Valved बहुपरत microfluidic उपकरणों के लिए बहु-कदम चर ऊंचाई Photolithography
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
पिछले 15 वर्षों के लिए, एक क्षेत्र के रूप में microfluidics माइक्रोमीटर पैमाने पर 1 तरल पदार्थ के हेरफेर को सक्षम करने के लिए नई प्रौद्योगिकियों के एक विस्फोट के साथ, तेजी से विकास हुआ है। सिस्टम microfluidic गीला प्रयोगशाला कार्यक्षमता के लिए आकर्षक प्लेटफार्मों रहे हैं क्योंकि छोटे संस्करणों संभावित वृद्धि की गति और संवेदनशीलता का एहसास करने के लिए है, जबकि एक ही समय में नाटकीय रूप से throughput बढ़ाने और बड़े पैमाने 2, 3 की अर्थव्यवस्थाओं के लाभ से लागत को कम करने। बहुपरत सिस्टम microfluidic ऐसे एकल कोशिका विश्लेषण 4, 5, 6, एक अणु विश्लेषण (जैसे, डिजिटल पीसीआर 7), प्रोटीन क्रि 8, प्रतिलेखन कारक बाध्यकारी assays के रूप में उच्च throughput जैव रासायनिक विश्लेषण अनुप्रयोगों में विशेष रूप से महत्वपूर्ण प्रभाव बना दिया हैएफ "> 9, 10, और सेलुलर स्क्रीनिंग 11।
Microfluidics का केंद्रीय लक्ष्य कुल जैव रासायनिक विश्लेषण 12 के लिए एक ही उपकरण के भीतर जटिल fluidic जोड़तोड़ प्रदर्शन करने में सक्षम उपकरणों "एक चिप पर लैब" का विकास किया गया है। बहु परत नरम लिथोग्राफी तकनीकों के विकास में मदद की है पर चिप वाल्व, मिक्सर के सृजन को सक्षम करने से इस लक्ष्य को एहसास है, और सक्रिय रूप से छोटी मात्रा 13, 14, 15 के भीतर तरल पदार्थ को नियंत्रित करने के लिए पंप। अपने फायदे और प्रदर्शन अनुप्रयोगों के बावजूद, इन microfluidic प्रौद्योगिकियों के कई बड़े पैमाने पर गैर-विशेषज्ञ उपयोगकर्ताओं द्वारा unharnessed रहते हैं। व्यापक अपनाने microfabrication सुविधाओं के लिए सीमित पहुंच के कारण भाग में चुनौतीपूर्ण हो गया है, लेकिन यह भी निर्माण तकनीक की अपर्याप्त संचार के कारण है। इस के लिए विशेष रूप से सच हैआर बहुपरत microfluidic वाल्व या जटिल geometries के लिए संरचनाओं की विशेषता उपकरणों: महत्वपूर्ण डिजाइन मानकों और निर्माण तकनीक के बारे में विस्तृत, व्यावहारिक जानकारी की कमी अक्सर डिजाइन और इन उपकरणों के निर्माण के संबंधित परियोजनाओं पर तैयार की नई शोधकर्ताओं deters।
यह लेख, वाल्व और चर ऊंचाई सुविधाओं के साथ बहुपरत microfluidic उपकरणों बनाने डिजाइन मानकों से शुरू करने और सभी निर्माण कदम के माध्यम से जाने के लिए एक पूरा प्रोटोकॉल पेश करके इस ज्ञान की खाई को संबोधित करने के लिए करना है। निर्माण के प्रारंभिक photolithography कदम पर ध्यान केंद्रित करके, इस प्रोटोकॉल अन्य microfluidics प्रोटोकॉल 16 कि नए नए साँचे से उपकरणों कास्टिंग और विशिष्ट प्रयोगों चलाने का नीचे की ओर कदम का वर्णन पूरक।
