Mehrstufige Höhenverstellbarem Lithografie für Valved Mehrschichtige Mikrofluidiksysteme

Summary

Multilayer microfluidic devices often involve the fabrication of master molds with complex geometries for functionality. This article presents a complete protocol for multi-step photolithography with valves and variable height features tunable to any application. As a demonstration, we fabricate a microfluidic droplet generator capable of producing hydrogel beads.

Abstract

Microfluidic systems have enabled powerful new approaches to high-throughput biochemical and biological analysis. However, there remains a barrier to entry for non-specialists who would benefit greatly from the ability to develop their own microfluidic devices to address research questions. Particularly lacking has been the open dissemination of protocols related to photolithography, a key step in the development of a replica mold for the manufacture of polydimethylsiloxane (PDMS) devices. While the fabrication of single height silicon masters has been explored extensively in literature, fabrication steps for more complicated photolithography features necessary for many interesting device functionalities (such as feature rounding to make valve structures, multi-height single-mold patterning, or high aspect ratio definition) are often not explicitly outlined.

Here, we provide a complete protocol for making multilayer microfluidic devices with valves and complex multi-height geometries, tunable for any application. These fabrication procedures are presented in the context of a microfluidic hydrogel bead synthesizer and demonstrate the production of droplets containing polyethylene glycol (PEG diacrylate) and a photoinitiator that can be polymerized into solid beads. This protocol and accompanying discussion provide a foundation of design principles and fabrication methods that enables development of a wide variety of microfluidic devices. The details included here should allow non-specialists to design and fabricate novel devices, thereby bringing a host of recently developed technologies to their most exciting applications in biological laboratories.

Introduction

In den letzten 15 Jahren Mikrofluidik als Feld hat mit einer Explosion von neuen Technologien , die die Manipulation von Flüssigkeiten im Mikrometer – Maßstab ¹ schnelles Wachstum erlebt. Mikrofluidik – Systeme sind attraktive Plattformen für Nasslabor Funktionalität , weil die kleinen Volumina das Potential haben , eine erhöhte Geschwindigkeit und Empfindlichkeit zu realisieren , während gleichzeitig die Durchsatz dramatisch steigern und Kosten reduziert werden durch Skalen ^{2, 3} nutzen. Mehrlagige Mikrofluidik – Systeme gemacht haben besonders erhebliche Auswirkungen in Hochdurchsatz – biochemische Analyse – Anwendungen wie Einzelzellanalyse ^{4, 5, 6,} Analyse einzelner Moleküle (zB digitale PCR – ^7), Proteinkristallographie ^8, Transkriptionsfaktor – Bindungsassaysf "> ^{9, 10,} und zelluläre Screening – ^11.

Ein zentrales Ziel von Mikrofluidik – Geräte die Entwicklung von "auf einem Chip – Labor" war für die gesamte biochemische Analyse ¹² in einem einzigen Gerät komplexe fluidische Manipulationen durchführen kann. Die Entwicklung von Mehrschicht – Weich – Lithographie – Techniken hat dazu beigetragen , dieses Ziel zu erreichen , indem die Schaffung von On-Chip – Ventile ermöglichen, Mischer und Pumpen für die aktive Flüssigkeiten in kleinen Mengen ^{13, 14, 15} zu steuern. Trotz ihrer Vorteile und Anwendungen aufweist, bleiben viele dieser mikrofluidischen Technologien weitgehend ausgespannt durch Nicht-Fachmann-Nutzer. Die weit verbreitete Annahme ist teilweise aufgrund der begrenzten Zugang zu Mikrofabrikationsanlagen, aber auch durch unzureichende Kommunikation von Herstellungstechniken eine Herausforderung gewesen. Dies gilt insbesondere, for mehrschichtige mikrofluidischen Vorrichtungen mit Strukturen für Ventile oder komplexe Geometrien: der Mangel an detaillierten, praktischen Informationen über wichtige Designparameter und Herstellungstechniken oft abschreckt neue Forscher aus sie sich auf Projekte, die Gestaltung und Erstellung dieser Geräte beteiligt sind.

