikroskop billeder af hele mixer kanal før og efter 1 og 2 h af PDMS våd ætsning. (c) disse paneler viser eksperimentelle lysfelt billeder af mixeren kanal sektioner, der er fremstillet af 1 og 2 h af PDMS våd ætsning i en top view (øverste række), i en skæring Se vinkelret på strømningsretning langs x-akse (anden fra den Top), og i et afsnit se på A-A cut (tredje fra toppen) og B-B skære (nederste række) positioner. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 5: tidsserier billeder af mikrofluid mixer kanaler af forskellige dele fremstillet af den sekventielle våde ætsning af PDMS materialer. (en) dette panel viser skematisk af en enkeltlags kanallayout for fabrikation af en mikrofluid mixer med forskellige kanal sektioner. (b) disse paneler viser mikroskop billeder af mixer-kanal i en top se på hver ætsning stadier i rækkefølge. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 6: karakterisering af mikrofluid mixer fabrikeret af sekventielle PDMS våde ætsning. (en) disse paneler viser fluorescens mikroskop billeder af mixer-kanal på de holdninger, der er markeret som A, B, C og D før at indføre produktet og på 2 h våd ætsning af PDMS materialer. (b) disse paneler viser målte fluorescens intensitet felter præsenteres i en normaliseret koordinere på tværs af mixer-kanal på A, B, C og D positioner før (øverst) og 2 h af PDMS våde radering (midten). Det viser også den analyserede hr. repræsenterer blanding effektiviteten af mixeren (0,5: ublandet, 0: fuldt blandet) ved forskellige kanal positioner før og på 2 h af ætsning (nederst). Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
I de seneste årtier, har mikrofluidik tilbudt lovende middel som eksperimentelle platforme for kemiske og biomedicinsk forskning kan være konstrueret systematisk1,2,3,4, 5. Platformene har også fremlagt deres kapaciteter for at undersøge flere cellulære funktioner in vivo på fysiologiske mikromiljø betingelser via in vitro celle undersøgelser6,7, 8 , 9. i eksperimentel forskning og relaterede programmer, de fleste af kanalen cross sektioner af mikrofluid enheder er ensartet og rektangulære-formede. I sådanne mikrofluid enheder spiller kanal strukturer en vigtig rolle i mikromiljø betingelserne. For eksempel, mens du bruger mikrofluidik som et apparat for medicinafgivelse, moduleres en passiv kontrol over transporten kemiske af tuning strømningshastighed i den rektangulære kanal i standard tværsnit geometri29. En ønskede flux fordeling af stof transport over kanalen langs strømningsretningen, kan mikrofluid kanaler med forskellige geometriske sektioner under en samlet volumenstrøm sats set-up være nødvendig. En lang række undersøgelser har taget nogle vigtige skridt til at fabrikere disse chips med ønskede kanaler med forskellige sektioner, herunder opførelse af master forme med særlige overflade mønstre i forskellige højder eller ikke-rektangulært cross afsnit13,14,15 og PDMS ætsning teknikker til at skabe flader med geometriske egenskaber17,18,19,20 , 21 , 22. dog disse bestræbelser ikke kun involverer komplekse produktionsprocesser, men også er begrænset til bestemte tværsnits figurer af kanaler16,23.
I dette papir, er en et-trins tilgang til at skabe PDMS kanaler med forskellige sektioner avanceret ved at indføre TIPkan i specifikke kanaler af planlagte enkeltlags layouts indlejret i PDMS materialer i en enkel og konsekvent måde. Derudover er isotropic sekventielle våde ætsning processer for dannelse af kanaler med forskellige tværsnits figurer bekræftet ved hjælp af iterative numeriske beregning30. Tilsyneladende er det vanskeligt at fabrikere kanal sektion geometrier med skarpe vinkler på grund af isotropic fjernelse af PDMS materiale under den sekventielle våde ætsning processer. I praktiske anvendelser kræver den præcis kontrol over fabrikerede afsnit geometrier mikrofluid kanaler en nøjagtig karakterisering af PDMS våd ætsning priser og omhyggelig ordninger for tilknyttede rør system set-up. I forhold til de eksisterende metoder til fremstilling af PDMS mikrofluid kanaler med forskellige geometrier, kan udviklede et-trins tilgang væsentligt forenkle processerne af opdigte kanaler med ikke-rektangulære sektioner eller forskellige højder. Derfor giver udviklede teknik en måde at opbygge komplekse mikrofluid kanaler, hvilket kan føre til udvikling af innovative mikrofluid systemer til forskellige applikationer.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Forfatterne har intet at erklære.
