Summary
本方案描述了一种气动微流体平台，可用于高效的微粒浓缩。
Abstract
本文介绍了一种利用微流体平台制造和操作气动阀以控制颗粒浓度的方法。该平台具有具有弯曲流体通道和三个气动阀的三维（3D）网络，通过与聚二甲基硅氧烷（PDMS）的双相复制来创建网络，通道和空间。该装置根据气动阀控制的流体流速的瞬态响应按以下顺序运行：（1）样品上样，（2）样品阻塞，（3）样品浓度和（4）样品释放。颗粒被筛阀（Vs）板的薄隔膜层变形阻挡并积聚在弯曲的微流体通道中。工作流体通过两个开/关阀的驱动排出。由于该操作，所有各种放大倍率的粒子都被成功拦截并脱离。当应用该技术时，操作压力、浓缩所需的时间和浓缩速率可能会根据设备尺寸和粒度放大倍率而变化。
Introduction
由于生物分析的重要性，微流体和生物医学微机电系统（BioMEMS）技术1，2 用于开发和研究用于纯化和收集微材料的装置2，3，4。粒子捕获分为主动或被动。主动式阱已用于作用于独立粒子的外部介电5、磁吞噬6、听觉7、视觉8或热9 力，从而能够精确控制其运动。然而，粒子和外力之间的相互作用是必需的;因此，吞吐量较低。在微流体系统中，控制流速非常重要，因为外力传递到目标颗粒。
一般来说，无源微流体器件在微通道10，11中具有微柱。颗粒通过与流动流体的相互作用进行过滤，这些设备易于设计且制造成本低廉。然而，它们在微柱中引起颗粒堵塞，因此已经开发出更复杂的装置来防止颗粒堵塞12。具有复杂结构的微流体装置通常适用于管理有限数量的颗粒13，14，15，16，17，18。
本文描述了一种制造和操作气动驱动的大颗粒浓度微流体平台的方法，该平台克服了上述缺点18。该平台可以通过变形和驱动积聚在弯曲微流体通道中的筛阀（Vs）板的薄隔膜层来阻挡和浓缩颗粒。颗粒积聚在弯曲的微流体通道中，并且浓缩的颗粒可以通过两个PDMS密封件的开/关阀18的驱动来排出工作流体来分离。这种方法使得可以处理有限数量的颗粒或浓缩大量小颗粒。诸如流速和压缩空气压力等工作条件可以防止不必要的电池损坏并提高电池捕获效率。
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Protocol
1. 颗粒浓缩微流控平台设计
- 设计气动微流体平台，该平台由一个用于 3D 流网络中流体流动的气动阀和三个用于筛网 （V）、流体 （Vf） 和颗粒 （Vp） 操作的气动阀组成（图 1）。
注意：Vs阻挡液体中的浓缩颗粒，Vf和Vp允许浓缩后释放流体和颗粒。三个气动端口提供来自流体/气动供应层（常开）的压缩空气和气动阀灯出口以驱动阀门。微流体通道网络是用CAD程序18，19设计的。 - 将通道设计为气动供应层和 3D 通道网络层（图 2）。
注意：流体网络与前部的弯曲通道和后部的矩形腔室相互连接。Vs堵塞入口，颗粒积聚在弯曲流体通道的收集区域。无颗粒流体（无颗粒液体）通过Qf出口排出，浓缩颗粒通过Qp出口排出（图3）。 - 根据以上条件，准备四种类型的SU-8模具。
注：这四个模具包括一个允许 通过 气动装置控制阀门的模具、两个创建流体通道的模具和一个无形状的干净模具（图 4 和 表 1）。提到的四种类型的模具是使用标准光刻工艺制造的。这种模具制造包括硅片上的SU-8模具，根据先前发布的报告18，19。 图5 所示为器件芯片。
2. 颗粒浓缩微流控平台的制备
注： 图6 说明了浓缩颗粒的微流体平台的制造过程。
- 使用准备好的气动阀通道SU-8模具复制PDMS层（步骤1.3），用于气动控制阀门。
- 将10 mL液体PDMS和1mL固化剂（见 材料表）倒入准备好的气动阀通道模具中（步骤1.3），并在90°C下热活化30分钟。
- PDMS结构固化后，分离步骤2.1.1的SU-8模具。
- 使用1.5 mm穿刺将三个1.5 mm气动端口（Vs，Vf和Vp）打入根据步骤2.1.2制造的气动阀通道（参见 材料表）。
- 将10 mL液体PDMS和1 mL固化剂倒入步骤1.3中制备的干净SU-8模具中，并使用旋涂机以1，500rpm旋转涂覆15秒（参见 材料表）。然后在90°C下加热活化30分钟。
- PDMS结构固化后，分离步骤2.1.4的SU-8模具。
注：阀门隔膜层根据气动压力控制流体流量。 - 将大气等离子体（见 材料表）处理为步骤2.1.3和2.1.5中制备的PDMS结构20 s。
- 通过用显微镜检查，根据通道结构，直接对准步骤2.1.6中经过等离子体处理的PDMS结构。
