连续湿法刻蚀法制作不同几何断面烷微流控通道的一步法
Summary
对烷微流控器件中嵌入的非矩形截面通道的制作, 有几种方法可供选择。其中大部分涉及多步骤制造和广泛的对准。本文介绍了用烷连续湿法刻蚀法制作不同几何剖面微流控通道的一步法。
Abstract
烷的材料被大量利用来制造微流控器件, 采用软光刻复制的成型技术。在许多生物医学和化学应用 (如细胞培养、生物传感、化学合成和液体处理) 中, 对微流控器件的特定功能和综合性能而言, 定制的渠道布局设计是必要的。由于采用了以光刻为主模的光刻胶层的硅晶片的成型方法的性质, 微流控通道通常具有相同高度的矩形形状的正截面。通常, 具有多个高度或不同几何截面的通道设计为具有特定功能, 并可在各种微流控应用程序中执行 (例如, hydrophoresis 用于对粒子进行排序, 并在连续流中用于分离血细胞6,7,8,9)。因此, 通过多步骤的方法, 如光刻, 采用不同的光刻胶层和组合, 在各断面的施工渠道进行了大量的努力。然而, 这种多步骤方法通常涉及繁琐的程序和广泛的工具。此外, 捏造的设备可能不会持续执行, 结果实验数据可能是不可预知的。在这里, 为直接制造不同几何横截面的微流控通道提供了一步法, 该方法将蚀刻引入计划的单层布局通道中。嵌入式材料。与现有的不同几何形状的微流控流体通道制造方法相比, 所研制的一步法可显著简化非矩形截面或不同高度的通道制作过程。因此, 该技术是构造复杂微流控通道的一种方法, 为创新微流控系统的发展提供了一种制造方案。
Introduction
微流控技术在过去的几十年中引起了人们的注意, 因为它们在各种生物医学和化学研究和应用中具有内在的优势。目前有几种用于构造微流控芯片的材料使用方法, 如聚合物、陶瓷和硅材料。根据我们的知识, 在微流控材料中, 由于其对各种微流体的研究和应用, 包括其光学和生物兼容性与粒子, 因此, 它是最常见的一种材料。液体和非常小活有机体1,2,3,4,5。此外, 通过应用这种聚合物基微流控器件 10, 可调整其表面化学和结构力学性能, 以促进 microelectromechanical 和 mechanobiological 研究, 11,12。对于采用设计的通道模式制造微流控器件, 通常采用软光刻复制模塑方法, 利用其相应的主模具来创建微流控通道, 其组成为光刻图案光刻胶层和硅片基板12。由于采用了带有图案光刻胶层的硅片的成型方法的性质, 微流控通道通常具有相同高度的矩形形状的正截面。
最近, 研究人员在生物医学研究方面取得了重大进展, 例如, 利用 hydrophoresis、分离血浆和丰富白细胞的途径对微粒和细胞进行分类, 并将微流控芯片应用于不同的高度或几何部分6,7,8,9。通过自定义不同几何剖面的通道, 实现了生物医学应用中微流体的分类和分离功能。通过制作具有不同高度或非矩形截面的特殊表面模式的主模具, 对具有各几何特征截面的微流控通道进行了若干研究。这些关于模具制造的研究包括多步光刻、光刻胶回流和灰阶光刻13、14、15等技术。不可避免的是, 现有的技术包括精心制作的光掩膜或在多步制造过程中的精确对准, 这可能大大提高了相应制造微流控通道的复杂性水平。到目前为止, 对不同断面微流控通道的单步法制造工艺进行了几次尝试, 但各自的技术高度限制在16通道的特定横断面形状上。
在过去的两年中, 除了用不同的截面制造新的微流控流体通道的成型方法外, 采用几何特征的模式的蚀刻技术已成为各种选择的制造方式。微流控应用程序。例如, 微流体的湿法蚀刻是利用多层的聚硅烷键合来构建一种具有重组器官级肺功能的气动驱动细胞培养装置的17。采用 microwells 的湿法蚀刻技术, 利用计算机辅助控制系统加工制造3D 敷微针阵列18的外圆管, 对其进行了制备。在微机电致动器19、20中, 采用了聚硅烷干法蚀刻, 使其作为微观结构的组成部分。通过21的干法蚀刻工艺, 设计出孔隙布局的多孔型聚合物膜。湿式和干法蚀刻技术都可以集成到图案为22的几何形状。
然而, 由于其在微流控加工中的固有局限性, 形成复杂断面形状的聚硅烷通道结构的蚀刻技术还没有得到普遍应用。首先, 在建立不同断面微流控流体通道的化学物质层流法的基础上, 对其湿蚀刻技术进行了研究, 但由于其基本特征, 后续通道段的形成仍受到限制。各向同性化学蚀刻工艺23。此外, 虽然似乎有合理的空间, 以控制通道剖面几何在微流体制造使用了20, 所需的蚀刻时间通常是太长 (在小时)生产微流控芯片的实用。此外, 该材料与相应的屏蔽光刻胶层之间的蚀刻选择性一般都很低, 因此, 这些通道的蚀刻深度是不可接受的20。
本文提出了一种单步法制备不同几何横截面微流控通道的方法 (以下简称舒瑞普)。舒瑞普从单层通道的微流控芯片开始。通过对各种通道的布局设计, 通过顺序蚀刻工艺, 制作出不同几何截面的微流控通道。顺序蚀刻只需要一个蚀刻, 被引入到计划的单层布局的具体渠道嵌入在该材料。与传统的舒瑞普制造工艺相比, 该方法只需要一个进一步的步骤来制造非矩形截面或不同高度的微流控通道。所提出的舒瑞普提供了一个简单而简便的方法, 制造微流控通道的各个部分沿流动方向, 这可以大大简化上述方法的过程。
Protocol
Representative Results
Discussion
在过去的几十年中, 微流体为化学和生物医学研究的实验平台提供了有希望的手段, 可以系统地构建1、2、3、4、 5。这些平台还展示了他们的能力, 通过体外细胞研究6,7,在生理微环境条件下研究体内的几种细胞…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
作者感谢台湾国家卫生研究院 (IRG) (EX106-10523EI)、台湾省科技部 (最 104-2218-032-004、104-2221) 在台湾提供的支持。E-001-015-MY3, 105-2221-001-002-MY2, 105-2221-032-006, 106-2221-032-018-MY2), 和研究院职业发展奖。作者感谢恒华许校对稿件。
Materials
| 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 |
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