Multi-passo fotolitografia Variável Altura para Valved multicamada microfluídicos Devices

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Bioengineering

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Brower, K., White, A. K., Fordyce, P. M. Multi-step Variable Height Photolithography for Valved Multilayer Microfluidic Devices. J. Vis. Exp. (119), e55276, doi:10.3791/55276 (2017).

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Abstract

Introduction

Durante os últimos 15 anos, como um campo de microfluidos sofreu um crescimento rápido, com uma explosão de novas tecnologias que permitem a manipulação de fluidos em escala micrométrica 1. Sistemas microfluidicos são atraentes para as plataformas funcionalidade laboratório molhado, porque os pequenos volumes tem o potencial para realizar o aumento da velocidade e a sensibilidade ao mesmo tempo, aumentar dramaticamente o rendimento e reduzindo o custo por aproveitar as economias de escala de 2, 3. Sistemas microfluídicos multicamadas fizeram impactos particularmente significativos em aplicações de análise bioquímica de alto rendimento, como a análise única célula 4, 5, 6, análise única molécula (por exemplo, digitais PCR 7), cristalografia de proteínas 8, ensaios de ligação do factor de transcriçãof "> 9, 10, 11 e triagem celular.

Um objetivo central da microfluídica tem sido o desenvolvimento de "laboratório em um chip" dispositivos capazes de realizar manipulações de fluidos complexos dentro de um único dispositivo para análise bioquímica total de 12. O desenvolvimento de técnicas de litografia suave multi-camada tem ajudado a realizar este objetivo, permitindo a criação de válvulas on-chip, misturadores e bombas para controlar ativamente fluidos dentro de pequenos volumes 13, 14, 15. Apesar de suas vantagens e aplicações demonstradas, muitas dessas tecnologias microfluídicos permanecem em grande parte unharnessed por utilizadores não especialistas. adopção generalizada tem sido um desafio, em parte devido ao acesso limitado a instalações de microfabricação, mas também devido à comunicação inadequada de técnicas de fabricação. Isto é especialmente verdadeiro for dispositivos microfluídicos multicamadas que caracterizam as estruturas de válvulas ou geometrias complexas: a escassez de informações detalhadas e práticas sobre os parâmetros de design importantes e técnicas de fabricação, muitas vezes desencoraja novos pesquisadores de embarcar em projetos que envolvem a concepção e criação destes dispositivos.

Este artigo pretende abordar essa lacuna de conhecimento através da apresentação de um protocolo completo para a fabricação de dispositivos microfluídicos multicamadas com válvulas e características altura variável, a partir de parâmetros de projeto e movendo-se através de todas as etapas de fabricação. Ao concentrar-se nas etapas de fotolitografia iniciais de fabricação, este protocolo complementa outros protocolos microfluidics 16 que descrevem os passos a jusante da fundição dispositivos a partir de moldes e funcionando experimentos específicos.

microcanais com válvulas monolítico on-chip são compostas de duas camadas: um "fluxo" camada, onde o fluido de interesse é manipulado em microcanais, e um "controlo" da camada, onde microcanais contendo ar ou água são capazes de modular selectivamente o fluxo de fluido na camada de escoamento 14. Estas duas camadas são fabricados sobre cada um mestre de moldagem de silicone separada, que é subsequentemente utilizado para polidimetilsiloxano (PDMS) de moldagem réplica num processo chamado "litografia macia 17." Para formar um dispositivo de camadas múltiplas, cada uma das camadas de PDMS são expressos sobre as suas respectivas mestres de moldagem e, em seguida, alinhados um ao outro, formando assim um dispositivo de PDMS compósito com canais em cada camada. As válvulas são formadas em locais em que os canais de fluxo e de controlo cruzam um ao outro e estão separados apenas por uma fina membrana; pressurização do canal de controlo desvia desta membrana para ocluir o canal de fluxo e localmente deslocar o fluido (Figura 1).

Activo válvulas on-chip pode ser fabricado de várias maneiras, dependendo da aplicação final desejada. válvulaspode ser configurado em qualquer uma "empurrar para baixo" ou de "empurrar para cima" geometria, dependendo se a camada de controlo está acima ou abaixo da camada de escoamento (Figura 1) 15. "Push up" geometrias permitem menores pressões de fechamento e estabilidade dispositivo maior contra delaminação, enquanto "empurrar para baixo" geometrias permitir que os canais de fluxo de estar em contacto directo com o substrato aderido, conferindo a vantagem de funcionalização seletiva ou padronização da superfície do substrato para a funcionalidade mais tarde, 18, 19.

Válvulas também pode ser intencionalmente leaky válvulas "peneira" ou totalmente selável, dependendo do perfil da secção transversal do canal de fluxo. Sieve válvulas são úteis para a captura de células de grânulos, ou outros macroanalytes 1, e são fabricados por meio da utilização de substâncias fotoquímicas reactivas típicas negativos (isto é, SU-8 Série), que have perfis rectangulares. Quando um canal de controlo está pressurizada ao longo destas regiões da válvula, a membrana de PDMS entre o controlo e a camada de escoamento desvia isotropicamente no perfil rectangular da válvula sem selar os cantos, que permite o escoamento de fluido mas prendendo partículas em escala macro (Figura 1). Por outro lado, válvulas microfluídicos totalmente sel�eis são fabricados pela inclusão de um pequeno pedaço de fotorresiste arredondada em locais de válvulas. Com esta geometria, a pressurização do canal de controlo desvia da membrana contra a camada de fluxo de arredondado para selar completamente o canal, interrompendo o fluxo de fluido. Perfis arredondados na camada de fluxo são gerados através da fusão e refusão de fotorresiste positivo (por exemplo, AZ50 XT ou SPR 220), após as etapas de fotolitografia típicos. Temos anteriormente demonstrado que as alturas pós-refluxo das regiões válvula depender de dimensões de recursos escolhidos 21. Este protocolo demonstra a fabricação de ambas as geometrias de válvulas comem um dispositivo de síntese de grânulo.

