Bu içeriği görüntülemek için JoVE aboneliğiniz gereklidir. Giriş yapın veya ücretsiz denemenizi bugün başlatın.

Yöntem makalesi

Poli (etilen glikol) Diacrylate damlacıklar yoluyla yarı-3 boyutlu akış odaklanarak mikrosıvısal cihazlar boyutu kontrol nesil

7.2K görüntüleme

⸱

DOI:

10.3791/57198

⸱

3 Temmuz 2018

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

Bu makalede

Özet

Burada, imalat süreçleri ve bir semi-three-dimensional (yarı-3D) akışı odaklanarak mikrosıvısal çip damlacık oluşumu için doğrulama deneyler göstermek için bir iletişim kuralı mevcut.

Özet

Üniforma ve boyut kontrol edilebilir poli (etilen glikol) diacrylate (PEGDA) damlacıkları işlemi bir mikrosıvısal cihazın odaklama akış yoluyla yapılabilir. Bu kağıt bir semi-three-dimensional (yarı-3D) akışı odaklanarak mikrosıvısal çip damlacık oluşumu için öneriyor. Polydimethylsiloxane (PDMS) çip çok katmanlı yumuşak taş baskı yöntemiyle fabrikasyon. Yüzey aktif içeren Hexadecane sürekli aşama kullanıldı ve PEGDA ultraviyole (UV) fotoğraf-başlatıcı ile dağınık dönemdi. Yüzey bırakmak yerel yüzey gerilimi izin ve küçük mikro damlacıkları kırarak terfi daha cusped bahşiş kurdu. Dağınık faz baskısı sürekli damlacıkları boyutu ile artan sürekli aşama basınç dağınık Faz akımı kırılmış önce daha küçük hale geldi. Sonuç olarak, damlacıkları boyutu çeşitlemesiyle 1 µm den çapı 80 µm seçici basınç oranı iki giriş kanalları değiştirerek elde edilebilir ve varyasyon ortalama katsayısı % 7'in altına olarak tahmin edildi. Ayrıca, damlacıkları fotoğraf-polimerizasyon için UV Işınlarına maruz kalma tarafından mikro-boncuk çevirebilir. Böyle mikro-boncuk yüzeyi conjugating biomolecules biyoloji ve Kimya alanlarında birçok potansiyel uygulamalar var.

Giriş

Mikrosıvısal damlacık tabanlı sistemleri son derece mikrometre çapında aralığı1 nanometre üzerinden monodisperse damlacıkları üretmek ve yüksek üretilen iş ilaç bulma2' de, biomolecules3 sentezi büyük potansiyele sahip yeteneği var ,4ve5test tanı. Büyük yüzey alanı hacim oranı ve örneği, bir kaç microliters tüketen ile büyük ölçekli uygulamalar gibi daha küçük damlacıklar benzersiz avantajları nedeniyle teknoloji alanları geniş bir yelpazesi geniş ilgi çekti. İki immiscible sıvı Emülsifikasyon damlacık oluşturmak için en çok kullanılan yöntemlerinden biridir. Alanın önceki raporlarda araştırmacılar farklı damlacık oluşumu geometrileri, akışı odaklanarak ve geometriler Co akan paraleldir, dahil olmak üzere çeşitli geliştirdik. Paraleldir geometride dağınık faz sürekli aşama6,7akar ana kanal dikey bir kanal üzerinden teslim edilir. Tipik iki boyutlu (2D) akışı odaklanarak8,9 geometri, dağınık faz akışı lateral güdülmesini; ve böylece dağınık faz akışı üzerinden nın yaşadığı ortak akan geometri10,11için öte yandan, dağınık Faz akımı tanıtan bir kılcal co-eksenel Co akan geometri için daha büyük bir kılcal damar içine yerleştirilir her yöne.