Acknowledgments
Forfatterne taknemmeligt anerkender støtte af National Health Research institutter (NHRI) i Taiwan under Innovative forskning tilskud (IRG) (EX106-10523EI), Taiwan Ministeriet for videnskab og teknologi (mest 104-2218-E-032-004, 104 - 2221 - E-001-015-MY3, 105-2221-E-001-002-MY2, 105-2221-E-032-006, 106-2221-E-032-018-MY2), og Academia Sinica karriere udvikling Award. Forfatterne vil gerne takke Heng-Hua Hsu for korrekturlæsning håndskriftet.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 1-Methyl-2-Pyrrolidinone | Tedia, Fairfield, OH | ME-1962 | NMP |
| 10 ml Syringe | Becton-Dickinson, Franklin Lakes, NJ | 302151 | |
| 150 mm Petri dish | Dogger Science | DP-43151 | |
| 1H,1H,2H,2H- Perfluorooctyltrichlorosilane | Alfa Aesar, Ward Hill, MA | L16606 | 97 % silane |
| 4'' Silicon Dummy Wafer | Wollemi Technical, Taoyuan, Taiwan | - | |
| Acetone | ECHO Chemical, Miaoli, Taiwan | AH3102-000000-72EC | |
| AG Double Expose Mask Aligner | M&R Nano Technology, Taoyuan, Taiwan | AG500-4D-D-V-S-H | |
| Biopsy Punch | Miltex, Plainsboro, NJ | 33-31 | |
| Blunt Needle | Jensen Global, Santa Barbara, CA | Gauge 16 | |
| Buffered Oxide Etch | ECHO Chemical, Miaoli, Taiwan | PH3101-000000-72EC | |
| Desicattor | A-VAC Industries, Anaheim, CA | 35.10001.01 | |
| Fluorescein Sodium Salt Water | Sigma-Aldrich Co., St Louis, MO | F6300 | |
| ImageJ | National Institutes of Health, Bethesda, MD | Ver. 1.51 | Imaging Processing Program |
| Inverted Fluorescence Microscope | Leica Microsystems, Wetzlar, Germany | DMI 6000 B | |
| Isopropyl Alcohol (IPA) | ECHO Chemical, Miaoli, Taiwan | CMOS112-00000-72EC | |
| Leica Application Suite | Leica Microsystems GmbH | LAS X | |
| MATLAB | MathWorks, Natick, MA | R2015b | Programming for MR evaluation |
| Mechanical Convention Oven | ThermoFisher Scientific,Waltham, MA | Lindberg Blue M MO1450C | |
| Plasma Tretment System | Nordson MARCH, Concord CA | PX-250 | Oxygen plasma surface treatment |
| Polydimehtylsiloxane (PDMS) | Dow Corning, Midland, MI | SYLGARD 184 | |
| Polyethylene Tubing | Becton-Dickinson and Company, Sparks, MD | 427446 | PE 205, 10' |
| Spin Coater | ELS Technology, Hsinchu, Taiwan | ELS 306MA | |
| Negative Tone Photoresist | MicroChem, Westborough, MA | SU-8 2050 | |
| Negative Tone Photoresist Developer | MicroChem, Westborough, MA | Y020100 | SU-8 Developer |
| Surgical Blade | Feather, Osaka, Japan | 5005093 | PDMS cutting |
| Syringe Pump | Chemyx, Houston, TX | Fusion 400 | |
| Tetra-n-butylammonium Fluoride (TBAF) | Alfa Aesar, Ward Hill, MA | A10588 |
References
- Tung, Y. -C., et al. Optofluidic Detection for Cellular Phenotyping. Lab on a Chip. 12, 3552-3565 (2012).
- Lu, Y., Yang, L., Wei, W., Shi, Q. Microchip-based Single-cell Functional Proteomics for Biomedical Applications. Lab on a Chip. 17, 1250-1263 (2017).
- Jensen, K. F., Reizman, B. J., Newman, S. G. Tools for Chemical Synthesis in Microsystems. Lab on a Chip. 14, 3206-3212 (2014).
- Chang, C. -W., et al. A Polydimethylsiloxane-polycarbonate Hybrid Microfluidic Device Capable of Generating Perpendicular Chemical and Oxygen Gradients for Cell Culture Studies. Lab on a Chip. 14, 3762-3772 (2014).
- Mosadegh, B., et al. Integrated Elastomeric Components for Autonomous Regulation of Sequential and Oscillatory Flow Switching in Microfluidic Devices. Nature Physics. 6, 433-437 (2010).
- Choi, S., Park, J. -K. Tuneable Hydrophoretic Separation Using Elastic Deformation of Poly(Dimethylsiloxane). Lab on a Chip. 9, 1962-1965 (2009).
- Choi, S., Song, S., Choi, C., Park, J. -K. Microfluidic Self-Sorting of Mammalian Cells to Achieve Cell Cycle Synchrony by Hydrophoresis. Analytical Chemistry. 81, 1964-1968 (2009).
