Ventilli Katmanlı mikroakışkan Cihazlar için çok adımlı Değişken Yükseklik Fotolitografi
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
Son 15 yıldır, bir alan olarak Mikroakiskan mikrometre ölçeğinde 1 de sıvıların manipülasyonu sağlayan yeni teknolojilerin bir patlama ile, hızlı bir büyüme uğramıştır. Dramatik verimi artırmak ve ölçek 2, 3 ekonomileri yararlanarak maliyetlerini azaltarak ederken aynı zamanda küçük hacimleri artan hız ve hassasiyet gerçekleştirmek potansiyeline sahiptir, çünkü mikroakışkan sistemleri ıslak laboratuvar işlevselliği için cazip platformlardır. Çok tabakalı mikroakışkan sistemler, tek bir hücre analizi 4, 5, 6, tek bir molekül analizi (örneğin, sayısal PCR 7), protein kristalografisi 8, transkripsiyon faktörü bağlama deneyleri gibi yüksek verimli biyokimya uygulamalarında özellikle önemli etkileri yapmışf "> 9, 10, ve hücresel tarama 11.
Mikroakiskan bir merkez hedefi toplam biyokimyasal analiz 12 tek bir cihaz içinde karmaşık akışkan manipülasyonlar yapabilen cihazlar "bir çip üzerinde laboratuvarda" gelişme olmuştur. Çok katmanlı yumuşak litografi tekniklerinin geliştirilmesi on-chip vanalar, mikserler oluşturulmasını sağlayarak bu hedefi gerçekleştirmek yardımcı ve aktif küçük hacimlerde 13, 14, 15 içinde sıvıları kontrol etmek için pompaları vardır. avantajları ve ortaya uygulamalar rağmen, bu mikroakışkan teknolojilerin çok uzman olmayan kullanıcılar tarafından büyük ölçüde koşumları kalır. Yaygınlaşması nedeniyle mikroüretim tesislerine erişimin sınırlı kısmen zor olmuştur, ama aynı zamanda nedeniyle imalat tekniklerinin yetersiz iletişim vardır. Bu fo özellikle doğrudurr vanalar veya karmaşık geometriler için yapılar içeren çok katmanlı mikroakışkan cihazlar: önemli tasarım parametreleri ve üretim teknikleri hakkında detaylı pratik bilgi azlığı genellikle bu cihazların tasarımı ve oluşturulması ile ilgili projeler başlamadan yeni araştırmacıları engeller.
Bu makale, vanalar ve değişken yükseklik özellikleri ile çok katmanlı mikroakışkan cihazların yapım tasarım parametreleri başlayan ve tüm üretim adımlarında hareket için tam bir protokol sunarak bu bilgi açığını ele almayı amaçlamaktadır. Fabrikasyon ilk fotolitografi adımlar odaklanarak, bu protokol kalıpları cihazları döküm ve özel deneyler çalışan aşağı adımları açıklar diğer Mikroakiskan protokolleri 16 tamamlar.
Monolitik on-chip valfler ile mikroakışkan cihazlar iki katmandan oluşur: ilgi sıvı mikro manipüle edildiği bir "akış" katmanı,kanalları ve hava veya su içeren mikrokanallar seçici akış katmanda 14 sıvı akışını modüle bir "kontrol" katmanı. Bu iki tabaka, her bir sonradan olarak adlandırılan bir süreç polidimetilsiloksan (PDMS) çoğaltma kalıplama için kullanılan ayrı bir silikon kalıp ana üzerinde imal edilmiştir "yumuşak litografi 17". çok katmanlı bir cihaz oluşturmak için, PDMS katmanların her biri kendi kalıp ustaları dökme ve daha sonra bu şekilde her katmanda kanalları olan bir kompozit PDMS oluşturma tertibatı olup, birbirine hizalanır. Vana akışı ve kontrol kanalları birbirine çapraz ve sadece ince bir zar ile ayrılmış yerlerde oluşturulmaktadır; kontrol kanalının basınçlandırma akış kanalı tıkamak için, bu membran eğilir ve yerel olarak sıvı (Şekil 1) hareket.
