Myk litografisk prosedyren for å produsere plast Microfluidic enheter med Vis-porter gjennomsiktig synlige og infrarøde lys
Summary
En protokoll for fabrikasjon av plast microfluidic enheter med gjennomsiktig visning-synlige og infrarøde lyset imaging er beskrevet.
Abstract
Infrarød (IR) spectro-mikroskopi av levende biologiske prøver er hindret av absorpsjon av vann i midt-IR området og mangel på egnet microfluidic enheter. Her, en protokoll for fabrikasjon av plast microfluidic enheter er bevist, hvor myke litografisk teknikker brukes til å bygge gjennomsiktig kalsiumfluorid (CaF2) visning-porter i forbindelse med observasjon chamber(s). Metoden er basert på en kopi avstøpning tilnærming, der en polydimethylsiloxane (PDMS) mold er produsert gjennom standard litografisk prosedyrer og deretter brukt som malen til å produsere en plast enhet. Plast enheten har ultrafiolett/synlig/infrarød (UV/Vis/IR) – gjennomsiktige vinduer gjort CaF2 å tillate direkte observasjon med synlig og IR lys. Fordelene med den foreslåtte metoden inkluderer: redusert behov for tilgang til et rent mikro-fabrikasjon anlegg, flere visning-porter, en enkel og allsidig tilkobling til et eksternt pumping system gjennom plast kroppen, fleksibilitet av design, f.eks , åpen/lukket kanaler konfigurasjon og muligheten til å legge til avanserte funksjoner som nanoporous membraner.
Introduction
Fourier transformere infrarød Spectro-mikroskopi (FTIR) har blitt mye utnyttet som en etikett-fri og ikke-invasiv tenkelig teknikk å gi detaljerte kjemiske informasjon av et utvalg. Dette gjør det mulig utvinning av biokjemiske informasjon å studere kjemi av biologiske prøver, med et minimum av forberedelse siden absorpsjon spekteret av prøven bærer iboende fingeravtrykk av dens kjemiske sammensetning1 , 2. nylig FTIR har blitt stadig mer brukt til studiet av live biologiske prøver, f.eks, celler3. Vann, som er medium for levende celler i de fleste tilfeller, viser imidlertid en sterk absorbansen i regionen midt-IR. Som et tynt lag, kan sin tilstedeværelse helt overvelde viktig strukturelle informasjon av de.
I mange år, var den felles tilnærmingen fikse eller tørking prøver å helt ekskludere vann absorpsjon signalet i spekteret. Men tillater denne tilnærmingen ikke sanntid målene på levende celler, noe som er viktig å studere endring av deres kjemiske sammensetning og cellulære prosesser med tiden. En måte å få pålitelig absorpsjon spectra fra live biologiske prøver, er å begrense hvor totale optiske banen i medium IR strålen til mindre enn 10 µm4.
En veletablert tilnærming i levende celle eksperimenter har vært så langt, dempes totale refleksjon (ATR)-FTIR imaging, som gjør mål uavhengig av eksempel tykkelsen, slik at cellene skal opprettholdes i et tykkere lag av vandig medium. Imidlertid begrenser liten dybden for inntrengning av flyktige bølgen målinger av prøver til bare de første par mikron fra overflaten av ATR krystall5.
Eventuelt vann absorpsjon begrensning har blitt omgått med fremveksten av ulike microfluidic systemer, som er vanligvis delt inn i to store grupper: åpne kanal (der en av væske overflater er utsatt til atmosfæren) og lukket kanal (der to IR-gjennomsiktige vinduer er atskilt med et mellomrom med en definert tykkelse).
Loutherback et al. utviklet en åpen kanal membran enhet som gjør at lang sikt kontinuerlig IR målinger av levende celler for opptil 7 dager6. Metoden krever høy luftfuktighet i miljøet å hindre fordampning av mediet celleoverflaten. Systemet fungerer best med celler som naturlig vokser i luft-flytende grensesnitt, for eksempel epithelial vev av huden, lungene, og øynene eller mikrobiell biofilm7.