Damlacık boyutu kanal boyutu ve akış hızı oranı ayarlayarak denetlenir ve ortak akan veya paraleldir tarafından üretilen en küçük boyut mikrometre düzinelerce için sınırlıdır. Akışı odaklanarak damlacık oluşumu sistem için damlacık ayrılık üç modları formu iki aşamalı basınç oranını ayarlayarak ve yüzey aktif konsantrasyon damlama dahil olmak üzere, rejim, jeti rejimi ve15ipucu akarsu. İpucu akış ayrıca iş parçacığı oluşumu ve ince dağınık Faz akımı koni ucundan çizim iplik gözlenen görünümünü adı verilir. Az önceki çalışmalarda damlacıkları göstermiştir birkaç mikrometre ipucu akış rağmen oluşturulabilir 2D veya yarı-3D akışı odaklanarak aygıt8,12işlem. PEGDA çok düşük bir konsantrasyon içeren sulu bir çözüm dağınık faz kullanılan ancak, büzülme oranı PEGDA parçacıkların özgün damlacıkların çapı yaklaşık % 60 fotoğraf-polimerizasyon, seyreltme olmadan PEGDA süre sonra olduğu dağınık faz kararsız ipucu akış modu12' ye götürdü. İnterfacial gerilim olduğunu emülsiyon sürecinin önemli bir parametre ve yüzey aktif ek damlacık boyutu, daha yüksek üretimi frekans13, son derece eğimli uç, azaltmak için önde gelen sürekli aşama sıvı içine nedeniyle azalır ve istikrarsızlık14engelliyor. Ayrıca, toplu yüzey aktif konsantrasyonu kritik micelle konsantrasyonu çok yüksek olduğunda, interfacial gerilim doymuş devlet13 ' te yaklaşık değişmez ve ipucu akış modu15oluşabilir.

Bu kağıt, yukarıdaki gözlemleri dayalı çok katmanlı yumuşak taş baskı yöntemi ile fabrikasyon bir yarı-3D akışı odaklanarak mikrosıvısal aygıtı kullanarak PEGDA damlacıkları üretimi için facile bir yaklaşım geliştirdik. Böylece dağınık faz üzerinden yukarı ve aşağı lateral nın yaşadığı farklı tipik 2D aygıt akışı odaklanarak, yarı-3D akışı odaklanarak cihaz sığ dağınık faz kanal ve derin sürekli aşama kanal vardır. Bu akış odaklama modu için enerji ve damlacık ayrılık için gerekli basıncı azaltarak daha geniş ayar aralığı sağlar. Önceki rapor12, dağınık faz saf PEGDAcontaining fotoğraf-Başlatıcı, PEGDA parçacıklar büzülme oranı % 1016' dan daha düşük olduğundan emin farklıdır; ve sürekli aşama silikon tabanlı Nonyonik yüzey aktif yüksek toplu konsantrasyon ile eriterek hexadecane karışımıdır. Boyutu kontrol edilebilir ve düzgün damlacıkları iki aşamalı basınç oranını ayarlayarak üretildi. Damlacık ayrılık ipucu akış modu için jeti mod değişiklikleri işlerken damlacıkların çapı 80 µm için 1 µm değiştirir. Buna ek olarak, PEGDA parçacık UV Işınlarına maruz kalma altında fotoğraf-polimerizasyon sürecinde sentez. Damlacık üretimi mikrosıvısal sistem imalat kolaylığı ile biyolojik uygulamalar için daha fazla olanak sağlar.