Aktif çip üzerinde vanalar arzu edilen nihai uygulamaya bağlı olarak, çeşitli şekillerde imal edilebilir. Vanalarkontrol katmanı (Şekil 1) 15 üstünde veya akış katmanının altında olmasına bağlı olarak, bir "push" "aşağı itmek" ya da geometri ya yapılandırılabilir. akış kanalları bağlanmış alt tabaka ile doğrudan temas halinde olmak için geometri izin "aşağı doğru itin" ise alt tabaka yüzeyinin seçici işlevsellik ya da desen avantajı veren, geometrisi alt kapama baskılara ve delaminasyon karşı yüksek cihaz istikrar için izin "Push up" Daha sonra işlevselliği 18, 19 için.
Vana ayrıca akış kanalının enine kesit profiline bağlı olarak, kasıtlı geçirgen "elek" vana veya tamamen kapatılabilen olabilir. Elek valfler boncuklar, hücreler ya da diğer macroanalytes 1 yakalama için yararlı olan, ve tipik negatif fotodirencin (örneğin, SU-8 serisi), ha kullanımı ile imal edilmiştirdikdörtgen profiller ettik. Bir kontrol kanalı bu valf bölgeler üzerinde basınç olduğunda, kontrol ve akış tabakası arasında PDMS membran (Şekil 1), köşeleri sızdırmazlık sıvı akışını izin ama makro ölçekli parçacıklar yakalama olmadan vananın dikdörtgen profiline izotropik saptırır. Tersine, tam kapatılabilen mikroakışkan vanalar vana yerlerde yuvarlak paslanmaz çeliğin küçük bir yama dahil ederek üretilmektedir. Bu geometri ile, kontrol kanalının basınçlandırma tamamen sıvı akışını durdurarak, kanal mühür yuvarlak akış tabakasının karşı membran saptırır. Akış tabakasında yuvarlak profiller tipik fotolitografi adımlardan sonra erime ve pozitif fotorezist (örneğin, AZ50 XT veya SPR 220) yeniden akış yoluyla oluşturulur. Biz daha önce vana bölgelerin sonrası yeniden akış yüksekliği seçilen özellik boyutları 21 bağlı olduğunu göstermiştir. Bu protokol, her iki valf geometrileri yapımını ile gösteriyorbir boncuk sentez cihazında.
Şekil 1: Çok katmanlı mikroakışkan Vana Geometriler. elek tipik "push" cihaz mimarileri ve (üst) ve sonra (alt) basınçlandırma önce tamamen kapatılabilen valfleri. Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.
Cihazlar aynı zamanda tek bir akış tabakası içinde birden fazla farklı yüksekliklerde özelliklerini gerektiren dirençleri 20 kaotik mikserler 13 olarak ve on-chip karmaşık pasif özellikler içerebilir. Bir değişken yükseklik akış tabakası elde etmek için, farklı gruplar baskılı devre kartı aşındırma 22, çok katmanlı PDMS kabartma hizalama 23 ya da çok adımlı p dahil pek çok yöntem istihdam varhotolithography 24. Bizim grup etkili ve tekrarlanabilir bir yöntem olarak tek bir kalıplama yöneticisinde çok aşamalı fotolitografi bulmuştur. Bunu yapmak için, her katmanın uygulama arasında gelişme olmadan katmanlar negatif fotorezist (örneğin, SU-8 serisi photoresistler) kalın kanalları inşa basit bir fotolitografi tekniği kullanılmaktadır. Her katman silikon yöneticisinde kalınlığı kullanarak üreticinin talimatlarına 25'e göre negatif fotorezist olarak döndürülür. Bu yükseklik özellikleri daha sonra belirli bir saydamlık maskesi (Şekil 2), bir cam maske plakaya tutturulur ve maruz kalmadan önce, daha önce büküm tabakasına hizalanmış kullanarak tabaka üzerine desenli. çok aşamalı olarak foto-litografide, katmanlar arasında kesin bir hizalama tam değişken yükseklik akış kanalı oluşturan çok önemlidir. Sıraya dizme işleminden sonra, her bir tabaka bir kalınlığı bağımlı maruziyet sonrası fırında tabi tutulur. gelişme olmadan, bir sonraki katman sim olduğunuilarly desenli. Bu şekilde, uzun özellikleri birden fazla maske kullanımı ile tek bir akış gofret katman-katman oluşturulabilir. Her bir adım arasında gelişme atlanarak, bir önceki fotorezist tabakaların 24 (yani, iki adet 25 um tabaka bir 50 um özelliği yapabilir) kompozit Yükseklik oluşturmak için de kullanılabilir. Ayrıca, bu tür kaotik karıştırıcı balıksırtı oluklar 13 olarak kanal döşeme özellikleri önceden maruz özelliklere sahip katmanlar kullanılarak yapılabilir. Son bir geliştirme adım değişken yükseklik (Şekil 3) özellikleri ile tek bir akış gofret oluşturma, sürecini tamamlar.