figura 1
Figura 1: Multilayer Microfluidic Válvula Geometrias. "push up" arquiteturas de dispositivos típicos para peneira e válvulas totalmente sel�eis antes (superior) e depois (inferior) pressurização. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Os dispositivos também podem incluir características passivas complexos, tais como misturadores caóticos 13 e on-chip resistências 20 que requerem características de várias alturas diferentes dentro de uma camada de fluxo único. Para atingir uma camada de fluxo de altura variável, diferentes grupos têm utilizado vários métodos, incluindo placa de circuito impresso gravura 22, multicamadas alinhamento alívio PDMS 23, ou multi-passo photolithography 24. O nosso grupo encontrou multi-passo fotolitografia num único mestre de moldagem ser um método eficaz e reprodutível. Para fazer isso, é empregue uma técnica de construção de fotolitografia simples grossos canais de fotorresistente negativo (por exemplo, SU-8 fotorresistentes Series) em camadas, sem desenvolvimento em entre a aplicação de cada camada. Cada camada é girada em fotorresiste negativo de acordo com a sua espessura usando as instruções do fabricante 25 sobre o mestre de silício. As características desta altura são então modelado sobre a camada usando uma máscara de transparência específica (Figura 2), afixada uma placa de máscara de vidro e alinhadas com a camada previamente fiado antes da exposição. Em multi-etapa de fotolitografia, o alinhamento preciso entre as camadas é fundamental na formação de um canal completo fluxo de altura variável. Após o alinhamento, cada camada é submetida a um cozimento pós-exposição dependente da espessura. Sem o desenvolvimento, a próxima camada é similarly modelado. Desta forma, as características de altura pode ser construída com uma única bolacha de escoamento da camada-por-camada através da utilização de várias máscaras. Ao pular desenvolvimento entre cada passo, as camadas de resina fotossensível anteriores pode ser usado para gerar características compostas altura (ou seja, duas camadas 25 um pode fazer uma característica 50 uM) 24. Além disso, as características do canal de chão tal como um misturador caótico sulcos em ziguezague 13 pode ser feita usando camadas com características anteriormente expostos. Um passo final de desenvolvimento conclui o processo, criando uma única bolacha de fluxo com características de altura variável (Figura 3).

Aqui, um protocolo completo para multi-etapa de fotolitografia, que inclui exemplos de todos os procedimentos necessários para fabricar válvulas on-chip e canais de fluxo com várias alturas é fornecido. Este protocolo de fabricação é apresentada no contexto de um sistema multi-camada sintetizador talão de microfluidos que requer válvulas e variable-height caracteriza pela sua funcionalidade. Este dispositivo inclui t-cruzamentos para gerar gotículas de água em uma bainha de petróleo, resistores on-chip para modular as taxas de fluxo através do controle da resistência Poiseuille, um misturador caótica para homogeneizar componentes de gotículas, e ambas as válvulas totalmente vedação e peneira para permitir fluxos de trabalho automatizados que envolvem reagente múltipla insumos. Usando multi-etapa de fotolitografia, esses recursos são cada fabricada em uma camada diferente de acordo com a altura ou fotossensíveis; as seguintes camadas são construídas neste protocolo: (1) Camada de Fluxo redondo válvula (55 uM, AZ50 XT) (2) de escoamento da camada de baixo (55 pM, SU-2050 8) (3) alto fluxo de camada (85 uM, SU- 8 2025, 30 um aditivo de altura), e (4) Herringbone ranhuras (125 uM, SU-8 2025, 40 uM altura aditivo) (Figura 3).

As pérolas de hidrogel podem ser utilizadas para uma variedade de aplicações, incluindo a funcionalização selectiva de superfície para ensaios a jusante, o encapsulamento de drogas, radiotracing e de imagem ensaios e incorporação celular; que anteriormente usado uma versão mais complexa desses dispositivos para produzir pérolas de PEG hidrogel espectralmente codificados contendo nanophosphors lantanídeos 20. Os projetos discutidos aqui são incluídos em Recursos adicionais para qualquer laboratório para usar em seus esforços de pesquisa se desejar. Prevemos que este protocolo irá fornecer um recurso aberto para especialistas e não-especialistas da mesma forma interessados ​​na fabricação de dispositivos microfluídicos multicamadas com válvulas ou geometrias complexas para diminuir a barreira de entrada em microfluídica e aumentar as chances de sucesso de fabricação.

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Protocol

Projeto de dispositivos 1. Multi-layer

NOTA: Características de diferentes alturas e / ou fotorresistentes devem ser adicionados sequencialmente ao wafer durante as diferentes etapas de fabricação para criar recursos finais compósitos. Portanto, modelos para cada altura e fotorresistente separado para ser incluído em uma pastilha tem de ser impressa sobre a sua própria máscara (Figura 4).

  1. Baixar um design (CAD) programa de elaboração assistida por computador (por exemplo, AutoCAD Versão Educacional).
  2. Definir "área de wafer pelo desenho de um 4" a 4 círculo. Designs bolacha (Figura 4, Recursos adicionais) são fornecidos como um exemplo.
  3. Dentro do "esboço 4 wafer, o dispositivo local faz fronteira com 300 mm retângulos polilinha. Use essas fronteiras de dispositivo para alinhamento durante a fotolitografia.
  4. Criar camadas diferentes para cada altura diferente ou fotossensíveis necessário para o design final (ou seja, o fluxo redondo, de baixo fluxo, fluxo elevado,e controle no projeto) utilizando o painel Layers.
    1. características de design de uma altura desejada particular sobre a camada correspondente. O exemplo de projeto mostra 4 camadas activas diferentes, cada um com sua própria cor (Figura 4).
      NOTA: fronteiras dispositivo, o texto mundial, eo esboço do wafer deve ser feita em sua própria camada (ou seja, 1-negativo nos desenhos), que, posteriormente, irão aparecer em todas as camadas para um alinhamento global. Características do fotorresistente diferente (tal como válvulas totalmente seláveis ​​que devem ser fabricados com protecção positiva) deve aparecer em camadas diferentes, independentemente da altura.
  5. Usando fechada de largura zero, polilinhas, os recursos do dispositivo de design dentro das fronteiras do dispositivo.
    1. Considere parâmetros de projeto da Tabela 1 para aumentar as chances de fabricação bem sucedida.
    2. Para cada altura, selecione a camada no painel Camadas e adicione todos os recursos de que a altura.
  6. prontodesigns para impressão filme de transparência usando o arquivo de máscara Básico (Recursos adicionais) onde cada 4 "círculo wafer é inserido dentro de um 5" borda retangular. Cada camada será impresso em um filme de transparência separada para adição sequencial de cada camada foto-resistente.
    NOTA: Este arquivo de máscara básica representa os desenhos finais utilizados para imprimir.
    1. Para completar o projeto, transformar todas as camadas off exceto 1-negativas e a camada de válvula AZ50 XT. Copiar todo o wafer com a camada ativa (ou seja, válvulas) e os recursos globais (ie., Bordas do dispositivo).
    2. Abra o arquivo de máscara básicas e cole este projeto nas válvulas AZ50 XT retângulo direito. Use a fronteira wafer exterior para o alinhamento e, posteriormente, excluí-lo após a colagem.
    3. Repita o procedimento para o resto das camadas (por exemplo, no exemplo de design: o fluxo quadrada baixa, o fluxo praça alta, e controle). arquivos de exemplo de transparência são fornecidos (Recursos adicionais).
    4. Enviar arquivos para um comempresa comercial de impressão (por exemplo, FineLine Imaging) para imprimir em filme de transparência. Use 32.000 DPI para impressão> 10 mm recursos e até 50.000 DPI para recursos menores. Se características menos de 7 mm são necessários, pedir uma máscara Chrome em vez de um filme de transparência.