- 通过在90°C下加热30分钟来粘合步骤2.1.7中制备的对齐PDMS结构。
- 使用 1.5 mm 穿刺在气动通道部件内的流体通道入口 （Qfp） 和流体通道出口（Qf 和 Qp）上打一个直径为 1.5 mm 的孔，使用 1.5 mm 的穿刺。
- 使用两个SU-8模具复制PDMS层的两侧，以形成微流体通道。在前面使用弯曲的矩形微流体通道模具，在后面使用微流体互连通道模具。
- 将10 mL液体PDMS和1 mL固化剂倒入弯曲和矩形微流体通道模具中，并以1，200rpm的速度旋转涂层15秒。然后通过在90°C下热活化30分钟为弯曲的流体室和流体通道创建模具（图6A）。
- 分离形成微流体通道的PDMS层，然后通过处理大气等离子体20秒，通过粘合到玻璃晶圆上来制作覆盖密封通风壁的热活化模具（图6B）。
- 将3 mL液体PDMS倒入SU-8模具的互连通道中（图6C）。
- 将步骤2.2.2中制备的结构与微流体互连通道模具上的液体PDMS中的互连通道模具一起排列，并在130°C下干燥叠加结构30分钟（图6D）。
注：在固化后部结构时，步骤2.2.2中制造的PDMS模具被空气层的热压膨胀，变形的PDMS层被热活化（图6E）16。 - 固化后，从微流体通道网络层中取出前SU-8模具，并小心地剥离后部PDMS模具（图6F）。
注意：3D流体网络层允许创建前弯曲的流体室和微流体通道。 - 将 10 mL 液体 PDMS 和 1 mL 固化剂倒入干净的 SU-8 模具中。然后在90°C下加热活化30分钟。
- PDMS结构固化后，分离SU-8模具。
注：此步骤将创建附加的密封层。 - 将大气等离子体处理为步骤2.2.3和2.2.7中制备的PDMS结构20 s。
- 通过用显微镜检查，根据通道结构直接对准等离子体处理的PDMS结构。
- 通过在90°C下加热30分钟来粘合对齐的PDMS结构。
- 根据通道结构对准步骤2.1和2.2中制备的PDMS结构，并通过处理大气等离子体20 s来粘合它们。
3. 设置设备
注： 图7 显示了制造浓缩颗粒的微流体平台。
- 使用10 mL注射器用无气泡的软化水手动填充微流体通道。
- 要控制P_Qfp和三个控制微珠流量的气动阀（P_Vs，P_Vf和P_Vp），请将具有四个或更多输出通道（参见 材料表）的精密压力控制器插入微流体（Qfp）到微流体平台中。
注：具有四个输出通道的精密压力控制器可替换为多个精密压力控制器。本实验中，P_Qfp的工作压力为10 kPa，P_Vs为15 kPa，P_Vf和P_Vp均为18 kPa（图8 和 表2）。 图8 显示了颗粒被微流体平台浓缩时工作流体流速，P_Vs为15 kPa， 表2 显示了根据气动阀的致动结果。 - 在蒸馏水中制备各种尺寸的羧基聚苯乙烯试验颗粒（见 材料表）。
注意：本实验中使用的粒径为24.9，8.49和4.16μm;根据P_Vs的压力，可以使用各种尺寸的颗粒。 - 为了控制工作流体的流速，在玻璃瓶中装满一半的水（工作液），并将玻璃瓶盖连接到控制器输出通道和微阀。
注意：将一根管子连接到微阀以接收来自控制器的压缩空气，并将另一根管子连接到微阀以注入水。 - 通过倒置显微镜观察所有平台操作的平台操作，并通过液体流量计测量出口处的操作流量（参见 材料表）。
4. 设备的操作
- 在入口处的压力下（Qfp）用Vp注入颗粒/流体混合物（图9A）。
注：颗粒和清洁流体通过相互连接的通道从出口流出，分别 通过 Vp 和 Vf 进行控制（表 2）。 - 在 15 kPa 时向 V 施加压力，在 18 kPa 时向 Vp 施加压力以驱动阀门。
注：此时，隔膜变形，流体Qfp的颗粒被阻挡在弯曲流体通道和弯曲流体悬臂之间的接触空间中，不需要的Qfp流体通过开放的Qf释放出来（图9B，C）。 - 当颗粒被浓缩时，仅对Vf施加压力。
注意：此时，当仅对Vf施加压力时，堵塞的颗粒通过Qp释放（图9D）。
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Representative Results