Dieser Artikel zielt darauf ab, diese Wissenslücke zu adressieren, indem ein komplettes Protokoll für die Herstellung von mehrschichtigen mikrofluidischen Vorrichtungen mit Ventilen und variabler Höhe Features präsentiert, ausgehend von Konstruktionsparametern und Bewegen durch alle Fertigungsschritte. Durch die Fokussierung auf den ersten Photolithographieschritte der Fertigung, ergänzt dieses Protokoll andere Mikrofluidik – Protokolle ¹⁶ , die nachfolgenden Schritte von Geräten aus den Formen beschreiben Gießen und spezifische Experimente ausgeführt wird .

Mikrofluidik-Vorrichtungen mit monolithischer on-chip Ventile bestehen aus zwei Schichten: einer "flow" Schicht, wobei die interessierende Fluid in Mikro manipuliertKanäle und eine "Kontrolle" Schicht, in der Mikrokanäle Luft oder Wasser , das wahlweise eine Fluidströmung in dem Strömungsschicht ¹⁴ modulieren können. Diese beiden Schichten werden jeweils hergestellt auf einem separaten Siliziumform Master, der anschließend für Polydimethylsiloxan (PDMS) Replik Form in einem Prozess namens verwendet wird "Softlithographie ^17." Um einen mehrschichtigen Vorrichtung zu bilden, werden jede der PDMS Schichten gegossen auf ihren jeweiligen Form Mastern und dann miteinander ausgerichtet, wodurch eine zusammengesetzte PDMS Vorrichtung mit Kanälen in jeder Schicht bildet. Ventile sind an Stellen gebildet, wo Strömungs- und Steuerkanäle einen kreuzen seitig und sind nur durch eine dünne Membran getrennt sind; Druckbeaufschlagung des Steuerkanals lenkt diese Membran den Strömungskanal und lokal verdrängt die Flüssigkeit (1) zu verschließen.

Aktive on-chip Ventile können auf verschiedene Weise hergestellt werden, abhängig von der gewünschten Endanwendung. Ventilekann entweder in einer "nach unten drücken" oder "Push – up" Geometrie konfiguriert werden, abhängig davon , ob die Steuerschicht oberhalb oder unterhalb der Strömungsschicht (Abbildung 1) ist ^15. "Push-up" Geometrien für untere Schließdrücke und höhere Stabilität der Vorrichtung gegen Delamination erlauben, während "nach unten drücken" Geometrien ermöglichen die Strömungskanäle in direktem Kontakt mit dem gebundenen Substrat zu sein, den Vorteil, selektive Funktionalisierung oder Strukturierung der Substratoberfläche zu verleihen für die spätere Funktionalität ^{18, 19.}

Die Ventile können auch entweder absichtlich undicht "Sieb" Ventile oder vollständig verschließbar sein, abhängig von der Querschnittsprofil des Strömungskanals. Sieve Ventile sind nützlich für die Perlen, Zellen oder andere macroanalytes Trapping ^1, und über die Verwendung von typischen negativen Photolacke hergestellt (dh SU-8 – Serie), die have Rechteckprofile. Wenn ein Steuerkanal über diese Ventilbereiche unter Druck gesetzt wird, lenkt der PDMS – Membran zwischen der Kontroll- und Strömungsschicht isotrop in das Rechteckprofil des Ventils , ohne die Ecken Dichtungsfluidströmung zulässt , aber Makro Kalkpartikel Trapping (Abbildung 1). Im Gegensatz dazu vollständig verschließbaren mikrofluidische Ventile werden, indem ein kleines Stück abgerundet Photoresist an Ventilplätzen hergestellt. Mit dieser Geometrie Druckbeaufschlagung des Steuerkanals lenkt die Membran gegen die gerundete Strömungsschicht vollständig um den Kanal abzudichten, Anhalten Fluidströmung. Abgerundete Profile in der Strömungsschicht über das Schmelzen und Reflow von positiven Photoresist (zB AZ50 XT oder SPR 220) nach typischen Photolithographieschritte erzeugt. Wir haben bereits gezeigt , dass die Post-Reflow Höhen der Ventilbereiche ist abhängig vom gewählten Merkmalabmessungen ^21. Dieses Protokoll zeigt die Herstellung beider Ventilgeometrien mitin einer Perlmühle Synthesevorrichtung.

