使用聚二甲基硅氧烷（PDMS）同轴流动聚焦装置生成双重乳液
2015年12月25日
微流控双乳液的生成通常涉及具有图案化润湿性的装置或定制制造的玻璃部件。本文介绍了一种全聚二甲基硅氧烷（PDMS）双乳液发生器的制备与测试方法，该发生器无需表面处理或复杂的制造工艺，能够生成低至14 µm的双乳液。
本实验的总体目标是构建并测试一种全聚二甲基硅氧烷微流控装置，该装置利用同轴流聚焦技术生成双重乳液。该方法有助于回答化学和生物学领域中需要超高通量筛选的关键问题，例如酶的定向进化以及稀有表型的鉴定。该技术的主要优势在于，无需特殊表面处理，即可通过软光刻技术快速制备双重乳液生成器。
首先，设计用于双层制作的微流控结构。使用 AutoCAD 软件，按照此处所示参考文献中的描述，将设计以 10 微米分辨率打印在电路板膜上。在预先清洗过的直径为 3 英寸的硅片中心滴加 1 至 2 毫升 SU-8 3035，然后将其放置在匀胶机上并固定于卡盘中。
以500 RPM转速旋转20秒，随后以2000 RPM转速旋转30秒。取下晶圆，并在135°C的热板上烘烤30分钟。待晶圆冷却至室温后，再进行下一步操作。
现在将涂覆好的晶圆置于第一层掩模下，用准直LED光源照射90秒。曝光后，将晶圆重新放回135摄氏度的热板上加热一分钟。冷却后，在晶圆中心滴加一到两毫升的SUH 2050。
将晶圆重新放回旋涂仪上，以500 RPM转速旋转20秒，然后以1,375 RPM转速旋转30秒。旋涂仪停止旋转后，取下晶圆并重新放置到135摄氏度的热板上，加热30分钟。
然后将晶圆冷却回室温，再进行下一步操作。将第二层的掩模对准前几步中已图形化的结构，再次将涂覆的晶圆暴露于紫外光下照射三分钟；曝光后，将晶圆置于135°C的加热板上加热一分钟。待其冷却后，通过将晶圆浸入搅拌状态下的丙二醇单甲醚醋酸酯溶液中来显影掩模。
在浴液中放置30分钟后，取出晶圆并用异丙醇清洗。接着，将晶圆置于135摄氏度的加热板上烘烤1分钟。冷却晶圆，然后将已显影的模板放入一个100毫米的培养皿中。
将50克硅胶基质与5克固化剂在塑料杯中混合，制备一批PDMS。使用装有搅拌棒的旋转工具混合组分，然后将混合物置于干燥器中脱气约30分钟，直至所有气泡完全去除。接着，将PDMS倒入模具上，厚度为3毫米。
然后将培养皿放入干燥器中进一步脱气。待所有气泡完全去除后，在60°C下烘烤装置2小时。使用手术刀将PDMS装置从模具上切下，并将其图案面朝上放置于清洁的表面上。
然后用剃刀片将PDMS切开成两半，分离带有由模具一印制的50微米流体处理结构的部件两侧。使用0.75毫米活检打孔器打穿流体入口和出口。接下来，将PDMS部件的图案面向上放入等离子体腔室中进行等离子体处理。
在300瓦的等离子清洗仪中，以1毫巴的氧气等离子体处理装置60秒。随后取出样品，在体视显微镜下观察装置时，用一滴去离子水润湿未固化PDMS部件的表面，作为临时润滑剂。将经等离子处理的表面贴合在一起，并滑动两个表面直至实现机械锁定。
当凹陷框架与凸起框架配合后，组装完毕，将装置置于60摄氏度的烘箱中烘烤两天，以蒸发水分并完成键合。然后使用数滴未固化的PDMS将组装好的装置粘附到玻片上，再将该结构置于60摄氏度的烘箱中烘烤一小时。为固化PDMS，将微流控芯片放置在倒置显微镜的载物台上，显微镜需配备能够达到至少100微秒快门速度的数字相机。
接下来，将三个10毫升注射器安装到注射泵上，并在每个注射器上连接27号针头。将约30厘米长的PE-2导管分别连接至各针头，并将导管的自由端插入装置上相应打好的孔中。然后，将一段10厘米长的PE-2导管插入装置的出口端，并将另一端放入废液收集容器中。
设置完成后，通过以高速运行注射泵来对装置进行预灌注。停止泵的运行。当管路段中的液体到达装置的入口端口后，将显微镜聚焦于芯片上含有50乘50微米孔口的区域，并调整视野，使其包含下游出口通道。
将内相的注射泵流速设置为每小时250微升，中间相为每小时100微升，连续相为每小时700微升，以向双重乳液生成器输送液体。等待10分钟，使系统达到平衡。
接下来，将外相的流速提高至1050微升每小时。在此流速条件下，再等待三到五分钟，使双重乳液的生成趋于稳定。一旦稳定，以每秒30帧的速度采集五秒钟的视频图像。
将视频保存下来，以便通过手动图像分析进行离线处理。在保持内相和中相流速不变的同时，改变外相的流速，重复此过程，外相流速的具体数值参见随附文本方案中的表一。
在此过程中，在多种流动条件下测试了双重乳液装置。为展示生成不同尺寸单分散双重乳液的情况，每幅图像上方显示了连续相与内相和中间相总和的比率。所选流速比率下液滴直径的直方图显示了所生成液滴尺寸的相对均匀性。