- VanDelinder, V., Groisman, A. Separation of Plasma from Whole Human Blood in a Continuous Cross-Flow in a Molded Microfluidic Device. Analytical Chemistry. 78, 3765-3771 (2006).
- VanDelinder, V., Groisman, A. Perfusion in Microfluidic Cross-Flow: Separation of White Blood Cells from Whole Blood and Exchange of Medium in a Continuous Flow. Analytical Chemistry. 79, 2023-2030 (2007).
- Duffy, D. C., McDonald, J. C., Schueller, O. J., Whitesides, G. M. Rapid Prototyping of Microfluidic Systems in Poly(dimethylsiloxane). Analytical Chemistry. 70 (23), 4974-4984 (1998).
- Xia, Y., Whitesides, G. M. Soft Lithography. Annual Review of Material Science. 28, 153-184 (1998).
- Mello, A. Plastic Fantastic? Lab on a Chip. 2, 31N-36N (2002).
- Choi, S., Park, J. -K. Two-step Photolithography to Fabricate Multilevel Microchannels. Biomicrofluidics. 4, 046503 (2010).
- Zhong, K., Gao, Y., Li, F., Zhang, Z., Luo, N. Fabrication of PDMS Microlens Array by Digital Maskless Grayscale Lithography and Replica Molding Technique. Optik. 125, 2413-2416 (2013).
- Brower, K., White, A. K., Fordyce, P. M. Multi-step Variable Height Photolithography for Valved Multilayer Microfluidic Devices. Journal of Visualized Experiments. (119), e55276 (2017).
- Lai, D., et al. Simple Multi-level Microchannel Fabrication by Pseudo-grayscale Backside Diffused Light Lithography. RSC Advances. 3, 19467-19473 (2013).
- Huh, D., et al. Reconstituting Organ-Level Lung Functions on a Chip. Science. 328, 1662-1668 (2010).
- Deng, Y. -L., Juang, Y. -J. Polydimethyl Siloxane Wet Etching for Three-Dimensional Fabrication of Microneedle Array and High-Aspect-Ratio Micropillars. Biomicrofluidics. 8, 026502 (2014).
- Tung, Y. -C., Kurabayashi, K. Nanoimprinted Strain-controlled Elastomeric Gratings for Optical Wavelength Tuning. Applied Physics Letters. 86, 161113 (2005).
- Tung, Y. -C., Kurabayashi, K. A Single-Layer PDMS-On-Silicon Hybrid Microactuator with Multi-Axis Out-Of-Plane Motion Capabilities-Part II: Fabrication and Characterization. Journal of Microelectromechanical Systems. 14, 558-566 (2005).
- Chen, W., Lam, R. H. W., Fu, J. Photolithographic Surface Micromachining of Polydimethylsiloxane (PDMS). Lab on a Chip. 12, 391-395 (2012).
- Balakrisnan, B., Patil, S., Smela, E. Patterning PDMS Using a Combination of Wet and Dry Etching. Journal of Micromechanics and Microengineering. 19, 047002 (2009).
- Takayama, S., et al. Topographical Micropatterning of Poly(dimethylsiloxane) Using Laminar Flows of Liquids in Capillaries. Advanced Materials. 13, 570-574 (2001).
- Friend, J., Yeo, L. Fabrication of Microfluidic Devices Using Polydimethylsiloxane. Biomicrofluidics. 4, 026502 (2010).
- NANO SU-8 2000 Negative Tone Photoresist formulations 2002-2025. , MicroChem Corporation. Newton, MA. Available from: https://www.seas.upenn.edu/~nanosop/documents/SU8_2002-2025.pdf (2000).
- NANO SU-8 2000 Negative Tone Photoresist formulations 2035-2100. , MicroChem Corporation. Newton, MA. Available from: https://www.seas.upenn.edu/~nanosop/documents/SU8_2035-2100.pdf (2000).
- Hardt, S., Schönfeld, F. Laminar Mixing in Different Interdigital Micromixers: II. Numerical Simulations. AIChE Journal. 49, 578-584 (2003).
- Hessel, V., Löwe, H., Schönfeld, F. Micromixers-A Review on Passive and Active Mixing Principles. Chemical Engineering Science. 60, 2479-2501 (2005).
- Damiati, S., Kompella, U., Damiati, S., Kodzius, R. Microfluidic Devices for Drug Delivery Systems and Drug Screening. Genes. 9, 103 (2018).
- Wang, C. -K., et al. Single Step Sequential Polydimethylsiloxane Wet Etching to Fabricate a Microfluidic Channel with Various Cross-Sectional Geometries. Journal of Micromechanics and Microengineering. 27, 115003 (2017).