Abbildung 1: Mehrschichtige Mikroventil Geometries. Typische "Push-up" Gerätearchitekturen für Sieb und vollständig verschließbaren Ventilen vor (oben) und nach (unten) unter Druck. Bitte klicken Sie hier , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

Die Geräte können auch komplexe passive Funktionen wie chaotischen Mischern ¹³ und On-Chip – Widerstände ²⁰ , die innerhalb einer Strömungsschicht Merkmale von mehreren unterschiedlichen Höhen erfordern. Um das zu erreichen haben eine variable Höhe Strömungsschicht, verschiedene Gruppen , darunter viele Verfahren eingesetzt Leiterplatte Ätzen ^22, mehrschichtige PDMS Relief Ausrichtung ²³ oder mehrstufiges photolithography ^24. Unsere Gruppe hat mehrstufigen Photolithographie auf einem einzigen Form Master gefunden ein effektives und reproduzierbares Verfahren zu sein. Um dies zu tun, eine einfache Photolithographietechnik zu bauen dicke Kanäle negativer Photoresist (zB SU-8 – Serie Photolacke) in Schichten ohne Entwicklung zwischen dem Aufbringen jeder Schicht verwendet. Jede Schicht wird in negativer Photoresist gemäß seiner Dicke mit den Anweisungen des Herstellers ²⁵ auf dem Silizium – Master gesponnen. Merkmale dieser Höhe werden dann auf die Schicht strukturiert , um eine bestimmte Transparenzmaske (Abbildung 2) befestigt unter Verwendung von auf eine Glasmaskenplatte und auf die zuvor gesponnenen Schicht vor der Belichtung ausgerichtet sind . In mehreren Schritten Photolithographie ist eine präzise Ausrichtung zwischen den Schichten kritisch an, um einen vollständigen variablen Höhe Strömungskanal bildet. Nach der Ausrichtung wird jede Schicht in einer Dicke abhängige post-exposure bake unterzogen. Ohne Entwicklung ist die nächste Schicht simlich wie strukturiert. Auf diese Weise können hohe Funktionen auf einem einzelnen Strömungs Wafer Schicht-für-Schicht durch die Verwendung von mehreren Masken aufgebaut werden. Durch Überspringen Entwicklung zwischen jedem Schritt können vorherigen Photoresistschichten verwendet werden , zusammengesetzte Höhenmerkmale zu erzeugen , ²⁴ (dh zwei Schichten 25 um eine 50 & mgr; m – Funktion zu machen). Zusätzlich Kanalboden Features wie chaotisch Mischer Fischgrät – Nuten ¹³ können unter Verwendung von Schichten mit zuvor belichteten Funktionen vorgenommen werden. Eine letzte Entwicklungsschritt schließt den Prozess, einen Einstrom Wafer mit Merkmalen von variabler Höhe (Abbildung 3) zu schaffen.