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Protokol

1. kalıp imalat

  1. İki photomasks bir çizim yazılımı kullanarak tasarlayın. Microchannel yapısı çerçevesinde tarif ve iki ayrı katman maskesi 1 ve 2 aynı çizim dosyası kullanmak, yani farklı kanalları arasındaki tüm bağlantıları sağlamak. Bağımsız bir satıcı 1 µm çözünürlükle tarafından cam tabakta krom için farklı katmanları yazdır. Photomasks negatif polarite ile şeffaf tasarlanmış yapılar, karanlık olduğundan emin olun.
    Not: Maske 1 dağınık faz giriş kanalı ve bir delik içerir. Maske 2 sürekli faz giriş kanalı, filtre ve çıkış içerir.
  2. Belirlenen fotolitografi laboratuvarda, 3-inç çapında silikon gofret temiz. Gofret bir spin coater yerleştirin, gofret spin Chuck eklemesi vakum açın. Spin-kat 2-3 mL SU-8 2025 negatif fotorezist 10 için gofret üzerine 1000 rpm, o zaman 30 s s 3000 devirde 20 µm ilk katman kalınlığı sağlamak.
  3. Yumuşak fırında 6 min için 95 ° C ocağın üzerinde. Oda sıcaklığında (RT) kaplı gofret soğur sonra altında bir collimated 15 mW/cm2, 365 1 maske üzerinden maruz kalmaktadır UV 18 s. sonrası maruz kalma, nm fırında 6 min için 95 ° C ocağın üzerinde sonra gofret için RT. soğutmak izin
  4. Spin-kaplama işlemi yineleyin. 2-3 mL SU-8 2100 negatif fotorezist 10 için gofret üzerine uygulamak 1000 rpm, o zaman 30 s s 2000 devirde 130 µm ikinci katman kalınlığı sağlamak. 35 dk için 95 ° C ocağın üzerinde yumuşak fırında sonra maske 2 30 için ortaya çıkarmak için ikinci katman fotorezist yer dağınık faz kanal katmanla UV aligner tarafından uyumlu s. Sonrası pozlama, fırında 7 min için 95 ° C ocağın üzerinde.
  5. Gofret özellikleri üzerinde gofret ortaya çıkıyor, sonra etil alkol ile yıkayın kadar Propilen Glikol Metil Eter asetat 50 mL karıştırılmış bir banyoda çeker tarafından geliştirmek. Son olarak, gofret zor-2s için pişirme için termostatik platform üzerine yerleştirin.

2. yarı-3D akışı odaklanarak mikrosıvısal çip imalat

  1. Mix PDMS monomer ve üst ve alt katmanları, genellikle 10:1 üst tabaka için ve 8:1 alt tabaka için biraz farklı bir manevra kabiliyetine içinde kür Aracısı otomatik merhem karıştırıcı için 4 dk kullanarak.
    Not: Üst ve alt PDMS döşeme biraz farklı bir oran içinde hazırlanır (10:1 ve 8:1 sırasıyla) PDMS tabanına kür Ajan, bağ gücü arttırmak. 5:1 oranı için alt katmanı seçildiğinde, daha sert alt PDMS levha hizalamayı zorlaştırır ve esneklik yetersizliği nedeniyle bağ gücü azaltır. Buna ek olarak, alt PDMS levha kalınlığı mikroskop çalışma mesafesi uyum sağlamak için yaklaşık 1 mm olduğunu. 15:1 oranı seçildiğinde çip kolayca yüksek basınç altında deforms.
  2. 90 mm petri kabına tamamlanan silikon kalıp içine karışımı dökün ve 2 kalınlığı sağlamak ~ 3 mm. bir vakum odasında yerleştirin ve kadar tüm hava kabarcıkları ortadan degas. 80 ° c fırında 1 saat için tedavi.
  3. PDMS RT. kullanmak için en az 3 mm Özellikleri uzak cihazını ve yavaş yavaş silikon gofret PDMS katmandan kapalı soyma bir neşter soğutmak izin. Dağınık faz giriş, sürekli faz giriş ve çıkış bir 0,75 mm çap yumruk kullanarak üst PDMS katmanındaki bir yumruk.
  4. Toz parçacıkları kaldırmak için PDMS yapışkan bant ile temizleyin. Plazma tedavi alt ve üst PDMS katmanları aynı anda 2 min için bir 300 W plazma temizleyici. Üst katmanı veya alt katmanı çekilebilecek ve özellikleri ile stereo mikroskop ile ilgilenen hizalanır kadar yüzeyleri nispeten kaydırın.
  5. Aygıtın gücünü artırmak ve bağ tamamlamak bir günlük 120 ° c fırında tedavi.

3. reaktifler hazırlık

  1. Sürekli aşama çözüm hazırlamak: 18 vol % silikon tabanlı Nonyonik yüzey aktif eriterek tarafından Hexadecane.
  2. Dağınık faz çözüm hazırlamak: hidrofilik poli (etilen glikol) diacrylate (PEGDA, MW 255) içeren 2-hydroxy-4'-(2-hydroxyethoxy)-2-methylpropiophenone (%98, MW 224) 5 mg/mL konsantrasyonu fotoğraf-Başlatıcı ve rodamine B (olarak, % 95 MW 479.01) adlı bir konsantrasyon 1 mmol/L floresan boyalar olarak.
  3. 1 mL rezervuar pnömatik basınç denetleyicisinin sürekli aşama ile doldurun. 200 µL jel yükleme ipucu dağınık faz ile doldurun.