अखंड पर चिप वाल्व के साथ microfluidic उपकरणों दो परतों से बना रहे हैं: एक "प्रवाह" परत है, जहां ब्याज की तरल पदार्थ सूक्ष्म में हेरफेर किया गया हैचैनल, और एक "नियंत्रण" परत है, जहां हवा या पानी युक्त microchannels चुनिंदा प्रवाह परत 14 में द्रव का प्रवाह मिलाना कर सकते हैं। इन दो परतों प्रत्येक एक अलग सिलिकॉन मोल्डिंग मास्टर, जो बाद में एक प्रक्रिया बुलाया में polydimethylsiloxane (PDMS) प्रतिकृति ढलाई के लिए प्रयोग किया जाता है पर निर्मित कर रहे हैं "नरम लिथोग्राफी 17।" एक multilayer डिवाइस के लिए फार्म, PDMS परतों में से प्रत्येक उनके संबंधित मोल्डिंग आकाओं पर डाल रहे हैं और फिर एक दूसरे के लिए गठबंधन किया है, जिससे प्रत्येक परत में चैनल के साथ एक समग्र PDMS डिवाइस के गठन। वाल्व स्थानों जहां प्रवाह और नियंत्रण चैनलों को एक दूसरे के पार और केवल एक पतली झिल्ली से अलग हो रहे हैं पर बनते हैं; नियंत्रण चैनल का दबाव प्रवाह चैनल रोक देना इस झिल्ली विक्षेपित और स्थानीय स्तर पर तरल पदार्थ (चित्रा 1) विस्थापित।
एक्टिव पर चिप वाल्व, कई मायनों में गढ़े जा सकता वांछित अंतिम आवेदन के आधार पर। वाल्वमें या तो एक "नीचे धक्का" या "धक्का" ज्यामिति विन्यस्त किया जा सकता है, पर कि क्या नियंत्रण परत के ऊपर या प्रवाह परत के नीचे (चित्रा 1) 15 है निर्भर करता है। "पुश" geometries कम समापन दबावों और delamination के खिलाफ उच्च डिवाइस स्थिरता के लिए अनुमति देते हैं, जबकि "नीचे धक्का" geometries प्रवाह चैनलों बंधुआ सब्सट्रेट के साथ सीधे संपर्क में होने के लिए अनुमति देते हैं, चयनात्मक functionalization या सब्सट्रेट सतह की patterning का लाभ प्रदान बाद में कार्यक्षमता 18, 19 के लिए।
वाल्व भी प्रवाह चैनल के पार के अनुभागीय प्रोफाइल पर निर्भर करता है, या तो जानबूझकर टपकाया "चलनी" वाल्व या पूरी तरह से sealable हो सकता है। चलनी वाल्व मोती, कोशिकाओं या अन्य macroanalytes 1 फँसाने के लिए उपयोगी होते हैं, और ठेठ नकारात्मक photoresists (यानी, SU-8 श्रृंखला), जो हा के उपयोग के माध्यम से निर्मित कर रहे हैंआयताकार प्रोफाइल किया है। एक नियंत्रण चैनल इन वाल्व क्षेत्रों पर दबाव डाला जाता है, नियंत्रण और प्रवाह परत के बीच PDMS झिल्ली, कोनों सील द्रव का प्रवाह की अनुमति देने लेकिन चित्रा (1) मैक्रो पैमाने कणों को फँसाने के बिना वाल्व का आयताकार प्रोफ़ाइल में isotropically विक्षेपित। इसके विपरीत, पूरी तरह से sealable microfluidic वाल्व वाल्व स्थानों पर गोल photoresist के एक छोटे पैच सहित द्वारा गढ़े हैं। इस ज्यामिति के साथ, नियंत्रण चैनल का दबाव पूरी तरह से सील करने के लिए चैनल, द्रव का प्रवाह रोकने गोल प्रवाह परत के खिलाफ झिल्ली विक्षेपित। प्रवाह परत में गोल प्रोफाइल पिघलने और सकारात्मक photoresist (जैसे, AZ50 एक्सटी या एसपीआर 220) की reflow ठेठ photolithography कदम के बाद के माध्यम से उत्पन्न कर रहे हैं। हम पहले से दिखा दिया है कि वाल्व क्षेत्रों के पद-reflow ऊंचाइयों चुना सुविधा आयाम 21 पर निर्भर करते हैं। इस प्रोटोकॉल के साथ दोनों वाल्व geometries के निर्माण को दर्शाता हैएक मनका संश्लेषण डिवाइस में।
