Microfluidics , Dr Fenech 

1/8 

 INTRODUCTION TO MICROFLUIDICS 

 LAB MANUAL (V2.0) 

  

SAFETY Personal Protection Equipment: 

 o Glove o Safety glasses o Lab coat o Long pants o Closed shoes o Hair tied 

      

University of Ottawa, Mechanical Engineering Professor:  Marianne Fenech 

2015   

    Microfluidics , Dr Fenech 

2/8 

 The objectives  

The objectives are:  

1‐ To fabricate a basic chip using ‘soft’ microfabrication technics  2‐ to demonstrate key concepts  in  the applications of microfluidics. Fundamental 

concepts  in microfluidics  include  principles  of  separation,  diffusion,  and  flow regimes. 

 The  basis  for  most  LOC  fabrication  processes  is  photolithography.  Initially  most processes  were  in  silicon,  but  because  of  demands  for  e.g.  specific  optical characteristics,  bio‐  or  chemical  compatibility,  lower  production  costs  and  faster prototyping,  new  processes  have  been  developed  such  as  glass,  ceramics  and metal etching, deposition and bonding and PDMS processing (e.g., soft lithography). 

  A‐ Potential hazards ‐ safety controls: 

 ‐ Read MSDS before working with SYLGARD(R) 184 SILICONE ELASTOMER KIT. Fill the box below:  

What does MSDS stand for?  What are the tow chemicals that have a potential effect(s) on health? What are the potential health effects? What are the first aid measures if eye contact or inhalation? Which Personal Protective Equipment must be used?   

 ‐ To avoid cutting yourself or others be careful when using razor blade or scalpel.  In particular the razor blade must be press down on the silicone not slid on.  

    Microfluidics , Dr Fenech 

3/8 

‐ To avoid burn when using hop plate, don’t touch the hop plate and use tweezers to handle the hot wafer  

  

 B‐ Fabrication 

 Poly_dimethylsiloxane (PDMS) introduced in the 1998, by utilizing the soft lithographic method of molding and patterning structural  features with PDMS, microfluidic devices can  be  easily  fabricated  in  academic  institutions,  thus  facilitating  the  growth  of academic research in LOC technology.  

 An  array  of microfluidic  designs  was  drafted  in  a  CAD  drafting  software.  Then  it  is 

printed on a mask with a high precision printer as shown in figure 1A. A master is made 

of microstructures patterned on  the  surface of  a  substrate  covered with photoresist. 

The master  is  typically  produced  using  photolithography  as  presented  figure  1B.  It  is 

intended to serve as a mold for pouring PDMS. When the layer of PDMS is peeled away, 

it contains the inverse of the original pattern embossed on the surface of the master, as 

illustrated  in Figure 2. No channel structure can be  fabricated  in PDMS with an aspect 

ratio  lower  than 1:10  (height:width). Structures with  lower aspect  ratios are prone  to 

collapse,  as  illustrated  in  the  figure  above.  If  features  with  lower  aspect  ratios  are 

required, support posts must be added within the channel to prevent collapse, as shown 

in Figure 3. Figure 4, presents an example of a typical mold you are going to use in this 

laboratory session. 

 

 

 

   

    Microfluidics , Dr Fenech 

4/8 

  A        B 

Figure 1 : A) Mask  B) Soft lithography processus 

 

 

Figure 2 : Use of a master for PDMS casting 

 

 

Figure 3: Problems with PDMS if channel aspect ratio is too high or too low. See Xia, Y., 

et al., "Soft Lithography", Annu. Rev. Mater. Sci., 28, pp. 153‐184, 1998. 

    Microfluidics , Dr Fenech 

5/8 

 

Figure 4 : Exemple of mold 

 

C‐ Materials and Methods 

During the lab you will fabricate your own chip, using a premade mold.  

 

1. Verify the content of your microfluid box, note your names and the number of 

your box in the lab book. In addition you will need 

‐ One bottle of distilled water 

‐ glace slides  

‐ Few pipette tips 

‐ Food colors 

 

 

2. Prepare the PDMS (with the TA). PDMS comes  in two parts, the polymer and a 

curing  agent.  For  this  we  will  use  10:1  ratio  of  polymer  to  curing  agent 

respectively. Place the designated dish on the scale and weigh it. Zero the scale. 