4. Sistem Hazırlama

  1. Yarı-3D mikrosıvısal aygıt ile yüksek hızlı bir fotoğraf makinesi ile ilgilenen bir ters optik mikroskobu sahne yerleştirin.
  2. Fluorlu etilen propilen (FEP) tüp sürekli aşama delikli deliğe kısa bir paslanmaz çelik tüp takarak bağlayın ve dağınık faz delikli deliğe jel yükleme bahşiş ucunu bağlayın. FEP tüp 20 cm uzunluğunda cihazı prize takın ve sonunda bir 15 mL santrifüj tüpü yerleştirin.
    Not: Sistem yapılandırmasını Şekil 1' de gösterilmiştir.

5. damlacıkları oluşumu

  1. Cihazın ters bir mikroskop tezgah üzerinde yerleştirin ve farklı kanalları kavşak kabaca mikroskop ışık kaynağı bulunduğu yer alır emin olun. İki aşama kavşak içeren bir bölge, ağız bölgesi ve aşağı akım kanal ters mikroskobunun odaklan.
  2. Basınç iki aşamadan sıvı yavaş yavaş dağınık aşaması için 15 mbar ve sürekli aşama için 30 mbar ile kesişen bölge teslim etmek için pnömatik basınç denetleyicisi kullanarak ayarlayın. İstikrar ve denge kadar hiçbir kabarcıklar ve PDMS kalıntı taşıyan istikrarlı sıvı akış için 3 dakika bekleyin.
  3. Giriş parametreleri kontrol yazılımı Kullanıcı arabiriminde. Örneğin dağınık faz baskısı bir sabit sisteme taban düzeyi baskısı olarak ayarlayın, 45 mbar koru. Emülsiyon ayrılık modu için ipucu akış modu jeti üzerinden değiştirilinceye kadar sürekli aşama basınç artışı, sonra istikrar için 5 dakika bekleyin.
  4. Çıkış deliği damlacıkları toplamak için santrifüj tüpü bağlanma FEP tüp sonuna yerleştirin.

6. PEGDA parçacıklar toplama ve karakterizasyonu

  1. Santrifüj tüpü aslant fikstür içinde düzeltmek. Sıvı faz akış tüp hızlı katılaşma aracılığıyla PEGDA parçacıkların UV Işınlarına maruz kalma tarafından elde.
  2. Toplama işlemi tamamlanırken, örnek ve sırasıyla PEGDA parçacıkları ile 20 X ve 60 X nesneleri ile floresan mikroskop gözlemlemek.
    Not. Floresan fotoğraflar kamera tarafından çekilen bir ısmarlama yazılım yordamı tarafından incelenir. İlk deconvolution R-L algoritması17 out-of-odaklanan ışık ve görüntüdeki nesnelerin açıkgöz kenar algılama yöntemiyle alan ayıklanır küre yitirmesi etkisini ortadan kaldırmak için temel görüntüsüdür; son olarak, her küre nesne çapını Hough dönüşüm18kullanılarak hesaplanabilir. Sonuç olarak, ortalama ve standart sapma küre nesneleri her görüntüde çapları, tahmin edilebilir.

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Sonuçlar

Yarı-3D akışı odaklanarak mikrosıvısal çip yukarıda açıklandığı gibi çok katmanlı yumuşak litografi teknikleri kullanarak fabrikasyon. İmalat süreci ve sonuçları elde etmek için Ana kalıp Şekil 2' de gösterilen protocolare. 65 µm geniş kanal dağınık faz ve bir 50 µm geniş orifis (Şekil 2bir) tanıtmak için sağlar, ilk katman 20 µm kalınlığında olduğunu. Bir ek 130 µm kalınlık katmanı sürekli aşama kanal ve çıkış k...

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Tartışma

Damlacıkları 2D ve yarı-3D mikrosıvısal aygıt kullanarak akış odaklama modunda nesil daha önce çeşitli raporlar8,9,15,19,20geliştirdi, 21. Bu sistemler değil katılaşmış sulu sıvı sodyum sulu bir çözüm deiyonize su8,15,20,...

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Açıklamalar

Yazarlar ifşa gerek yok.