En lukket-channel konfigurasjon mål å lage et ensartet, tynne lag mellom to parallelle IR-gjennomsiktige vinduer, der celler vedlikeholdes i deres vandige media. Tykkelsen på denne hulrom er slik at vann absorpsjon signalet er under metning. Vann bakgrunn kan deretter trekkes for å få til riktig utvalg spectra. De fleste lukket kanal metodene bruker en plast spacer skille de to vinduene for å danne en demonterbare flytende kammer3,8,9. En fordel med denne metoden er at det ikke krever microfabrication; men er strukturer som er mer komplisert enn en måling kammer med in – og post-ut – let kanaler ekstremt vanskelig å realisere i tynne mellomlegget. Det er også et problem med reproduserbarhet på banen lengde mellom IR målinger på grunn av sin avhengighet av mekanisk clamping. For å oppnå en mer nøyaktig kontroll over avstanden for et mer pålitelig spektrum oppkjøp, er optisk litografi metoder gjennomført til mønster photoresist på IR underlaget å definere spacer9,10 , 11 , 12. selv om dette gjør det mulig for mer komplekse strukturer defineres i mellomlegget, metoden krever tilgang til en microfabrication å produsere mønster på hver substrat.
I dette papiret presenterer vi en enkel fabrikasjon teknikk en IR-kompatibel microfluidic enhet, med sikte på å redusere fabrikasjon koste og kravet om tilgang til et microfabrication anlegg. Metoden som presenteres her (se figur 1) bruker en fastsatt prossess kjent som myk litografi. To formene er nødvendig i dette tilfellet. Primære mold er laget av en 4-tommers silisium wafer bruker en standard UV litografi. Sekundær mold er sin kopi av PDMS, som har en motsatt polaritet av mønsteret i silisium primære mold og fungerer som master mold påfølgende enhet fabrikasjon.
Enheten har to separate lag: det første laget med microfluidic oppsett (som i presentert tilfelle består av mikrovæskekanalen, i-la/ut-la og en observasjon kammer med en CaF2 viewport), og et ekstra lag med et flatt underlag ( som består av bare en CaF2 viewport).
Her brukes en UV-helbredelig optisk selvklebende, Norland optisk lim 73 (NOA73, forkortet til NOA heretter), til plast hoveddelen av enheten. Det er flere fordeler med å bruke denne optiske lim: lav fabrikasjon kostnader, enkel tilkobling til eksterne systemer, god optisk åpenhet, lav viskositet og viktigst, biocompatibility13. CaF2 er et passende valg som viewport pga biocompatibility og utmerket IR-åpenhet14.
Med denne nye tilnærmingen er tilgang til en microfabrication strengt nødvendig for fabrikasjon av primære mold. Etterfølgende metallbearbeiding prosesser for plast microfluidic enheten kan utføres i et laboratorium utstyrt med en UV-belysning.
Protocol
Representative Results
Discussion
For å vurdere og optimalisere fabrikasjon protokollen, vi brukte en enkel layout på microfluidic mønsteret med en stor rektangulær kammer (5 x 2,5 mm størrelse) i sentrum, to små rektangulære kamre (5,5 x 0.75 mm størrelse) atskilt fra hoved kretsen på den øvre og nedre sider, og 300 µm bredt i-La/post-ut-let kanaler. Den sentrale kammeret brukes for det seeding og observasjon av celler, mens atskilt mindre kinesere brukes til å måle bakgrunnen air under FTIR eksperimenter som en referanse kammer, som omtalt…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Forfatterne erkjenner takknemlig MBI økonomisk støtte.
Materials
| Chemical | |||
| Trichloro(1H,1H,2H,2H-perfluorooctyl)silane 97% | Sigma Aldrich | 448931-10G | |
| Sylgard 184 Silicone Elastomer Kit | Dow Corning | Polydimethylsiloxane or in short, PDMS | |
| Norland Optical Adhesive 73 | Norland Products Inc. | 7304 | |
| SU8 3010 photoresist | MicroChem | Y311060 | |
| SU8 developer | MicroChem | Y020100 | |
| Material | |||
| Silicon wafer, 4 inch, prime grade | Bonda Technology Pte Ltd | ||
| CaF2 IR-grade windows | Crystran, UK | CAFP10-1 | 10 mm diameter, 1 mm thickness |
| Acrylic templates | Custom made | ||
| Equipment | |||
| UV-KUB 2 (UV LED exposure system) | KLOE | Emission spectrum 365nm ± 5nm | |
| Newport UV lamp | Newport | Model 66902 | 50-500 Watt Hg arc lamp |
| CEE Spin coater | Brewer Science | Model 200x | |
| MJB4 mask aligner | SUSS MicroTec | ||
| Precision digital hot plate | Harry Gestigkeit GmbH | 2860SR | |
| Plasma Surface Technology | Diener Electronic GmbH + Co. KG | For O2 plasma treatment | |
| IDP-3 Dry Scroll Vacuum Pump | Agilent Technologies | ultimate pressure 3.3 x 10-1 mbar | |
| Bruker IFS 66v/s FTIR Spectrometer | Bruker |
Referências
- Holman, H. -. Y. N., et al. Synchrotron infrared spectromicroscopy as a novel bioanalytical microprobe for individual living cells: cytotoxicity considerations. BIOMEDO. 7 (3), 417-424 (2002).
