Multi-steg varierande höjd Fotolitografi för Ventilförsedda Multilayer Mikrofluidikanordningar

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

Under de senaste 15 åren, har mikrofluidik som ett fält genomgått en snabb tillväxt, med en explosion av ny teknik som möjliggör manipulering av vätskor på mikrometerskala ^1. Mikroflödessystem är attraktiva plattformar för våt laboratorie funktionalitet eftersom små volymer har potential att förverkliga ökad hastighet och känslighet, medan samtidigt dramatiskt öka genomströmningen och minska kostnaderna genom att utnyttja skalfördelar ^{två, tre.} Multilayer mikroflödessystem har gjort särskilt betydande effekter i hög genomströmning biokemiska analysapplikationer såsom enda cell analys ^{4, 5, 6,} enda molekyl analys (t.ex. digital PCR ^7), proteinkristallografi ^8, transkriptionsfaktor bindningsanalyserf "> ^{9, 10,} och cellulära screening ^11.

Ett centralt mål för mikrofluidik har varit utvecklingen av "lab on a chip" enheter som kan utföra komplexa fluid manipulationer inom en enda enhet för total biokemisk analys ^12. Utvecklingen av flerskikts mjuk litografitekniker har hjälpt förverkliga detta mål genom att möjliggöra skapandet av on-chip ventiler, blandare och pumpar för att aktivt styra vätskor i små volymer ^{13, 14, 15.} Trots sina fördelar och visat program, många av dessa mikroflödesteknik fortfarande till stor del outnyttjad av icke-specialister användare. Utbredd har varit utmanande delvis på grund av begränsad tillgång till mikrotillverkningsanläggningar, men också på grund av bristande kommunikation av tillverkningstekniker. Detta gäller särskilt for skiktsmikroflödes enheter med strukturer för ventiler eller komplexa geometrier: bristen på detaljerade, praktisk information om viktiga designparametrar och tillverkningstekniker avskräcker ofta nya forskare från att gå ombord på projekt som omfattar design och skapande av dessa enheter.

Denna artikel syftar till att åtgärda detta kunskapsluckorna genom att presentera en komplett protokoll för att göra flerskiktsmikroflödessystem enheter med ventiler och varierande höjd funktioner, från designparametrar och rör sig genom alla tillverkningssteg. Genom att fokusera på de inledande fotolitografiska stegen tillverkning kompletterar detta protokoll andra mikrofluidik protokoll ¹⁶ som beskriver nedströms steg för gjutning enheter från formar och kör specifika experiment.

Mikrofluidanordningar med monolitisk on-chip ventiler består av två skikt: ett "flöde" skikt, där fluiden av intresse manipuleras i mikrokanaler, och en "kontroll" skikt, där mikrokanaler som innehåller luft eller vatten selektivt kan modulera fluidflödet i flödesskiktet ^14. Dessa två skikt är vardera tillverkade på en separat kiselformnings mästare, som därefter används för polydimetylsiloxan (PDMS) replika gjutning i en process som kallas "mjuk litografi ^17." För att bilda en flerskiktsanordning, är var och en av PDMS skikten gjutna på deras respektive formnings mästare och sedan i linje med varandra, för att därigenom bilda en komposit PDMS enhet med kanaler i varje skikt. Ventiler är utformade på platser där flödes- och styrkanalerna korsar varandra och är åtskilda av endast ett tunt membran; trycksättning av styrkanalen deflekterar detta membran för att täppa flödeskanalen och lokalt förskjuta fluid (Figur 1).

Aktiva on-chip ventiler kan tillverkas på flera olika sätt, beroende på den önskade slutliga tillämpningen. ventilerkan konfigureras i antingen en "push down" eller "push up" geometri, beroende på om kontrollskiktet är över eller under den flödesskiktet (Figur 1) ^15. "Push up" geometrier möjliggöra lägre stängningstryck och högre stabilitet enheten mot delaminering, medan "push down" geometrier möjliggöra flödeskanalerna att vara i direkt kontakt med det bundna substratet, som ger fördelen av selektiv funktionalisering eller mönstring av substratytan för senare funktionalitet ^{18, 19.}

Ventiler kan också vara antingen avsiktligt läckande "sikt" ventiler eller fullständigt förslutbar, beroende på tvärsnittsprofilen av strömningskanalen. Sikt ventiler är användbara för infångande pärlor, celler eller andra macroanalytes ^1, och är tillverkade genom användning av typiska negativa fotoresister (dvs., SU-8-serien), som have rektangulära profiler. När en styrkanal trycksättes över dessa ventil regioner, PDMS membranet mellan manöverorganet och strömningsskikt böjer isotropiskt i den rektangulära profilen av ventilen utan att klistras hörnen, som tillåter fluidflöde men fånga makrokalkpartiklar (figur 1). Omvänt är fullt förseglingsbara mikroflödesventiler tillverkas genom att inkludera en liten lapp av rundade fotoresist på ventil platser. Med denna geometri, trycksättning av styrkanalen böjer membranet mot den rundade strömningsskikt för att fullständigt försegla kanalen, stoppa vätskeflöde. Rundade profiler i flödesskiktet genereras via smältning och omsmältning av positiv fotoresist (t.ex. AZ50 XT eller SPR 220) efter typiska fotolitografiska steg. Vi har tidigare visat att efter återflöde höjder av ventil regioner beroende på valda funktionen dimensioner ^21. Detta protokoll visar tillverkningen av båda ventil geometrier medi en vulst syntesanordning.