Tabela 1: Projeto Parâmetros e sugestões. Considerações de design para evitar armadilhas comuns durante o processo de design CAD de dispositivos microfluídicos. Por favor clique aqui para ver nesta tabela. (Botão direito do mouse para baixar).

2. Preparar uma bolacha por fotolitografia

NOTA: Estes passos, adicionalmente, aparecem na tabela formato na Tabela 2.

  1. Na sala limpa ou designada área limpa, limpa e desidratar um 4 "wafer de teste de grau de silício (de um único lado polished).
    1. Lavar a bolacha bem com metanol.
      NOTA: Os passos sem limpeza ainda são necessários se estiver usando a camada de adesão SU-8 descrito abaixo. Outras camadas de adesão que se afastem deste protocolo (ex., HMDS) muitas vezes requerem limpeza mais profunda, tais como gravura piranha.
    2. Secagem com N2 ou ar comprimido.
    3. Asse em uma placa quente de alumínio, a 95 ° C durante 10 minutos para evaporar o solvente completamente.
  2. Fabricar a 5 mm espessa camada uniforme do SU-8, 2005 para melhorar a aderência das camadas fotossensíveis subsequentes.
    1. Coloque o wafer limpos coater rotação, ligar o vácuo para apor-lo para o mandril rotação, e soprar a poeira com N2 ou ar comprimido.
    2. Aplicar 1-2 ml de SU-8, 2005 fotorresiste negativo no centro do wafer e girar como se segue: Propagação: 500 rpm, 10 seg, 133 rpm / s aceleração; cast: 3.000 rpm, 40 seg, / s de aceleração 266 rpm.
    3. Remover wafere coza macio por comutação bolacha entre duas placas de cozedura regulado a 65 ° C e 95 ° C de acordo com o seguinte programa: 65 ° C: 2 min, 95 ° C: 3 min, 65 ° C: 2 min.
    4. Permitir bolacha arrefecer até à TA.
    5. Coloque wafer no mandril de uma máscara alinhador UV e expor sem máscara ( 'exposição de inundação ") para um depósito de energia total de 124 mJ (aqui, 20 segundos a ~ 6,2 mW / cm 2 intensidade da lâmpada). Se estiver disponível, selecione o modo de contacto duro para alcançar um wafer de 300 mm: Máscara separação.
    6. Remover bolacha e coza pós-exposição ao mudar a bolacha entre duas placas de cozedura regulado a 65 ° C e 95 ° C como se segue: 65 ° C: 2 min, 95 ° C: 4 min, 65 ° C: 2 min.

Fabricação de Válvulas arredondados

  1. Use on-line AZ50 XT recurso preditor de válvula 26 para planejar as velocidades de rotação para as dimensões de válvulas desejados e alturas.
    NOTA: Os passos seguintes irão deposentar-se uma camada de 55 mm de fotorresiste positivo para definição da válvula e arredondamento refluxo.
  2. Coloque o wafer em um revestidor de rotação, ligue vácuo para apor-lo para o mandril rotação, e soprar a poeira com N2 ou ar comprimido.
  3. Aplicar 2-3 mL de fotorresistente AZ50 XT positiva para o centro da bolacha. Rotação da seguinte forma: Propagação: 200 rpm, 10 s, / s de aceleração 133 rpm; elenco: 1.200 rpm, 40 seg, 266 rpm / s aceleração; Snap rotação para remover cordão de borda: 3.400 rpm, 1 segundo, de 3.400 rpm / s aceleração.
  4. Em uma "placa de Petri de 5, fixará o wafer com cuidado e deixe descansar por 20 min.
  5. coza macio da bolacha numa placa de aquecimento: 65 ° C - 112 ° C, 22 min, 450 ° C / h de velocidade de rampa.
  6. Remover a bolacha e deixar repousar durante a noite à temperatura ambiente numa placa de Petri para a reidratação ambiente.
  7. Tape Fluxo Circular máscara de transparência a 5 "placa de vidro impressão voltado para baixo (mais próximo de wafer) e carregar no posicionador máscara do alinhador de máscara UV. Expor o wafer de 930 mJ de UV em 6 ciclos ( 2, 30 s tempo de espera entre as exposições).
  8. Desenvolver wafer imediatamente por imersão em um banho de agitação de 25 ml de AZ500k 1: 3 desenvolvedor no prato de 6 "de vidro para 3-5 min ou até banho fica roxo e características emergir.
    1. Remova o wafer e lave bem com água DI.
    2. Avaliar altura pré-refluxo em perfilômetro (força caneta de 10,5 mg).
      NOTA: Opere o profilometer de acordo com as instruções do fabricante, posicionando cuidadosamente a caneta vigor ao lado de um canal de recurso sobre a camada desejada antes de profiling. Definições usadas ao longo deste protocolo foram as seguintes: força de caneta 10,5 mg, comprimento 1000 mm, velocidade de 200 ^ m / s, o regime de baixo para cima.
  9. Refluxo de disco cozer a bolacha para derreter e características da válvula redondas como se segue: 65 ° C - 190 ° C, 15 h, 10 ° C / hr velocidade de rampa.
  10. Deixe o fresco wafer de RT. Avaliar altura pós-refluxo usando um profilometer (força caneta de 10,5 mg). Alturas de 55 uM ± 2 uM deve ser esperado para esta geometria do dispositivo.

