Summary
Ein Protokoll für die Herstellung von Kunststoff mikrofluidischen Geräten mit transparenten Blick-Ports für die sichtbaren und infraroten Licht Bildgebung wird beschrieben.
Abstract
Infrarot (IR) Spectro-Mikroskopie von lebenden biologischen Proben wird durch die Absorption von Wasser in die Mitte der IR-Bereich und durch den Mangel an geeigneten mikrofluidischen Geräten behindert. Hier, ein Protokoll für die Herstellung von Kunststoff mikrofluidischen Geräten gezeigt hat, wo weiche lithographische Techniken werden verwendet, um transparente Calciumfluorid (CaF2) Ansicht-Häfen im Zusammenhang mit Beobachtung Kammer(n) einbetten. Die Methode basiert auf einem Replikat Casting Ansatz, wo ein Polydimethylsiloxan (PDMS) Schimmel durch lithographische Standardverfahren hergestellt und dann als Vorlage verwendet, um ein Kunststoff-Gerät zu produzieren. Das Kunststoff-Gerät verfügt über Ultraviolett/sichtbar/Infrarot (UV/Vis/IR) - transparente Fenster von CaF2 ermöglicht die direkte Beobachtung mit sichtbar gemacht und IR-Licht. Die Vorteile der vorgeschlagenen Methode: eine geringere Notwendigkeit, den Zugriff auf einen Reinraum Mikro-Fertigungsanlage, mehrere Anzeigen-Ports, eine einfache und vielseitige Verbindung zu einem externen Pumpen System durch die Kunststoff-Körper, Flexibilität des Designs, z.B. , offene/geschlossene Kanäle Konfiguration und die Möglichkeit, anspruchsvolle Features wie z. B. nanoporöse Membranen.
Introduction
Fourier transformieren Infrarot-Spectro-Mikroskopie (FTIR) wurde als Label-frei und nicht-invasive bildgebende Technik, detaillierte chemische Informationen einer Probe ausgiebig genutzt. Dies ermöglicht die Gewinnung von biochemischen Informationen zum Studium der Chemie von biologischen Proben, mit einem Minimum an Vorbereitung, da das Absorptionsspektrum der Probe die intrinsische Fingerabdrücke von seiner chemischen Zusammensetzung1 trägt , 2. vor kurzem FTIR zunehmend auf die Studie von live biologischen Proben, z.B., Zellen3angewendet wurde. Wasser, das das Medium für lebende Zellen in den meisten Fällen ist, zeigt jedoch eine starke Absorption in der mid-IR-Region. Sogar als eine dünne Schicht kann seine Präsenz wichtige strukturellen Informationen der Proben völlig überfordern.
Seit vielen Jahren war das gemeinsame Vorgehen Befestigung oder Trocknung von Proben um die Wasser-Absorption-Signal im Spektrum vollständig auszuschließen. Jedoch erlaubt dieser Ansatz nicht für Echtzeit-Messungen an lebenden Zellen, die ist wichtig, die Veränderung der chemischen Zusammensetzung und zelluläre Prozesse mit der Zeit zu studieren. Eine Möglichkeit, zuverlässige Absorptionsspektren von live biologischen Proben zu erhalten ist, die insgesamt optische Weglänge im Medium von den IR-Strahl auf weniger als 10 µm4zu begrenzen.
Ein etablierter Ansatz in lebenden Zelle Experimente wurde so weit abgeschwächt totale Reflexion (ATR)-FTIR Bildgebung ermöglicht Messungen unabhängig von der Probendicke, so dass Zellen in einer dickeren Schicht der wässrigen Medium aufrechterhalten werden. Allerdings schränkt die geringe Tiefe des Durchgriffes der evaneszenten Welle Messungen von Proben, nur die ersten paar Mikrometer von der Oberfläche des ATR-Kristall-5.