图8 显示了四级平台操作的流体速率的流速，如 表2所示。第一阶段是加载状态（状态）。该平台在所有阀门打开的情况下提供流体，并且工作流体（Qf）和颗粒（Qp）几乎相同，因为微流体通道网络表现出结构对称性。在第二阶段（b状态）中，压缩空气被输送到Vs以阻挡颗粒，并且随着Vs隔膜变形，流路变窄，并且通过液压阻力减小了在出口处测量的流速。Qf和Qp的流速几乎相似，差异小于2.67%。在第三阶段（c状态）中，压缩空气被输送到Vs和Vp进行颗粒浓缩，Vs和Vp关闭，Vf打开。测得的Qp接近于零，Qf约为b态的1.42倍。在大多数情况下，当两个耗散通道都在运行时，流量会加倍，但平台在主流体通道和Vs中具有不同类型的液压阻力，因此减少了工作流体的总流量。最后（d态），压缩空气仅输送到Vf以收集浓缩颗粒，并且Qf和Qp的流速被反转。流量为零，因为Vf阻塞了Qf，Qp约为b状态的1.42倍。颗粒的浓度比（Qp/（Qf+Qp）×100）为3.96~4.53.这表明，由于流量变化，使用气动阀编程的顺序驱动效果很好。
图9 显示了捕获浓缩颗粒的屏幕。 图9A 显示了三个气动阀未启动的流体的流动状态， 图9B 显示了用于捕获颗粒的方法， 图9C 显示了筛子方法， 图9D 显示了浓缩珠子的喷射。当Vs和Vp闭合时，颗粒被浓缩并积聚在收集区域，当只有Vf闭合时，所有收集的浓缩颗粒在4 s内释放出来。因此，该装置成功地收集了许多适合于颗粒收集和浓缩的颗粒。
图1：用于微粒浓度的气动微流控平台示意图 （P，端口;Q，流量;f， 流体;p， 粒子;V、阀门;s，筛子）。 请点击此处查看此图的大图。
图 2：用于微粒浓缩的气动微流控平台的组装。请单击此处查看此图的大图。
图3：气动微流体平台中微粒浓度的Vs示意图（P，端口;Q，流量;f， 流体;p， 粒子;V、阀门;s，筛子）。 请点击此处查看此图的大图。
图4：用于微粒浓缩的气动微流控平台的CAD图像。（二）主流体通道。（C）互连流体通道。（D）每个通道的交叉图像（1至7的尺寸见表1）。请点击此处查看此图的大图。
图 5：用于微粒浓缩的气动微流体平台的制作图像。请单击此处查看此图的放大版本。
图 6：制造过程中 3D 流体通道网络的横截面示意图。 （A） 为曲面流体室和用于复制成型的流体通道创建模具。（B）固化后PDMS层的等离子体键合到玻璃晶圆上。（C）将液体PDMS倒入SU-8模具中，形成互连通道。（四）流体室和流体通道结构在SU-8模具上以液态PDMS布置。（E）系统由空气层的热压膨胀。（F）去掉充气结构和SU-8模具。 请点击此处查看此图的大图。
图 7：为微粒浓缩而设置的气动微流体平台示意图。 请点击此处查看此图的大图。
图 8：四级平台操作的流体速率的流速。 Qf和Qp工作流体流速在Vs为15 kPa的气动微流体平台中遵循设定的Vf和Vp操作时间（颗粒浓缩时间）。a-d根据 表2显示气动微流控平台的运行状态。（1）样品上样，（2）样品封闭，（3）样品浓度，（4）样品释放。 请点击此处查看此图的大图。
图9：微粒浓缩器的操作。 （一）手术前。（二）微粒筛分。（三）微粒筛完成。（D） 浓缩颗粒的释放。 请点击此处查看此图的大图。
| 数 | 结构 | 宽度 （W） 或直径 （D）， （μm） | |||
| 1 | 气动室 | 1200 （深） | |||
| 2 | 气动通道 | 50 （瓦） | |||
| 3 | 流体通道 | 200 （瓦） | |||
| 4 | 流体室 Vs | 800 （D） | |||
| 5 | 用于 Vp （Vf） 的流体室 | 400 （D） | |||
| 6 | 互连室 | 400 （D） | |||
| 7 | 互连通道 | 200 （瓦） | |||
表1：气动微流控平台的尺寸（ 图4中的1至7）。
| 州 | 气动微流控 平台运营 |
气动阀操作 | |||
| 信号 | 与 | 断续器 | 副总裁 | ||
| 一个 | 装载 | 4 | 熄灭 | 熄灭 | 熄灭 |
| b | 阻塞 | 1 | 上 | 熄灭 | 熄灭 |
| c | 浓度 | 2 | 上 | 熄灭 | 上 |
| d | 释放 | 3 | 熄灭 | 上 | 熄灭 |
表2：气动微流控平台操作按气动阀操作， 如图8所示。
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Discussion
该平台提供了一种纯化和浓缩各种尺寸颗粒的简单方法。颗粒通过气动阀控制积聚和释放，并且没有观察到堵塞，因为没有被动结构。使用该装置，呈现三种尺寸的颗粒的浓度。然而，操作压力、浓缩所需的时间和速率可以根据器件尺寸、粒径放大倍率和Vs 18，20，21处的压力而变化。
当执行步骤3.1时，气泡可能残留在通道的弯曲表面上。当气泡仍然存在时，通道中的环境会发生变化，因此在操作前有必要通过显微镜非常仔细地检查通道。