3. Confecção Características altura variável em Tandem

  1. Prossiga para a fabricação de altura variável com o wafer desenvolvido com baixo fluxo, alto fluxo e Espinha de Peixe Mixer transparências do projeto Bead Synthesizer.
  2. Para ajustar protocolo para os projetos, utilizar fichas técnicas de manufatura 25 para determinar a energia de exposição, as velocidades de rotação e parâmetros de tempo assar, permitindo a tolerância de ± 5%.
    NOTA: Este protocolo fabrica uma 55 mm de altura Fluxo camada de baixa usando SU-8 2050 fotorresiste negativo rola sobre as características das válvulas.
  3. Coloque o wafer limpos coater rotação, ligar o vácuo para apor-lo para o mandril rotação, e soprar a poeira com N2 ou ar comprimido.
    1. Aplicar 1-2 ml de SU-8 2050 fotorresiste negativo para o centro do wafer e girar como se segue: Propagação: 500 rpm, 10 s, 133 rpm aceleração / seg; cast: 3.000 rpm, 40 seg, 266 rpm de aceleração / seg. Spin fotorresiste sobre características de válvulas desenvolvidos.
  4. Com cuidado, coloque a bolacha girou em 5 "placa de Petri e deixe descansar por 20 min em uma superfície plana ou até qualquer estrias padrões desaparecer.
  5. Remover a bolacha e coza macio, colocando em duas placas de cozedura regulado a 65 ° C e 95 ° C como se segue: 65 ° C: 2 min, 95 ° C: 8 min, 65 ° C: 2 min.
  6. Permitir que a bolacha se arrefecer para a TA.
  7. Tape o fluxo máscara Pouca transparência a uma placa de vidro de impressão do lado de quartzo 5 "para baixo (o mais próximo do wafer) e carregar no posicionador máscara do alinhador de máscara UV.
  8. Coloque o wafer na máscara UV alinhador chuck e, usando ocular do microscópio ou câmera, alinhe cuidadosamente novo fluxo de recursos de baixo da camada de Fluxo Circular características da camada de válvula. Comece por alinhar eixos horizontal, vertical e inclinação das fronteiras do dispositivo com as características de fronteira dispositivo na máscara. Em seguida, alinhar recursos de cabelo cruz apostacamadas ween. Finalmente, confirmar que as características da válvula cruzam Fluxo Baixo apresenta quando aplicável.
  9. Expor a 170 deposição mJ UV (28 segundos a ~ 6,2 mW / cm 2).
  10. Remover a bolacha e pós-exposição coza por a comutação entre duas placas de cozedura regulado a 65 ° C e 95 ° C como se segue: 65 ° C: 2 min, 95 ° C: 9 min, 65 ° C: 2 min.
  11. Sem o desenvolvimento, permitem que a pastilha se arrefecer para a TA e prossiga para a fabricação de fluxo de alta camada. Esta alta camada de Fluxo irá adicionar 30 mm de fotorresiste para a camada fotorresistente 55 mm subdesenvolvidos para produzir 85 mm recursos em locais previamente não expostos.
  12. Repita os passos 3,3-3,10 usando SU-8 2025 e a máscara de alta camada de fluxo com estas modificações para as configurações de revestimento de spin: Propagação: 500 rpm, 10 seg, 133 rpm / s aceleração; cast: 3.500 rpm, 40 seg, 266 rpm de aceleração / seg.
    1. Expor a 198 mJ deposição de UV (32 s a ~ 6,2 mW / cm 2).
  13. sem desenpongue, permitir que o wafer arrefecer até à RT e proceder à fabricação de camada Chaotic Mixer espinha. Características finais nesta camada irá ter uma altura total de 125 uM: 55 | iM a partir da camada de fluxo baixo, de 30 um a partir da camada de escoamento quadrado, e de 40 um a partir desta camada caótica Misturador espinha (ver Figura 3) e incluem 35 ranhuras uM em espinha .
  14. Repita os passos 3,3-3,10 usando SU-8 2025 e a camada de máscara Herringbone com as seguintes modificações, garantindo que as ranhuras em ziguezague são completamente dentro Fluxo alta canal descreve.
    1. Use o seguinte programa de assar a quente: 65 ° C: 2 min, 95 ° C: 7 min, 65 ° C: 2 min.
    2. Expor a 148 mJ deposição de UV (24 s a ~ 6,2 mW / cm 2).
  15. Depois de todas as camadas tiverem sido completadas, o desenvolvimento por imersão da bolacha num banho de agitação de 25 ml de SU-8 revelador para um prato de 6 "de vidro durante 3,5 min ou até que características que emergem claramente. Verificar que features têm limites claros, definidos recurso usando um estereoscópio.
  16. Disco cozer a bolacha para estabilizar todos os recursos de resina fotossensível sobre um prato quente como se segue: 65 ° C - 165 ° C, 2 h 30 min, 120 ° C / h de velocidade de rampa.
  17. Avaliar altura recurso em todas as camadas usando um perfilômetro (força caneta de 10,5 mg).