चित्रा 1: बहुपरत Microfluidic वाल्व Geometries। ठेठ चलनी के लिए डिवाइस आर्किटेक्चर और पहले (ऊपर) और बाद (नीचे) के दबाव पूरी तरह से sealable वाल्व "धक्का"। यह आंकड़ा का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।
उपकरणों को भी ऐसे अराजक मिक्सर 13 प्रतिरोधों 20 है कि एक ही प्रवाह परत के भीतर कई अलग ऊंचाइयों की सुविधाओं की आवश्यकता के रूप में और पर चिप जटिल निष्क्रिय विशेषताओं में शामिल कर सकते हैं। एक चर ऊंचाई प्रवाह परत को प्राप्त करने के लिए, अलग-अलग समूहों में मुद्रित सर्किट बोर्ड नक़्क़ाशी 22, बहुपरत PDMS राहत संरेखण 23, या बहु कदम पी सहित कई तरीकों कार्यरत हैhotolithography 24। हमारे समूह के लिए एक एकल मोल्डिंग मास्टर पर बहु कदम photolithography पाया गया है एक प्रभावी और प्रतिलिपि प्रस्तुत करने योग्य तरीका हो। ऐसा करने के लिए, प्रत्येक परत के आवेदन के बीच में विकास के बिना परतों में नकारात्मक photoresist (जैसे, SU-8 श्रृंखला photoresists) की मोटी चैनलों के निर्माण के लिए एक सरल तकनीक photolithography कार्यरत है। प्रत्येक परत सिलिकॉन मास्टर पर इसकी मोटाई का उपयोग कर निर्माता के निर्देशों के अनुसार 25 नकारात्मक photoresist में घूमती है। इस ऊंचाई की विशेषताएं तो परत एक विशिष्ट पारदर्शिता मुखौटा (चित्रा 2) एक गिलास मुखौटा प्लेट से चिपका और जोखिम से पहले पहले से काता परत के लिए गठबंधन का उपयोग करने पर नमूनों हैं। बहु कदम photolithography में, परतों के बीच सटीक संरेखण एक पूरा चर ऊंचाई प्रवाह चैनल के गठन में महत्वपूर्ण है। संरेखण के बाद, प्रत्येक परत की मोटाई पर निर्भर बाद जोखिम सेंकना के अधीन है। विकास के बिना, अगले परत सिम हैilarly नमूनों। इस रास्ते में, लंबा सुविधाओं तक एक भी प्रवाह वेफर पर परत दर परत कई मुखौटे के उपयोग के माध्यम से बनाया जा सकता है। प्रत्येक चरण के बीच विकास लंघन करके, पिछले photoresist परतों समग्र ऊंचाई सुविधाओं उत्पन्न करने के लिए 24 (यानी, दो 25 माइक्रोन परतें एक 50 माइक्रोन सुविधा कर सकते हैं) का इस्तेमाल किया जा सकता है। इसके अतिरिक्त, ऐसे अराजक मिक्सर herringbone खांचे के रूप में 13 चैनल मंजिल सुविधाओं को पहले से अवगत कराया सुविधाओं के साथ परतों का उपयोग किया जा सकता है। एक अंतिम कदम विकास की प्रक्रिया पूरी होती है, चर ऊंचाई (चित्रा 3) की सुविधाओं के साथ एक एकल प्रवाह वेफर बनाने।