Hier wird ein komplettes Protokoll für mehrstufige Photolithographie, die Beispiele aller erforderlichen Verfahren zur Herstellung On-Chip-Ventile und Strömungskanäle mit mehreren Höhen enthält, wird zur Verfügung gestellt. Dieses Herstellungsprotokoll wird in Zusammenhang mit einer Mehrschicht-Mikrofluidik-bead-Synthesizers vorgelegt, die Ventile und variab erfordertle-Höhe bietet für seine Funktionalität. Diese Vorrichtung umfasst T-Junctions in einem Ölmantel Wassertröpfchen zu erzeugen, On-Chip-Widerständen Strömungsraten durch Steuerung Poiseuille Widerstand, ein chaotisches Mischer zum Homogenisieren Tröpfchen Komponenten und beide dicht abschließende und Sieb Ventile automatisierte Abläufe zu ermöglichen, zu modulieren mehrere Reagenz Einbeziehung Eingänge. Verwendung mehrstufiger photolithographischen werden diese Merkmale jeweils hergestellt auf einer anderen Schicht gemäß Höhe oder Photoresist; die folgenden Schichten sind in diesem Protokoll aufgebaut: (1) Durchflussrundventilschicht (55 & mgr; m, AZ50 XT) (2) Durchfluss Low-Schicht (55 & mgr; m, SU-8 2050) (3) Durchflusshoch Schicht (85 & mgr; m, SU- 8 2025 30 um additive Höhe) und (4) mit Fischgrätmuster Grooves (125 & mgr; m, SU-8 2025 40 um additive Höhe) (Abbildung 3).

Hydrogelperlen können für eine Vielzahl von Anwendungen, einschließlich selektive Oberflächenfunktionalisierung für Downstream-Assays, Wirkstoffverkapselung verwendet werden, radiotracing und Imaging-Assays und Zell Inkorporation; Bislang hatten wir eine komplexere Version dieser Geräte spektral codierten PEG Hydrogelperlen Nanoleuchtstoffen enthält , Lanthanid – ²⁰ herzustellen. Die Entwürfe hier diskutiert werden Zusätzliche Ressourcen enthalten für jedes Labor in ihre Forschungsanstrengungen zu verwenden, falls gewünscht. Wir gehen davon aus, dass dieses Protokoll wird eine offene Ressource für Spezialisten und Nicht-Fachleute gleichermaßen daran interessiert, Mehrlagige Mikrofluidik-Geräte mit Ventilen oder komplexen Geometrien stellen die Barriere für den Eintritt in die Mikrofluidik zu senken und die Chancen der Fertigung Erfolg erhöhen.

Protocol

1. Multi-Layer-Gerätedesign HINWEIS: Eigenschaften verschiedener Höhen und / oder Photoresists sequentiell auf dem Wafer während verschiedener Herstellungsschritte hinzugefügt werden müssen endgültigen Verbund Funktionen zu erstellen. Daher Designs für jede einzelne Höhe und Photoresist aufgenommen werden auf einem Wafer auf ihre eigene Maske (Abbildung 4) gedruckt werden müssen. Laden Sie ein computergestütztes Design (CAD) Ausarbeitung Programm (zB…

Representative Results

Hier zeigen wir die Herstellung von mit Ventil versehenen, variable Höhe mehrschichtigen mikrofluidischen Formen durch Vorrichtungen, die Erzeugung von Poly ethylenglykol (PEG) Hydrogelperlen aus Tröpfchen Herstellung (Abbildung 2). Eine Übersicht über das komplette Herstellungsprozess in Abbildung enthalten ist 3. Design unter Verwendung von Elementen aus früheren Arbeiten beschäftigt die Perle Synthesizer 4 Hö…

Discussion

Diese Arbeit zeigt eine komplette mehrstufigen photolithographischen Protokoll für eine mehrschichtige Mikrofluidik – Vorrichtung mit Ventilen und variabler Höhe Geometrie , die für jede Anwendung mit einfachen Änderungen an Fertigungsparameter auf der Basis unserer Online – Tool ²⁶ und die Anweisungen des Herstellers ²⁵ abgestimmt werden kann. Dieses Protokoll soll mikrofluidischen Geräte über einfache, passive Schichtformen zu konstruieren wollen, mehrschichtige Ph…

Materials

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 um OD, 125 um ID	Zeus	Custom	360 um PEEK is readily available by Idex (catalog number: 1571)
Cyro 4 mL tube	Greiner Bio-One	127279
Epoxy, 30-minute	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.