与以前的研究相比，该平台具有一些优点和缺点。在介电泳方法中，使用的目标粒子较少22个。需要一个额外的过程来制备粒子以增强粒子和外力之间的物理相互作用22，23。必须考虑复杂的设计问题，以提高磁疏松分离系统的分离效率5，22。该平台显示出比超声方法更高的分离效率，超声波方法可以在高流速下分离样品24.然而，由于该平台不具有被动结构，因此与被动方法不同，当珠子被捕获和积累时，没有观察到25，26，27的堵塞效应。该平台7，10可用于浓缩和提取悬浮生物颗粒时的水预处理，因为操作不受物理颗粒18，21的性质的影响。
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Disclosures
作者没有利益冲突需要披露。
Acknowledgments
这项工作得到了韩国国家研究基金会（NRF）的支持，该基金由韩国政府（科学和信息通信技术部）资助。（编号NRF-2021R1A2C1011380）。
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 1.5 mm puncture | Self procduction | Self procduction | This puncture was made by requesting a mold maker based on the Miltex® Biopsy Punch with Plunger (15110-15) product. |
| 4 inch Silicon Wafer/SU-8 mold | 4science | 29-03573-01 | 4 inch (100) Ptype silicon wafer/SU-8 mold |
| Carboxyl Polystyrene Crosslinked Particle(24.9 μm) | Spherotech | CPX-200-10 | Concentrated bead sample1 |
| Flow meter | Sensirion | SLI-1000 | Flow measurement |
| High-speed camera | Photron | FASTCAM Mini | Observation of concentration |
| Hot plate | As one | HI-1000 | heating plate for curing of liquid PDMS |
| KOVAX-SYRINGE 10 mL/Syringe | Koreavaccine | 22G-10ML | Fill the microfluidic channel with bubble-free demineralized water. |
| Laboratory Conona treater/Atmospheric plasma | Electro-Technic | BD-20AC | Chip bonding/atmospheric plasma |
| Liquid polydimethylsiloxane, PDMS | Dow Corning Inc. | Sylgard 184 | Components of chip |
| Microscope | Olympus | IX-81 | Observation of concentration |
| PEEK Tubes | SAINT-GOBAIN PPL CORP. | AAD04103 | Inject or collect particles |
| Polystyrene Particle(4.16 μm) | Spherotech | PP-40-10 | Concentrated bead sample3 |
| Polystyrene Particle(8.49 μm) | Spherotech | PP-100-10 | Concentrated bead sample2 |
| Pressure controller/μflucon | AMED | μflucon | Control of air pressure |
| Spin coater | iNexus | ACE-200 | spread the liquid PDMS on SU-8 mold |
References
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