Alternativ hat Wasser Absorption Einschränkung umgangen wurde, mit dem Aufkommen von verschiedenen mikrofluidischen Systemen, die in der Regel in zwei große Gruppen eingeteilt werden: Kanal (wo eine der flüssigen Oberflächen ausgesetzt ist die Atmosphäre) offen und geschlossen Kanal (wo zwei IR-transparenten Fenster durch einen Abstandhalter mit definierter Dicke getrennt sind).
Loutherback Et Al. entwickelt eine Gerinneabfluss Membran-Gerät, die lange Begriff IR Dauermessungen von lebenden Zellen für bis zu 7 Tage6ermöglicht. Diese Methode erfordert hohen Luftfeuchtigkeit in der Umgebung um Verdunstung des Mediums von der Zelloberfläche zu verhindern. Das System funktioniert am besten mit Zellen, die natürlich an Luft-Flüssigkeit Schnittstellen, wie z. B. epithelialen Geweben der Haut, Lunge und Augen oder mikrobielle Biofilme7wachsen.
Geschlossen-Kanalkonfiguration zielt auf eine gleichmäßige, dünne Schicht zwischen zwei parallele IR-transparenten Fenstern, wo Zellen in ihrer wässrigen Medien verwaltet werden. Die Dicke dieser Hohlraum ist derart, dass das Wasser Absorption Signal unter Sättigung. Wasser-Hintergrund kann dann abgezogen werden, um die richtige Probe Spektren zu erhalten. Die meisten Methoden, geschlossen-Kanal nutzen ein Kunststoff Distanzstück trennt die beiden Fenster um einen abnehmbaren Flüssigkeitskammer3,8,9zu bilden. Ein Vorteil dieser Methode ist, dass es keine Microfabrication erfordert; Strukturen, die komplexer als eine Messkammer mit bei und out - let Kanäle sind jedoch äußerst schwierig, in den dünnen Abstandhalter zu realisieren. Es gibt auch ein Problem mit der Reproduzierbarkeit der Weglänge zwischen IR-Messungen wegen seiner Abhängigkeit von mechanische Klemmung. Um eine präzisere Steuerung der Abstand für eine zuverlässigere Spektrum Erwerb zu erreichen, wurden optische Lithografie Methoden zu Muster Photoresist auf das IR-Substrat zu definieren, die Abstandhalter9,10 umgesetzt , 11 , 12. obwohl dies es möglich für komplexere Strukturen in der Abstandhalter definiert werden macht, die Methode erfordert Zugang zu einem Microfabrication Einrichtung, das Muster auf jedem Untergrund zu produzieren.
In diesem Beitrag präsentieren wir eine einfache Herstellung Technik, ein IR-kompatiblen mikrofluidischen Gerät, mit dem Ziel, die Herstellung, die Kosten zu reduzieren und die Anforderung für den Zugriff auf eine Microfabrication Anlage. Die Methode hier vorgestellt (siehe Abbildung 1) nutzt einen etablierteren Prozess bekannt als weiche Lithographie. Zwei Formen sind in diesem Fall erforderlich. Die primäre Form besteht aus einem 4-Zoll-Silizium-Wafer mit einer standard UV-Lithographie-Prozess. Die sekundäre Form ist seine Replik des PDMS, die hat eine umgekehrten Polarität des Musters in der primären Form von Silizium und dient als der master-Form für die nachfolgenden Geräte Fertigung.
Das Gerät verfügt über zwei separate Ebenen: eine erste Schicht mit dem mikrofluidische Layout (was im vorliegenden Fall besteht aus der Mikrofluidik-Kanal, in-lassen/Out-lassen und eine Beobachtung Kammer mit einem CaF2 Ansichtsfenster) und eine zweite Schicht mit einer flachen Oberfläche ( bestehend aus nur einem CaF2 Ansichtsfenster).