Burada, on-chip vanaları ve çoklu yükseklikleri akış kanalları imal için gerekli tüm prosedürlerin örneklerini içeren çok adımlı fotolitografi için tam bir protokol sağlanır. Bu imalat protokolü vana ve variab gerektiren bir çok-tabakalı mikroakışkan boncuk synthesizer bağlamında sunulanle-height işlevselliği için sunuyor. Bu cihaz, Poiseuille direnci, damlacık bileşenleri homojenleştirmek için kaotik karıştırıcı kontrol akış oranlarını modüle etmek üzere, bir yağ kılıfta çip üzerinde dirençleri su damlacıkları oluşturmak için, T-kavşak içerir, ve her ikisi de tam olarak sızdırmaz ve elek vanalar çok reaktif içeren otomatik iş akışları etkinleştirmek girişler. çok aşamalı fotolitografi kullanarak, bu özellikler her bir yükseklikte veya fotorezist göre farklı bir katmandaki imal edilmiştir; Aşağıdaki katmanlar Bu protokol inşa edilir: (1) Akış Yuvarlak valf tabakası (55 mikron, AZ50 XT) (2) Akışı Düşük tabaka (55 um, SU-8 2050) (3) Akış Yüksek katman (85 mikron, SU- 8 2025, 30 mikron katkı yükseklik) ve (4) Balıksırtı Oluklar (125 mikron, 2025 SU-8, 40 mikron katkı yükseklik) (Şekil 3).
Hidrojel boncuklar seçici aşağı deneyleri için yüzey işlevsellik, ilaç kapsülleme, radi dahil çeşitli uygulamalar için kullanılabilirotracing ve görüntüleme tahlilleri ve hücre eklenmesi; Daha önce lantanid nanophosphors 20 içeren spektral kodlanmış PEG hidrojel boncuklar oluşturmak için bu cihazların daha karmaşık bir versiyonu kullanılmıştır. istenirse herhangi bir laboratuvar araştırma çabalarına kullanmak için burada tartışılan tasarımlar Ek Kaynaklar dahildir. Biz bu protokol uzmanları ve Mikroakiskan olarak giriş bariyeri düşürmek ve üretim başarı şansını artırmak için vanalar veya karmaşık geometriye sahip çok katmanlı mikroakışkan cihazların yapımında hem ilgilenen sivil uzmanlar için açık bir kaynak sağlayacaktır tahmin ediyoruz.
Protocol
Representative Results
Discussion
Bu çalışma bizim online araç 26 ve üreticinin talimatlarına 25 dayalı imalat parametrelerinin basit değişiklikler ile herhangi bir uygulama için ayarlanmış olabilir vanalar ve değişken yükseklik geometrili çok katmanlı mikroakışkan cihaz için tam bir multi-step fotolitografi protokolünü gösterir. Bu protokol, basit, pasif bir tabaka kalıp ötesinde mikroakışkan cihazlar oluşturmak isteyen araştırmacılar için çok katmanlı fotolitografi sır …
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
- Duncombe, T. A., Tentori, A. M., Herr, A. E. Microfluidics: reframing biological enquiry. Nat. Rev. Mol. Cell Bio. 16 (9), (2015).
- Squires, T. M., Quake, S. R. Microfluidics: Fluid physics at the nanoliter scale. Rev.Mod. Phys. 77 (3), (2005).
- Whitesides, G. M. The origins and the future of microfluidics. Nature. 442 (7101), (2006).
- Kalisky, T., Blainey, P., Quake, S. R. Genomic Analysis at the Single-Cell Level. Ann. Rev. of Genetics. 45 (1), (2011).
- Finkel, N. H., Lou, X., Wang, C., He, L. Peer Reviewed: Barcoding the Microworld. Anal. Chem. 76 (19), (2004).