4. Controle de fabricação de wafer

  1. Limpo, desidratar, e fabricar uma camada de adesão 5 m em um novo wafer 4 "silício como na Secção 4.
  2. Fabricar uma camada de 25 um controle usando SU-8 2025 fotorresiste negativo.
  3. Coloque o wafer em um revestidor de rotação, ligue vácuo para apor-lo para o mandril rotação, e soprar a poeira com N2 ou ar comprimido.
  4. Aplicar 1-2 ml de SU-2025 8 fotorresistente negativo no centro da bolacha e rotação como segue: Propagação: 500 rpm, 10 s, 133 rpm / s aceleração; cast: 3.500 rpm, 40 seg, 266 rpm de aceleração / seg.
  5. Remova o wafer e asse suave, alternando entreduas placas de cozedura regulado a 65 ° C e 95 ° C como se segue: 65 ° C: 2 min, 95 ° C: 5 min, 65 ° C: 2 min.
  6. Permitir que a bolacha se arrefecer para a TA.
  7. Alinhe a máscara de transparência de controle para uma "placa de vidro 5 e carregar em alinhador máscara UV.
  8. Coloque o wafer na bucha de máscara UV alinhador e expor a 155 deposição mJ UV (25 segundos a ~ 6,2 mW / intensidade da lâmpada cm 2).
  9. Remover a bolacha e pós-exposição coza por a comutação entre duas placas de cozedura regulado a 65 ° C e 95 ° C como se segue: 65 ° C: 2 min, 95 ° C: 6 min, 65 ° C: 2 min.
  10. Desenvolver por imersão da bolacha num banho de agitação de 25 ml de SU-8 desenvolvedor em 6 "prato de vidro durante 1 minuto ou até que emergem características. Verificar características utilizando um estereoscópio.
  11. Disco cozer a bolacha para estabilizar características resina fotossensível como se segue: 65 ° C - 165 ° C, 2 h 30 min, 120 ° C / hr velocidade de rampa.

5. Silano Wafer Tratamento para Easy PDMS Levante-off

  1. Coloque as bolachas concluídas na cremalheira wafer dentro de um secador de vácuo redoma dentro de um exaustor livre de reagentes de água ou solúveis em água.
  2. Sob o capô, usar um conta-gotas para aplicar uma gota de tricloro (1H, 1H, 2H, 2H -perfluorooctyl) silano (PFOTS) para uma lâmina de vidro e o local no interior do exsicador.
  3. Fechar a tampa e aplicar exsicador de vácuo durante 1 min.
  4. Após 1 min, desligue a vácuo sem re-pressurização ou evacuação redoma de vidro.
  5. Deixe a mistura descansar por 10 min enquanto a superfície PFOTS aerossol casacos wafer.
  6. Abra a tampa do frasco de sino e remover wafer usando uma pinça. Coloque em um prato de Petri para PDMS moldagem réplica. Descarte as lâminas com revestimento de silano em resíduos perigosos adequada.
    NOTA: As bolachas revestidas com silanos fluorados pode ser utilizado centenas a milhares de vezes sem re-tratamento. Uma camada sacrificial de 1:10 PDMS pode ser convertido em pastilhas, curado, e descartada após o primeiro tratamento com silano para remover egrupos silano Xcess a partir da superfície da bolacha.

6. PDMS Replica Moldagem

  1. Fabricar dispositivos microfluídicos multicamadas em um "push up" geometria no vidro de acordo com protocolos de acesso aberto existentes 16.
    NOTA: Um protocolo detalhado pode ainda ser encontrado no site 27.
  2. Por inspeção visual, assegurar que todas as válvulas estão bem alinhados para controlar linhas e todas as entradas (em ambos as camadas de fluxo e controle) são perfurados completamente antes de prosseguir.

7. Produção de Hidrogel Beads de Gotas

  1. Ligue tubos (por exemplo, Tygon) carregado com água para um sistema de controle de fluxo (por exemplo, bombas de seringa, controladores fluídicos, ou uma matriz válvula solenóide de código-fonte aberto com reservatórios 28).
  2. Ligue pinos de metal para tubos e conectar-se a portas de dispositivo de entradas da linha de controle. Pressurizar as linhas de controle do dispositivo, definindo o cont fluxoRol sistema de escolha a 25 psi durante cada linha. Certifique-se de que as válvulas fechar e re-aberto por inspeção sob o microscópio.
    NOTA: Siga as instruções do fabricante para o sistema de escolha de controle de fluxo. Neste trabalho, um sistema pneumático controlado por software personalizado se aplica pressão para cada linha usando válvulas solenóides que alternam entre o ar comprimido 25 psi (sob pressão) e pressão atmosférica (despressurizado). Os detalhes deste sistema podem ser encontrados em Discussão.
  3. Prepare vasos de pressão costume microfluídicos para reagente e carregamento de petróleo.
    1. Usando um push-pin, dois furos na parte superior de um tubo criotubo, insira a tubulação PEEK capilar em um buraco, e inserir um pino de metal ligado à tubulação no segundo buraco.
    2. Selar tubulação no lugar com epóxi. Deixar secar durante 1 hora.
  4. Enquanto espera, num tubo de microcentrífuga, suspensão de 3,9 mg de fotoiniciador LAP-se em 100 ul de água Dl ([LAP] = 39 mg / ml) para preparar fotoiniciadorsolução utilizada para a polimerização de gotículas de hidrogel grânulos. Proteger da luz.
  5. Num segundo tubo de microcentrífuga, adicionar 132 mL de água Dl, 172 uL de PEG diacrilato, 12 ul de solução de LAP, e 85 ul de tampão HEPES para fazer a solução de hidrogel gota.
  6. Transferir a solução de hidrogel de gotículas para o recipiente de tubo criogénico concluída.
    NOTA: Aditivos para outras aplicações, tais como nanocristais, partículas magnéticas ou moléculas biológicas podem ser incluídos no componente de HEPES.
  7. Ligue a tubagem do navio tubo criogénico a uma fonte de pressão controlável e ligar a tubagem de PEEK para a entrada do reagente do dispositivo.
  8. Preparar 10 ml de óleo mineral leve com 2% v / v de agente tensioactivo não iónico (por exemplo, Span 80) e 0,05% por EM90 emulsão de goticulas de óleo. Filtrar através de um filtro de seringa de 0,22 um e a carga de 1 ml para um segundo vaso de tubo criogénico.
  9. Insira a tubulação PEEK na saída do dispositivo para recolha de gotas.
  10. Remover bubbl arES a partir do dispositivo através da pressurização de óleo, água, ou misturas de PEG entradas (pressão operacional de 4 psi). Ligue todas as válvulas. Sequencialmente desligar cada válvula em um caminho de fluido após 1 min ou até que as bolhas de ar têm permeado através do dispositivo PDMS. Por exemplo, para de-bolha misturadores de espinha de peixe, ligue válvulas de entrada 1, Mix 1 e Mix de Resíduos. Então despressurizar Inlet 1, Mix 1 e Mix de resíduos até que todas as bolhas se foram.
  11. Quando o dispositivo é depois repressurizado debubbling, despressurizar válvula de óleo Ro1 e pressão de óleo ajustado a 10 psi.
  12. Regule a pressão de mistura de PEG a 9 psi, depressão a válvulas a montante (entrada 1, Gotas 1) e ajustar conforme necessário para produzir gotas com o tamanho desejado. O tamanho da gota pode ser determinada através de microscopia usando uma câmera com 50 fps ou superior.
  13. Quando as gotas tenham estabilizado, posicionar um spot 5 mm, entre a fonte de luz UV (por exemplo, um sistema de cura de UV local com guia de luz líquido (LLG) ou um diodo emissor de luz UV focalizada) sobre a região de polimerização de d oispositivo e aplicar a 100 mW / cm 2 de UV (365 nm) a partir da fonte de UV.
  14. Pressurizar a válvula peneira talão para assistir grânulos polimerizados recolher e garantir que as gotas de ter endurecido em grânulos. Ajuste LLG como necessário para atingir a polimerização completa.
  15. Despressurizar válvula peneira talão e recolher em pérolas tubo através do tubo de PEEK tomada.