Figur 1: Multilayer mikroflödes Valve geometrier. Typiska "push up" enhetsarkitekturer för sil och fullt förseglingsbara ventiler före (överst) och efter (nederst) tryck. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Enheter kan också innehålla komplexa passiva funktioner såsom kaotiska bländare ¹³ och on-chip motstånd ²⁰ som kräver funktioner i flera olika höjder inom ett enda flöde skikt. För att uppnå en höjd flödesskikt variabel har olika grupper användes många metoder inklusive kretskort etsning ²² skikts PDMS lättnad justering ^23, eller flerstegs photolithography ^24. Vår grupp har funnit flerstegsfotolitografi på ett enda formnings master för att vara ett effektivt och reproducerbart förfarande. För att göra detta, är en enkel fotolitografiteknik för att bygga tjocka kanaler med negativ fotoresist (t.ex. SU-8-serien fotoresister) i skikt utan utveckling mellan tillämpningen av varje skikt som används. Varje lager är spunnen i negativ fotoresist enligt dess tjocklek med användning av tillverkarens instruktioner ²⁵ på kisel mastern. Dragen av denna höjd är mönstras sedan på skiktet med hjälp av en särskild genomskinlighetsmask (Figur 2) fäst vid en glas mask platta och anpassas till den tidigare spunna skiktet före exponering. I flerstegsfotolitografi, är exakt inriktning mellan skikt kritiska i att bilda en komplett variabel höjd flödeskanalen. Efter justering, är varje lager utsätts för en tjocklek beroende efter exponering baka. Utan utveckling, är nästa skikt similarly mönstrad. På detta sätt kan höga funktioner byggas upp på ett enda flöde wafer skikt-vid-skikt via användningen av flera masker. Genom att hoppa utveckling mellan varje steg, kan tidigare fotoresistskikten användas för att generera sammansatta höjd funktioner (dvs kan två 25 nm skikt gör en 50 pm funktion) ^24. Dessutom kan kanalgolv funktioner som kaotisk mixer fiskbensspår ¹³ göras med hjälp av lager med tidigare exponerade funktioner. Ett slutligt utvecklingssteg avslutar processen, skapa en enda flödesskiva med funktioner av varierande höjd (Figur 3).

Här är en komplett protokoll för flerstegsfotolitografi som innehåller exempel på alla förfaranden som är nödvändiga för att tillverka on-chip ventiler och flödeskanaler med flera höjder tillhandahålls. Denna tillverkningsprotokoll presenteras i samband med en flerskiktsmikroflödes pärla synthesizer som kräver ventiler och variable-höjd funktioner för dess funktionalitet. Denna anordning innefattar T-korsningar för att generera vattendroppar i en oljemantel, on-chip motstånd att modulera flödeshastigheter genom att styra Poiseuille motstånd, en kaotisk mixer för homogenisering droppkomponenter, och båda helt förslutning och sikt ventiler för att möjliggöra automatiserade arbetsflöden som involverar flera reagens ingångar. Med hjälp av flerstegsfotolitografi, kan dessa var tillverkade på ett annat lager enligt höjd eller fotoresist; följande skikt är konstruerade på detta protokoll: (1) Flödes Round ventilskikt (55 um, AZ50 XT) (2) Flow Låg skikt (55 um, SU-8 2050) (3) Flödes Hög skikt (85 um, SU- 8 2025, 30 um tillsats höjd), och (4) Fiskbens Grooves (125 um, SU-8 2025 40 pm tillsats höjd) (Figur 3).

Hydrogel pärlor kan användas för en mängd olika tillämpningar, inklusive selektiv yta funktionalisering för analyser nedströms, drog inkapsling, radiotracing och avbildnings analyser och cell införlivandet; vi tidigare använt en mer komplex version av dessa enheter för att producera spektralt kodade PEG hydrogel pärlor innehållande lantanid- nanophosphors ^20. De mönster som diskuteras här ingår i Ytterligare resurser för alla lab att använda i sina forskningsinsatser om så önskas. Vi räknar med att detta protokoll kommer att ge en öppen resurs för specialister och icke-specialister både intresserade av att göra flera lager mikroflödessystem enheter med ventiler eller komplexa geometrier att sänka hinder för inträde i mikrofluidik och öka chanserna att tillverknings framgång.

Protocol

1. Flera lager Device Design OBS: Funktioner av olika höjder och / eller fotoresister måste läggas sekventiellt till skivan under olika tillverkningssteg för att skapa slutliga kompositfunktioner. Därför mönster för varje separat höjd och fotoresist som skall finnas på en skiva skall tryckas på sin egen mask (Figur 4). Hämta en datorstödd konstruktion (CAD) utarbeta program (t.ex. AutoCAD Educational Version). Definiera 4 "wafe…

Representative Results

Här visar vi tillverkning av ventilförsedda, variabel höjd flerskiktade mikroflödes formar genom att göra anordningar som kan alstra poly etylenglykol (PEG) hydrogelsträngar från droppar (Figur 2). En översikt över hela tillverkningsprocessen ingår i Figur 3. Använda designelement från tidigare arbete, sysselsätter pärla synthesizer 4 höjder i sitt flöde skikt innefattande (1) rundade AZ50 XT ventiler för laminärt fl?…

Discussion

Detta arbete visar en komplett flerstegsfotolitografi protokoll för en flerskiktsmikroflödessystem enhet med ventiler och varierande höjd geometri som kan ställas in för varje applikation med enkla ändringar av tillverkningsparametrar baserade på våra onlineverktyg ²⁶ och tillverkarens instruktioner ^25. Detta protokoll är avsett att avmystifiera skiktsfotolitografi för forskare som vill bygga mikroflödessystem enheter bortom enkla, passiva ett lager formar.

…

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.