Teşekkürler

Bu eser (Grant No finansman Shenzhen temel araştırma tarafından desteklenmiştir JCYJ 20150630170146829, JCYJ20160531195439665 ve JCYJ20160317152359560). Yazarlar, Shenzhen ileri teknoloji enstitüleri, Çin için çekmek Bilimler Akademisi Prof. Y. Chen teşekkür etmek istiyorum.

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Malzemeler

Bu makalede kullanılan malzemelerin listesi
AdŞirketKatalog numarasıYorumlar
Silikon gofretHuashi Co., Ltd
SU-8 2025, 2100Microchem Co.
SU-8 geliştiricisiMicrochem Co.
Krom maskesiQingyi Hassas Maske Yapma Co, Ltd
polidimetilsiloksan (PDMS)Dow CorningSylgard 184
poli (etilen glikol) diakrilat (PEGDA)Sigma26570-48-9
2-hidroksi-40- (2-hidroksietoksi) -2-metilpropiyofenonTCIH1361-5Gfoto başlatıcı
HexadecaneSigma544-76-3
ABIL EM 90CHT144243-53-8yüzey aktif maddeler
Rhodamine BAladdin81-88-9floresan boya
Spin Coater
Litografi makinesi
Otomatik merhem karıştırıcıThinkyARV-310
FırınBluePard
Optik mikroskopOLYMPUSIX71
Yüksek hızlı kameraHamamatsu, JaponyaORCA-flash
MAESFLO Mikroakışkan Akışkan Kontrol SistemiFLUIGENTMFCS-EZ
UV lambasıFUTANSI365 nm UV ışığı, 8000 MW/CM2
Y111069Y020100

Kaynaklar

  1. Teh, S. Y., Lin, R., Hung, L. H., Lee, A. P. Droplet microfluidics. Lab on a chip. 8, 198-220 (2008).
  2. 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).
  3. 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).
  4. Zhang, L., et al. Microfluidic synthesis of rigid nanovesicles for hydrophilic reagents delivery. Angewandte Chemie. 54, 3952-3956 (2015).
  5. 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).
  6. 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).
  7. 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).
  8. 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).
  9. 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).
  10. Zhu, P., Tang, X., Wang, L. Droplet generation in co-flow microfluidic channels with vibration. Microfluidics and Nanofluidics. , 20(2016).
  11. 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).
  12. 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).
  13. 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).
  14. 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).
  15. Anna, S. L., Mayer, H. C. Microscale tipstreaming in a microfluidic flow focusing device. Physics of Fluids. 18, 121512(2006).
  16. Liu, H., et al. Microfluidic synthesis of QD-encoded PEGDA microspheres for suspension assay. J. Mater. Chem. B. 4, 482-488 (2016).
  17. Richardson, W. H. Bayesian-based iterative method of image restoration. Journal of the Optical Society of America. 62, 55-59 (1972).
  18. Mukhopadhyay, P., Chaudhuri, B. B. A survey of Hough Transform. Pattern Recognition. 48, 993-1010 (2015).
  19. 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).
  20. Anna, S. L., Bontoux, N., Stone, H. A. Formation of dispersions using "flow focusing" in microchannels. Applied Physics Letters. 82, 364(2003).
  21. 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).
  22. Dangla, R., Gallaire, F., Baroud, C. N. Microchannel deformations due to solvent-induced PDMS swelling. Lab on a chip. 10, 2972-2978 (2010).
  23. Chiu, Y. J., et al. Universally applicable three-dimensional hydrodynamic microfluidic flow focusing. Lab on a chip. 13, 1803-1809 (2013).
  24. 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).

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Yeniden basım ve izinler

Etiketler

PEGDA Damlac klarMikroak kan CihazPDMS ipFotopolimerizasyonBoyut KontrolBas n OranUV MaruziyetiDamlac k Olu umuMikroak kan ip
Poli (etilen glikol) Diacrylate damlacıklar yoluyla yarı-3 boyutlu akış odaklanarak mikrosıvısal cihazlar boyutu kontrol nesil
Bize ulaşın
Kütüphaneye tavsiye et

Gizlilik

Kullanım Şartları

İlkeler

Telif hakkı © 2026 MyJoVE Corporation. Tüm hakları saklıdır.