Hier wird optische UV-härtender Klebstoff, Norland optische Klebstoff 73 (NOA73, fortan als "NOA" abgekürzt), verwendet, um die wichtigsten Kunststoff-Körper des Geräts zu bilden. Es gibt mehrere Vorteile bei der Verwendung dieser optischen Kleber: niedrige Herstellung Kosten, einfache Anbindung an Fremdsysteme, gute optische Transparenz, niedrige Viskosität, und vor allem Biokompatibilität13. CaF2 ist eine geeignete Wahl als das Ansichtsfenster aufgrund seiner Biokompatibilität und hervorragende IR-Transparenz-14.
Mit diesem neuen Konzept ist Zugang zu einem Microfabrication Einrichtung nur für die Herstellung der primären Form unbedingt erforderlich. Nachfolgende Fertigungsprozesse für Kunststoff mikrofluidischen Gerät können in jedem Labor ausgestattet mit einer UV-Lichtquelle erfolgen.
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Protocol
1. Vorbereitung der Silicon primäre Form
Hinweis: eine Fotomaske ist erforderlich für die Erstellung der primären Form. Die Fotomaske kann von unabhängigen Anbietern gekauft oder im eigenen Haus durch optische Standardmaske Herstellung Verfahren hergestellt werden. Eine Fotomaske mit Hellfeld Polarität dient in diesem Fall ( Abbildung 2 eine).
- Anordnungsdefinition
- Spin Mantel einen 4-Zoll-Silizium-Wafer mit SU-8 3010 negativer Photoresist bei 2.300 u/min für 30 s.
- Soft-Backen der Fotolack auf einer heißen Platte bei 65 ° C für 2 min und dann bei 95 ° C für 8 min.
- Setzen den Fotolack mit UV-Licht (i-Line, 365 nm) durch die Fotomaske unter Mask Aligner für eine Gesamtenergie-Dosis von 100-120 mJ/cm 2; die harte-Kontakt-Modus wird bevorzugt, um eine bessere Auflösung zu erreichen.
- Entfernen den Wafer und eine Post Exposition Backen bei 65 ° C für 1 min und dann bei 95 ° C für 2 min.
- Entwickeln den Fotolack mit SU-8 Entwickler bei Raumtemperatur, dann spülen Sie mit Isopropyl-Alkohol und sanft Fönen mit Stickstoff; die gemessenen Muster Dicke sollte 10 µm und darunter. Siehe Abbildung 2 b für das Bild der tatsächlichen Silikon Form.
- Silanisierung von Silizium Schimmel
- behandeln die Silikon-Form mit Sauerstoffplasma bei 60 W für 30 s mit 20 Sccm Sauerstoffzufuhr. 1-10 Mbar während des Prozesses der Kammerdruck soll.
- Legen Sie die Form in einem Vakuum Glas mit 50 µL Silan und lassen Sie das Glas in der Vakuumzustand (1-10 Mbar) für mindestens 2 h
Hinweis: Der Silanisierung Prozess erstellt eine hydrophobe Oberflächenbeschichtung, die verhindert, dass PDMS festhalten an der Form 15. Beachten Sie, dass die primäre Form auch mithilfe einer alternativen Methode, einhergehende trockene Ätzen von Silizium hergestellt werden kann. In diesem Fall die Fotomaske werden entgegengesetzter Polarität (Dunkelfeld), und die Musterdefinition im Schritt 1.1 nutzt einen positiven Photoresist.
2. Vorbereitung der PDMS sekundäre Form
- PDMS mischen
- PDMS Elastomer und Härtemittel, 10:1 mischen, der Gesamtbetrag ist so, dass die daraus resultierende PDMS-Dicke ca. 1 bis 1,5 mm.
- Nach dem gründlichen mischen, Entgasen der Mischung indem man es in einem Vakuum Glas im Vakuum Zustand (1-10 Mbar) für ca. 15 min oder bis gibt es keine sichtbaren Luftblasen; das eingeschlossene Luft in der Mischung zu entfernen ist.