Pour in the polymer. Note the weight added. Next, using another dish, follow the 

same procedure for the curing agent except at 1/10 the amount of curing agent 

to a separate dish as you did the polymer. Combine the two parts  into one and 

mix. Make sure it is well stirred. 

 

    Microfluidics , Dr Fenech 

6/8 

3. In order  to degas  the silicon, place  the container  in  the vacuum chamber. Seal 

the chamber and turn on the device. Let it run for approximately 10 minutes. Let 

it  run  until  all  of  the  bubbles  have  been  removed.  *Note*  you may  need  to 

remove the tube a few times to allow some of the developed foam on top of the 

PDMS to disappear. 

 

4. Pour PDMS on the wafer. 

 

5. Set  the hotplate  temperature  to 150ºC. Once at 150ºC,  cure  the PDMS  for 10 

minutes. 

 

6. Take  the mold off  the hot plate using  teezers. Be Careful  it  is hot.  Let  it  cool 

down.  

 

7. Once cooled down, cut out your mold from the PDMS. Make sure you are aware 

which  side  has  the  features.  Tape  the  side  with  feature  to  avoid  dust 

contamination.   *Note* At any time,  later on,    if you notice dust you can clean 

the PDMS side that has the features with tape (apply and peel off). 

 

8. Cut the different chips pressing a razor blade from the side with feature to the 

smooth side (let the tape on). 

 

 

9. Punch out the ends, making sure you are punching from the side with features 

through to the other side. 

 

 

 

 

 

 

 

Figure 5: Punching  of the inlets from the side with features through to the other 

side 

 

10.  Oxygen  plasma  treatment  is  a method  for  treating  the  PDMS  to  reduce  its 

hydrophobicity  (figure  6),  clean  any  organics  contamination  and  in  addition  it 

allows  it  to  be  bonded  to  another  piece  of  PDMS  or  to  a  glass  slide.  After 

    Microfluidics , Dr Fenech 

7/8 

treatment, the PDMS is bonded in less than a minute to a glass slide or another 

PDMS  layer to form a permanent bond. To aid  in alignment, a small amount of 

methanol  can  be  used  to  keep  the  surfaces  separate  for  a  short  time.  This 

procedure will be done in the researcher lab.  This gives the channel 4 solid walls 

to the gradient generator chips.  

 

‐ Treat a blank chunk of PDMS (took it at the border of the mold) 

 

‐ Treat  a  glass  slide  and  the  gradient  generator  chip,  then  bound  them 

together 

 

‐ Treat also one  capillary  chip but don’t  close  it, put back  tape on  it  for 

dust protecting, keep one capillary chip untreated. 

 

                 Figure 6: Oxygen plasma treatment change the Hydrophobicity of the PDMS. 

 

 

11. Test the capillary chip plasma treated and not treated. Put drops of food color 

at the inlet of the device. Let the capillary effect pumps the fluids through. Note 

if the color flows along the channels.   

 

12. Laminar  flow  chip  and mixer  chip. Use  pipettes’  tips  for  gravity  driving  flow 

(figure 7).   Feed  the  chip with different  food  color at  the  inlets of  the device. 

Estimate the pressure due to the level of the fluid in the pipette tip.   

    Microfluidics , Dr Fenech 

8/8 

 Figure 7 : pipettes’ tips for gravity driving flow 

 

13. Verify the content of your microfluid box. Give it back 

 

 

Bibliography 

1.  Diep  Nguyen,  Jolie  McLane,  Valerie  Lew,  Jonathan  Pegan,  and  Michelle  Khine. 

Shrink‐film  microfluidic  education  modules:  Complete  devices  within  minutes. 

Biomicrofluidics. 2011, Vol. 5. 

2.  D  Junker, M Nannini,  S  Ricoult,  R  Safavieh.  Hands‐on  Interdisciplinary  Course  on 

Micro‐ and Nano‐biotechnologies. 2011. 

3. Collectif, editor F. A Gomez, wiley‐intersience .Biological application of microfluidics.