इधर, उस पर चिप वाल्व और कई ऊंचाइयों के साथ प्रवाह चैनलों के निर्माण के लिए आवश्यक सभी प्रक्रियाओं के उदाहरण भी शामिल है बहु कदम फोटोलिथोग्राफी के लिए एक पूर्ण प्रोटोकॉल प्रदान की जाती है। इस निर्माण प्रोटोकॉल एक बहु परत microfluidic मनका सिंथेसाइज़र कि वाल्व और variab की आवश्यकता के संदर्भ में प्रस्तुत किया हैle-ऊंचाई अपनी कार्यक्षमता के लिए सुविधाएँ। इस डिवाइस Poiseuille प्रतिरोध, छोटी बूंद घटकों homogenizing के लिए एक अराजक मिक्सर को नियंत्रित करने के माध्यम से प्रवाह दरों मिलाना, एक तेल म्यान में पानी की बूंदों पैदा करने पर चिप प्रतिरोधों के लिए T-जंक्शनों भी शामिल है, और दोनों पूरी तरह से सील और चलनी वाल्व स्वचालित कई अभिकर्मक शामिल वर्कफ़्लोज़ सक्षम करने के लिए आदानों। बहु कदम photolithography का उपयोग करना, इन सुविधाओं प्रत्येक ऊंचाई या photoresist के अनुसार एक अलग स्तर पर निर्मित कर रहे हैं; निम्नलिखित परतों इस प्रोटोकॉल में निर्माण कर रहे हैं: (1) फ्लो दौर वाल्व परत (55 माइक्रोन, AZ50 एक्सटी) (2) प्रवाह कम परत (55 माइक्रोन, SU-8 2050) (3) प्रवाह उच्च परत (85 माइक्रोन, SU- 8 2025, 30 माइक्रोन एडिटिव ऊंचाई), और (4) Herringbone Grooves (125 माइक्रोन, SU-8 2025, 40 माइक्रोन एडिटिव ऊंचाई) (चित्रा 3)।
हाइड्रोजेल मोती नीचे की ओर assays के लिए चयनात्मक सतह functionalization, दवा encapsulation, रादी सहित आवेदन की एक किस्म के लिए इस्तेमाल किया जा सकताotracing और इमेजिंग assays, और सेल समावेश; हम पहले इन उपकरणों में से एक अधिक जटिल संस्करण इस्तेमाल किया प्रेतसंबंधी इनकोडिंग खूंटी हाइड्रोजेल lanthanide nanophosphors 20 से युक्त मोती उत्पादन के लिए। किसी भी प्रयोगशाला में उनके अनुसंधान के प्रयासों में उपयोग करने के लिए अगर वांछित यहाँ पर चर्चा की डिजाइन अतिरिक्त संसाधन में शामिल किए गए हैं। हम आशा करते हैं कि इस प्रोटोकॉल के विशेषज्ञों और गैर विशेषज्ञों के लिए एक जैसे microfluidics में प्रवेश के लिए बाधा कम और निर्माण सफलता की संभावना बढ़ाने के लिए वाल्व या जटिल geometries के साथ बहु परत microfluidic उपकरणों बनाने में रुचि के लिए एक खुला संसाधन प्रदान करेगा।
Protocol
Representative Results
Discussion
इस काम के वाल्व और चर ऊंचाई ज्यामिति के साथ एक multilayer microfluidic युक्ति है कि हमारे ऑनलाइन उपकरण 26 और निर्माता के निर्देशों के आधार पर 25 निर्माण मानकों को सरल करने के लिए संशोधनों के साथ किसी भी …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
The authors thank Scott Longwell for helpful comments and edits to the manuscript and Robert Puccinelli for device photography. The authors acknowledge generous support from a Beckman Institute Technology Development Grant. K.B. is supported by a NSF GFRP fellowship and the TLI component of the Stanford Clinical and Translational Science Award to Spectrum (NIH TL1 TR 001084); P.F. acknowledges a McCormick and Gabilan Faculty Fellowship.
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. |
References
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