所得的双重乳液的平均直径变异系数为5.2%。该装置能够生成显著小于孔口宽度的双重乳液，并且随着流速比的增加呈现出明显的减小趋势。在测试的最高载流相流速下，使用50×50微米的孔口生成了14微米的双重乳液。该技术为化学与生物研究人员开展与标准流式细胞术检测平台兼容的液滴微流控实验奠定了基础。
观看本视频后，您应能充分理解如何利用简单的全PDMS构建技术来制备和测试微流控双乳液发生器。
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概述
本文介绍了一种全聚二甲基硅氧烷（PDMS）微流控装置的制备与测试方法，该装置用于生成双重乳液。该装置采用同轴流动聚焦技术，并通过省去特殊表面处理步骤简化了生产过程。
关键研究组成部分
科学领域
- 微流控
- 乳液生成
- 软光刻
背景
- 双重乳液在化学和生物学的多种应用中具有重要意义。
- 传统方法通常需要复杂的制备技术和表面处理。
- 使用PDMS可实现更简便且高效的器件制备。
- 同轴流动聚焦是生成双重乳液的关键技术。
研究目的
- 建立一种制备双重乳液的简化方法。
- 促进生化应用中的高通量筛选。
- 实现酶的定向进化及稀有表型的鉴定。
使用的方法
- 使用 AutoCAD 软件设计微流控结构。
- 以高分辨率将设计图案打印在电路板胶片上。
- 在硅晶圆上涂覆 SU-8 光刻胶以用于器件制备。
- 测试 PDMS 双重乳液生成器的性能。
主要结果
- PDMS 装置成功生成了低至 14 µm 的双重乳液。
- 与传统方法相比，该装置的制备过程得到简化。
- 该装置在高通量应用方面展现出潜力。
- 结果表明，该装置在生成稳定的双重乳液方面具有有效性。
结论
- 全PDMS双重乳液发生器是复杂装置的一种可行替代方案。
- 该方法可显著提升化学与生物学领域的研究能力。
- 未来的应用可能包括酶的进化及表型鉴定。
常见问题
行业应用价值
该PDMS微流控装置可快速、高通量地生成均匀的双重乳液，适用于生化筛选应用。通过省去复杂的制备和表面处理步骤，该装置支持在酶进化和稀有表型鉴定中的可扩展工作流程。该技术通过提供可重复的、基于液滴的检测系统，并兼容流式细胞术检测，从而提高了早期发现阶段的预测可靠性。
生物制药研发中的战略应用
早期发现与靶点验证
- 科学价值：通过生成受控微环境以进行酶筛选，实现对治疗假设的验证。
- 操作价值：通过在特定流速下生成单分散的双重乳液，支持超高速通量筛选。
- 预测价值：通过在隔离的水相区室中筛选稀有表型，促进先导分子的鉴定。
筛选与检测方法开发
- 检测准备就绪：可生成14 µm至50 µm的标准化双重乳液，用于稳定的生化反应。
- 可重复性：在不同流动条件下，液滴尺寸的变异系数低（5.2%）。
- 平台兼容性：生成的乳液适用于通过标准流式细胞术平台进行下游分析。
转化与临床前研究
- 转化连续性： 实现从靶点验证到临床前候选物评价的筛选工作流程。
- 机制性降风险： 允许在受限的水相环境中对酶变体进行功能评估，以减少假阳性结果。
- 可扩展性： 采用坚固且不易污染的大通道，支持长期持续的筛选实验。
流程与工作流整合
该设备适用于从靶点验证到先导化合物筛选的整个发现流程，支持检测方法开发及筛选前的准备工作。
- 发现生物学：通过在双重乳液中实现区室化的生化反应，支持假设验证。
- 筛选：提供可定量控制液滴尺寸的即用型检测液滴生成，用于化合物或变异体的评估。
- 分析：产出可测量的输出结果（液滴直径、均一性），用于比较不同筛选条件。
- 转化研究：通过标准化的基于乳液的检测方法，将早期筛选命中结果与临床前验证相连接。
- 企业级复用：提供可重复使用的微流控平台，无需重新加工即可适配多种筛选目标。
运营与企业影响
- 科学价值：通过可重复的微环境控制，提高靶点验证的预测可信度。
- 操作价值：实现基于乳液的检测方法在不同项目间的标准化和可扩展性。
- 战略价值：通过减少高通量筛选中的生物学假阳性结果，优化“进行/终止”决策。
- 项目组合影响：基于筛选保真度，支持对酶变体或化合物先导物进行风险调整后的优先排序。
实施注意事项
- 需要具备微流控设计和软光刻 fabrication 的专业知识。
- 依赖于等离子体键合设备和精密注射泵的可用性。
- 需要在不同团队之间对流体连接件和管路进行标准化。
- 当应用于不同黏度或表面活性剂时，可能需要重新优化流速。
- 实际限制：器件性能取决于精确的流速控制和孔口对准。