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Representative Results

Aqui, demonstramos a fabricação de válvulas, de altura variável moldes de microfluidos multicamadas, fazendo dispositivos capazes de gerar poli etileno glicol (PEG) a partir de pérolas de hidrogel gotículas (Figura 2). Uma visão geral do processo de fabricação completa está incluído na Figura 3. Usando elementos de design do trabalho anterior, o sintetizador talão emprega 4 alturas em sua camada de fluxo, incluindo (1) arredondado válvulas XT AZ50 de modulação de fluxo laminar (55 mm) (2) fluxo baixa canais para a introdução de reagentes a uma temperatura mais elevada resistência (55? M) (3) de fluxo canais de alta para dirigir o fluxo de menor resistência para as tomadas e os misturadores (85 uM), e (4) um misturador de espinha de peixe advection (125 uM) para a mistura do PEG e agente reticulante para uma solução homogénea (Figuras 4A e 4B). Uma tabela de parâmetros de projeto e restrições de design sugeridos utilizado na construção desteprojeto está incluído no Quadro 1. arquivos de Design e arquivos de transferência de máscara estão incluídos na Tabela de Materiais.

Este protocolo demonstra arredondamento válvulas de fluxo e construção de múltiplas alturas no mesmo wafer de fluxo através de passos em tandem sem desenvolvimento de fotolitografia entre cada passo (Tabela 2). Uma válvula de pós-refusão típica arredondamento perfil de um profilometer e imagens estereoscópio de nossas válvulas de pós-refluxo são mostrados nas Figuras 5A e 5B. Resultantes alturas de fabricação medidos do nosso multi-altura fotolitografia estão listadas na Tabela 3. Heights foram medidos em 10 locais por cada camada em todos os dispositivos em um único wafer de fluxo, avaliando tanto a variação wafer de dispositivo para dispositivo e do outro lado. Todas as características observadas <2% CV do outro lado da bolacha. folhas de dados fotossensíveis fabricante sugerem altura típicavariações de ± 5%, quando a construção de funções de multi-camada, de modo a tolerância devem ser tidos em conta se este protocolo é ajustado para um design diferente.

Como acontece com qualquer processo de fabricação, os erros podem resultar em cada passo se os parâmetros de fabricação, tais como a velocidade de centrifugação ou a exposição não são otimizados para a altura padrão desejado e geometria. Muitos recursos estão disponíveis para solucionar os tempos de exposição e desenvolvimento adequados, incluindo um website nossa unidade mantém 27. Desvios das vezes sugeridas moles e duros assar, temperaturas e taxas de rampa pode gerar rachaduras, bolhas ou recursos incompletos. Além disso, a re-hidratação do fotorresistente positivo AZ50 XT antes da exposição é crítica. Bolachas sem reidratação adequada podem aparecer rachados ou conter bolhas dentro das áreas de válvulas. Se isto ocorrer, usando uma "caixa molhado" (uma caixa fechada com um prato contendo água desionizada) para abrigar wafers para a reidratação durante a noite pode ajudar. vezes reidratação mais curtos (~ 5-6 hr) pode ser utilizado para funções XT AZ50 com menos de 50 mm com resultados semelhantes, mas as características mais altas requerem reidratação durante a noite para reduzir a possibilidade de perda de função durante a exposição e desenvolvimento. Recentes positivo resistir alternativas (por exemplo, AZ40XT) pode eliminar a necessidade de re-hidratação durante a noite; no entanto, nós não testamos essas formulações.

Como uma prova de conceito-, gotículas de hidrogel diacrilato de PEG-foram produzidos a partir do dispositivo de cordão de sintetizador (Figura 6A). Figuras 5C e 5D mostram imagens representativas de funcionamento da válvula e fechamento no dispositivo quando pressurização e despressurização válvulas. modos de erro comuns para a pressurização da válvula incluem: o uso de pressão insuficiente (válvulas não vai fechar totalmente, que podem ser verificados por fluindo corante alimentar), inserção de tubo de entrada (fluxo será inibida setubos metálicos ou pinos são empurrados para baixo demais e dispositivo de delaminação pode resultar), e incorporação de pó ou fibras durante o processo de fabricação (canais podem ser ocluído ou o dispositivo pode descamar). Para solucionar esses modos de erro, os usuários devem manter as condições de sala limpa durante a fabricação e sistematicamente testar cada válvula antes de prosseguir para uma corrida dispositivo. Se o dispositivo de delaminação apresenta como um problema comum em experimentos, isto pode ser remediado por qualquer dispositivos que executam a pressões mais baixas (<15 psi) ou reduzindo os tempos de silanização.