- Lecault, V., White, A. K., Singhal, A., Hansen, C. L. Microfluidic single cell analysis: from promise to practice. Curr. Opin. in Chem. Bio. 16 (3-4), (2012).
- White, A. K., Heyries, K. A., Doolin, C., VanInsberghe, M., Hansen, C. L. High-Throughput Microfluidic Single-Cell Digital Polymerase Chain Reaction. Anal. Chem. 85 (15), (2013).
- Hansen, C. L., Classen, S., Berger, J. M., Quake, S. R. A Microfluidic Device for Kinetic Optimization of Protein Crystallization and In Situ Structure Determination. J. Am. Chem. Soc. 128 (10), (2006).
- Maerkl, S. J., Quake, S. R. A Systems Approach to Measuring the Binding Energy Landscapes of Transcription Factors. Science. 315 (5809), (2007).
- Fordyce, P. M., Gerber, D., et al. De novo identification and biophysical characterization of transcription-factor binding sites with microfluidic affinity analysis. Nat. Biotech. 28 (9), (2010).
- Fan, R., et al. Integrated barcode chips for rapid, multiplexed analysis of proteins in microliter quantities of blood. Nat. Biotech. 26 (12), (2008).
- Kovarik, M. L., Gach, P. C., Ornoff, D. M., Wang, Y. Micro total analysis systems for cell biology and biochemical assays. Anal. Chem. , (2011).
- Stroock, A. D., Dertinger, S. K. W., Ajdari, A., Mezić, I., Stone, H. A., Whitesides, G. M. Chaotic Mixer for Microchannels. Science. 295 (5555), 647-651 (2002).
- Unger, M. A., Chou, H. -. P., Thorsen, T., Scherer, A., Quake, S. R. Monolithic Microfabricated Valves and Pumps by Multilayer Soft Lithography. Science. 288 (5463), 113-116 (2000).
- Thorsen, T., Maerkl, S. J., Quake, S. R. Microfluidic Large-Scale Integration. Science. 298 (5593), (2002).
- Li, N., Sip, C., Folch, A. Microfluidic Chips Controlled with Elastomeric Microvalve Arrays. JoVE. (8), e296 (2007).
- Kim, P., et al. Soft lithography for microfluidics: a review. Biochip. J. 2 (1), 1-11 (2008).
- Studer, V., Hang, G., Pandolfi, A., Ortiz, M., Anderson, W. F., Quake, S. R. Scaling properties of a low-actuation pressure microfluidic valve. J. Appl. Phys. 95 (1), 393-398 (2004).
- Kartalov, E. P., Scherer, A., Quake, S. R., Taylor, C. R., Anderson, W. F. Experimentally validated quantitative linear model for the device physics of elastomeric microfluidic valves. J. Appl. Phys. 101 (6), 064505 (2007).
- Gerver, R. E., Gómez-Sjöberg, R., et al. Programmable microfluidic synthesis of spectrally encoded microspheres. Lab. Chip. 12 (22), 4716-4723 (2012).
- Fordyce, P. M., Diaz-Botia, C. A., DeRisi, J. L., Gómez-Sjöberg, R. Systematic characterization of feature dimensions and closing pressures for microfluidic valves produced via photoresist reflow. Lab. Chip. 12 (21), 4287-4295 (2012).
- Li, C. -. W., Cheung, C. N., Yang, J., Tzang, C. H., Yang, M. PDMS-based microfluidic device with multi-height structures fabricated by single-step photolithography using printed circuit board as masters. The Analyst. 128 (9), 1137-1142 (2003).
- Romanowsky, M. B., Abate, A. R., Rotem, A., Holtze, C., Weitz, D. A. High throughput production of single core double emulsions in a parallelized microfluidic device. Lab. Chip. 12 (4), 802-807 (2012).
- Mata, A., Fleischman, A. J., Roy, S. Fabrication of multi-layer SU-8 microstructures. JMM. 16 (2), 276 (2006).
- . Rafael’s Microfluidics Site Available from: https://sites.google.com/site/rafaelsmicrofluidicspage/valve-controllers (2016)
- Wanat, S., Plass, R., Sison, E., Zhuang, H., Lu, P. -. H. Optimized Thick Film Processing for Bumping Layers. Proc. SPIE. , 1281-1288 (2003).