- Liu, K. Z., Xu, M., Scott, D. A. Biomolecular characterisation of leucocytes by infrared spectroscopy. Br J Haematol. 136 (5), 713-722 (2007).
- Moss, D. A., Keese, M., Pepperkok, R. IR microspectroscopy of live cells. Vibrational Spectroscopy. 38 (1-2), 185-191 (2005).
- Rahmelow, K., Hubner, W. Infrared Spectroscopy in Aqueous Solution: Difficulties and Accuracy of Water Subtraction. Appl Spectrosc. 51 (2), 160-170 (1997).
- Kazarian, S. G., Chan, K. L. ATR-FTIR spectroscopic imaging: recent advances and applications to biological systems. Analyst. 138 (7), 1940-1951 (2013).
- Loutherback, K., Chen, L., Holman, H. Y. Open-channel microfluidic membrane device for long-term FT-IR spectromicroscopy of live adherent cells. Anal Chem. 87 (9), 4601-4606 (2015).
- Loutherback, K., Birarda, G., Chen, L., Holman, H. -. Y. Microfluidic approaches to synchrotron radiation-based Fourier transform infrared (SR-FTIR) spectral microscopy of living biosystems. Protein Pept Lett. 23 (3), 273-282 (2016).
- Dousseau, F., Therrien, M., Pézolet, M. On the Spectral Subtraction of Water from the FT-IR Spectra of Aqueous Solutions of Proteins. Appl Spectrosc. 43 (3), 538-542 (1989).
- Tobin, M. J., et al. FTIR spectroscopy of single live cells in aqueous media by synchrotron IR microscopy using microfabricated sample holders. Vibrational Spectroscopy. 53 (1), 34-38 (2010).
- Birarda, G., et al. Infrared microspectroscopy of biochemical response of living cells in microfabricated devices. Vibrational Spectroscopy. 53 (1), 6-11 (2010).
- Vaccari, L., Birarda, G., Businaro, L., Pacor, S., Grenci, G. Infrared microspectroscopy of live cells in microfluidic devices (MD-IRMS): toward a powerful label-free cell-based assay. Anal Chem. 84 (11), 4768-4775 (2012).
- Mitri, E., et al. SU-8 bonding protocol for the fabrication of microfluidic devices dedicated to FTIR microspectroscopy of live cells. Lab Chip. 14 (1), 210-218 (2014).
- Birarda, G., et al. IR-Live: fabrication of a low-cost plastic microfluidic device for infrared spectromicroscopy of living cells. Lab Chip. 16 (9), 1644-1651 (2016).
- Wehbe, K., Filik, J., Frogley, M. D., Cinque, G. The effect of optical substrates on micro-FTIR analysis of single mammalian cells. Anal Bioanal Chem. 405 (4), 1311-1324 (2013).
- Helmut, S., et al. Controlled co-evaporation of silanes for nanoimprint stamps. Nanotechnology. 16 (5), 171 (2005).
- Loewen, E. G., Popov, E. . Diffraction Gratings and Applications. , (1997).
- . Technical Note: Optical Materials Available from: https://www.newport.com/n/optical-materials (2017)
- Cai, D., Neyer, A., Kuckuk, R., Heise, H. M. Raman, mid-infrared, near-infrared and ultraviolet-visible spectroscopy of PDMS silicone rubber for characterization of polymer optical waveguide materials. J Mol Struc. 976 (1-3), 274-281 (2010).