A Figura 6A mostra o dispositivo sintetizador de grânulo em funcionamento que produzem gotas de hidrogel numa emulsão de óleo no gerador de gotícula de junção T e A Figura 6B mostra grânulos presos pela válvula de crivo no chip. Se a polimerização não é bem sucedida, grânulos irão passar através de um peneiro de válvula. Se isto ocorrer, a intensidade da fonte de UV e a altura a partir do dispositivo pode ser mod acidificado para melhorar a polimerização. As pérolas de hidrogel foram produzidos a caudais de 10 psi (óleo) e 9 psi (mistura de reagente) usando ~ 100 mW / cm 2 poder sobre uma área de polimerização 5 mm de diâmetro (Figuras 6C e 6D). grânulos resultantes medidos 52,6 ± 1,6 mm (média ± std). Tamanhos foram analisadas para 2.992 esferas usando uma Transformada de Hough (MATLAB) em imagens de campo claro (Figuras 6c e 6d) com um filtro de tamanho imposto de ± 3 std (28 pontos extremos, 0,94% de contas). Toda a nossa configuração de hardware para a produção de gotículas é mostrado na Figura 7.

Tabela 2: Multi-Passo Fotolitografia Parameters. Um formato de tabela de todos os fotolitografia passos com os parâmetros aplicáveis, incluindo a velocidade de centrifugação, os tempos de assar suaves, as energias de exposição e os tempos de bolos duros. 2.xlsx "target =" _ blank "> Clique aqui para ver nesta tabela. (Botão direito do mouse para baixar).

2 ">
Fluxo camada de recurso característica Altura
Arredondados Válvulas (Fluxo Circular) 54,43 mm (1,05 mm std., 1,9% CV)
Canais de fluxo (baixo fluxo) 84.22 m (0,91 mm std., 1,1% CV)
Canais de fluxo (alto fluxo) 54.10 m (1,24 mm std., 2,3% CV)
Grooves espinha de peixe (Mixer) 124,19 m (1,89 uM std., 1,5% CV)

Tabela 3: Profilometer Heights pós-fabricação. Altura total característica de pós-fabrico para cada uma das camadas fabricadas através de várias etapas de fotolitografia.

Figura 2
Figura 2: Visão geral do processo de fabricação. Um esquema indicando etapas envolvidas na fabricação de dispositivos de múltiplas camadas de design para o teste do dispositivo. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

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Figura 3: Representação esquemática de multi-passo fotolitografia. Visão geral do arredondamento da válvula e altura variável Elemento fabricação na fotolitografia para a criação de um dispositivo de microfluidos de multicamadas. Incluem-se aqui os passos para a fabricação do dispositivo talão sintetizador. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 4
Figura 4: Bead Synthesizer Dispositivo projeto e imagens. Desenho (A) do dispositivo de CAD do grânulo Sintetizador com camadas indicadas por cores diferentes. (B) Imagem do dispositivo PDMS multicamadas Bead Synthesizer. linhas de controle aparecem na cor laranja, canais de fluxo aparecem em azul e verde.jpg "target =" _ blank "> Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 5
Figura 5: Perfis da válvula e imagens. (A) perfil de altura da válvula representativas tal como avaliado por um perfilómetro. (B) Imagens representativas de válvulas e canais que cercam na moldagem de silício wafer fluxo mestre. (C, D) Imagens de operação final de válvula no dispositivo multicamadas PDMS. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 6
Figura 6: A produção de gotas de hidrogel diacrilato de PEG-. (A) Imagem do hidrogel gota production no gerador gota entroncamento. (B) Imagem de grânulos pós-polimerização presas na válvula de peneira quando a válvula está pressurizada. Imagem (C) de campo claro de pérolas de hidrogel produzidos no sintetizador de talão (4X). (D) a distribuição de tamanho de pérolas de hidrogel. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 7
Figura 7: setup operação do dispositivo. Imagem com anotação de todo o hardware necessário para o funcionamento do dispositivo. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

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Discussion

Este trabalho demonstra um protocolo de fotolitografia multi-passo completo para um dispositivo microfluídico multicamadas com válvulas e geometria altura variável que pode ser ajustado para qualquer aplicação com simples modificações nos parâmetros de fabricação com base em nossas ferramenta online 26 e fabricante instruções 25. Este protocolo destina-se a desmistificar fotolitografia multicamadas para pesquisadores que desejam construir dispositivos microfluídicos para além, moldes de uma camada passiva simples.

Dispositivos microfluídicos multicamadas permitir a busca de funcionalidades avançadas dentro de um único dispositivo de polímero macio para o "laboratório em um chip" aplicações que vão desde a análise única célula para ensaios bioquímicos alto rendimento 1. O dispositivo talão sintetizador construído aqui demonstra várias alturas com uma camada de fluxo único e as duas geometrias totalmente lacrado e válvulas peneira para produzir gotas de hidrogel que cum ser polimerizado para pérolas de polímero. A presença de válvulas permite o controle automático, programável sobre a função chip que pode ser facilmente implementado com qualquer linguagem de scripting (ou seja, MATLAB, o LabVIEW, ou Python) que interage com os módulos de um laboratório de controle de fluxo (isto é, bombas de seringa e / ou reguladores de pressão ). Nesta demonstração, o software MATLAB personalizado (código fornecido na referência 28) comunica com Modbus-controlados matrizes válvula solenóide em uma configuração personalizada pneumático 28 e um sistema MFCS controle de fluxo para pressurizar fluidos no dispositivo, mas muitas outras opções para controle de fluxo estão comercialmente acessível. Projetos e sugestões adicionais são incluídos para ajudar a maximizar o sucesso de engenheiros microfluídicos pela primeira vez.

As etapas de fabricação mostrados aqui deve provar geralmente adaptável a uma grande variedade de padrões de fotolitografia para dispositivos microfluídicos. Em um dos passos (fluxo alto), 30^ m características foram adicionadas à camada inferior fotorresistente (fluxo baixo, 55 uM) para criar uma altura composto de 85 uM. Este passo pode ser usado para fazer características de espessura, sem a necessidade de fotorresistentes mais viscosos (que são mais difíceis de trabalhar). Noutro passo (espinha), funcionalidades ter sido fabricado no topo de um canal previamente reticulado, criando ranhuras modeladas na parte inferior de um microcanal quando réplica moldado em PDMS. Este passo pode ser adaptado por usuários para criar geometrias complexas, incluindo arquiteturas de bem-dentro-de-bem, se desejado.

O sucesso do presente processo de fabrico é demonstrada utilizando o dispositivo de grânulo sintetizador para produzir pérolas de polímero a partir de gotas de PEG-diacrilato. Explorando as pressões de fluxo diferentes podem modular o regime de gota para produzir grânulos de diferentes tamanhos. Além disso, os aditivos podem ser incluídas facilmente dentro da mistura de polímero. Estas pérolas de hidrogel podem ser utilizadas para uma variedade de fins, incluindocodificação espectral através da incorporação de fósforos fluorescentes ou luminescentes, entrega da droga, ou ensaios celulares via funcionalização da superfície.

Se este protocolo é adoptado para a construção de um dispositivo de microfluidos diferente do que o sintetizador de grânulo aqui apresentada, deve notar-se certos passos são essenciais para alcançar uma elevada probabilidade de sucesso na primeira tentativa de fabricação. Nós e outros observaram que a optimização da temperatura coza macio, duração, e velocidade rampa é crítico para evitar a retenção do solvente residual na película de resistir através da formação de crosta (o que pode levar a borbulhamento de azoto gasoso aprisionado durante a exposição) 29. Além disso, uma etapa de re-hidratação durante a noite melhora a reprodutibilidade dos tempos de exposição necessários para camadas espessas AZ50 XT e reduz a variabilidade espacial nas taxas de desenvolvimento em toda a bolacha. Por fim, um longo (14-15 horas) após a exposição de bolos com uma rampa lenta rodadas características fotossensíveis retangulares para formar vaLves sem deformar geometrias de válvula para uma ampla variedade de espessuras fotossensíveis testados.

Vários dos procedimentos aqui apresentados para o fabrico de camadas de material fotosensitivo negativo incluem pequenas diferenças de instruções do fabricante. Sugerimos um processo de cozer macio de três passos que se move entre as placas bolachas quente a 65 ° C, 95 ° C, e 65 ° C. Descobrimos que o aquecimento gradual dos wafers reduz o aparecimento de defeitos durante a exposição resultante da ruptura de bolhas de gás presas dentro fotorresistente através da formação de uma "massa" macia durante o cozimento. Por outro lado, o arrefecimento gradual das bolachas após a cozedura suave pode reduzir a fissuração fotorresistente. Finalmente, verificou-se que aumentando os tempos de relaxamento para fotorresistente ~ 20 min reduz a pequenas variações na resistência através altura da bolacha.

Devido à flexibilidade deste protocolo fabricação, esperamos que ele terá ampla utilidade para diferentes dispositivos em disciplines. Enquanto alternativas como a impressão em 3D, gravação de vidro e gravação também pode atingir a fabricação de microfluidos, padronização litográfica pode alcançar funcionalidade mais complexa, tais como válvulas, que outros métodos ainda não alcançaram em grande escala. A principal limitação deste protocolo é tempo de design-to-teste, que leva ~ 3 dias (principalmente devido aos passos necessários para fabricar válvulas arredondados).

Esperamos que a divulgação aberta de protocolos em microfluídica, especialmente em relação às etapas de fotolitografia complicadas, vai incentivar a inovação contínua no campo e que esta demonstração de prova de conceito vai ajudar no sentido de ajudar os usuários a solucionar problemas de fabricação.

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Materials

Name Company Catalog Number Comments
Materials
Mylar Transparency Masks, 5" FineLine Plotting
5" Quartz Plates United Silica  Custom
4" Silicon Wafers, Test Grade University Wafer 452
SU8 2005, 2025, 2050 photoresist Microchem Y111045, Y111069, Y111072
Az50XT  Integrated Micromaterials AZ50XT-Q
SU8 Developer Microchem Y020100
AZ400K 1:3 Developer Integrated Micromaterials AZ400K1:3-CS
Pyrex 150 mm glass dish Sigma-Aldrich CLS3140150-1EA
Wafer Petri Dishes, 150 mm VWR 25384-326
Wafer Tweezers  Electron Microscopy Sciences (EMS) 78410-2W
Trichloro(1H,1H,2H,2H-perfluorooctyl)silane (PFOTS) Sigma-Aldrich 448931-10G
2" x 3" glass slides Thomas Scientific  6686K20
RTV 615 elastomeric base and curing agent PDMS set Momentive  RTV615-1P
Tygon Tubing, 0.02" O.D.  Fischer Scientific  14-171-284
Capillary PEEK tubing, 510 μm OD, 125 μm ID Zeus Custom 360 μm PEEK is readily available by Idex (catalog number: 1571)
Cyro 4 ml tube Greiner Bio-One 127279
Epoxy, 30 min Permatex 84107
Metal Pins, 0.025" OD, .013" ID New England Small Tube NE-1310-02
Poly(ethylene glycol) diacrylate, Mn 700 Sigma-Aldrich 455008-100ML
Lithium Phenyl(2,4,6-trimethylbenzoyl)phosphinate photoinitator  Tokyo Chemical Industry Co. L0290 We typically synthesize LAP in-house. 
HEPES Sigma-Aldrich H4034-25G
Light mineral oil Sigma-Aldrich 330779-1L
Span-80 Sigma-Aldrich 85548
ABIL EM 90 UPI Chem 420095  
 
Name  Company Catalog Number Comments
Equipment Equivalent equiptment or homebuilt setups will work equally as well
Mask Aligner Karl Suss MA6
Profilometer KLA-Tencor Alpha-Step D500
Spin Coater Laurell Technologies WS-650-23 Any spincoater can be used that accepts 100 mm wafers
Vacuum Dessicator, Bell-Jar Style Bel-Art 420100000
Oven Cole-Palmer WU-52120-02
UV Spot Curing System with 3 mm LLG option Dymax 41015 UV LEDs, Xenon Arc Lamps, or other UV sources of the same intensity work equally as well
MFCS Microfluidic Fluid Control System Fluidgent MFCS-EZ Syringe pumps, custom pneumatics or other control systems can also be used
Automated control scripting MATLAB
Hotplate Tory Pines Scientific HP30 Any hotplate with uniform heating (i.e., aluminum or ceramic plates) will suffice.

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References

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