- Schimmel Replikation
- die PDMS Mischung auf dem Silizium-Schimmel in Schritt 1 hergestellt und die Mischung um eingeschlossene Luft zu entfernen, mit den gleichen Einstellungen wie in Schritt 2.1.2 entgasen. Wärme bei 70 ° C für 2 h auf einer heißen Platte, die Mischung zu heilen.
- Der ausgehärteten PDMS aus der heißen Platte entfernen und auf Zimmertemperatur abkühlen lassen. Mit einer Rasierklinge geschnitten PDMS an den Rändern der Silikon-Form.
- Mit einer Pinzette, einer Ecke des Schnittes PDMS kneifen und ziehen Sie vorsichtig das PDMS-Replikat aus der Silikon-Form; das resultierende mikrofluidischen Muster auf dieser sekundären Form ist eine Auswölbung, die die entgegengesetzte Polarität der primären Form (ist Abbildung 2 (c).
- Silanisierung des PDMS Replikats (gleiche wie in Schritt 1.2)
- behandeln die PDMS-Form mit Sauerstoffplasma bei 60 W für 30 s mit 20 Sccm Sauerstoffzufuhr. 1-10 Mbar während des Prozesses der Kammerdruck soll.
- Stelle die Form in einem Vakuum Glas mit 50 µL Silan und lassen Sie das Glas in der Vakuumzustand (1-10 Mbar) für mindestens 2 h.
3. Vorbereitung von PDMS Vorlagen
Hinweis:, die Form und Größe der endgültigen Geräte zu standardisieren und die Ausrichtung der wichtigsten Merkmale in die beiden Hälften zu erleichtern, zwei separate PDMS Vorlagen dienten, die definieren der Geometrie des Geräts, die Platzierung der Fenster transparent und die Anschlüsse in und out - let. Die erste PDMS-Vorlage hilft die Herstellung von gemusterten Hälfte des Geräts, während der zweite hilft, die Herstellung von flachen Hälfte des Geräts zu erleichtern.
- Designvorlagen mit Hilfe einer Computer-aided Design (CAD) Software. Abbildung 3 eine zeigt die Planieren und Dimensionen der Vorlage verwendet, um die gemusterten Hälfte des Geräts zu fabrizieren. Um die flachen Hälfte des Geräts zu fabrizieren, entfernen Sie die 1,5 mm Durchmesser Löcher vom Design.
- Erwerben die Vorlagen, die von einem externen Anbieter oder durch eine interne mechanische Werkstatt, falls verfügbar.
Hinweis: Acryl diente als Vorlage Material durch einfache Herstellung und niedrig in jede standard-Workshop erreichbare Kosten. Gibt es alternative Möglichkeiten, wie der 3D-Druck. - PDMS Elastomer und Härtemittel 10:1 mischen, achten Sie darauf, eine ausreichende Menge an PDMS vollständig untertauchen die Vorlagen vorbereiten.
- Nach dem gründlichen mischen, Entgasen der Mischung indem man es in einem Vakuum Glas im Vakuum Zustand (1-10 Mbar) für ca. 15 min oder bis es keine sichtbaren Luftblasen gibt (je nachdem, was höher ist); das eingeschlossene Luft in der Mischung zu entfernen ist.
- Den Teig PDMS auf Acryl Vorlagen bis ihre oberste Fläche ca. 1 mm unterhalb der Flüssigkeitsoberfläche eingetaucht ist. Entgasen Sie PDMS erneut, um eingeschlossene Luft mit den gleichen Einstellungen wie in 3.4 entfernen. Erhitzen Sie dies bei 60 ° C für 2 Stunden auf eine flache Heizplatte, die Mischung zu heilen.
- Der ausgehärteten PDMS aus der heißen Platte entfernen und auf Zimmertemperatur abkühlen lassen. Mit einer Rasierklinge geschnitten PDMS an den Rändern der Acryl Vorlagen.
- Mit einer Pinzette, einer Ecke des Schnittes PDMS kneifen und ziehen Sie vorsichtig die PDMS aus Acryl Vorlagen.
Hinweis: Abbildung 3 b zeigt das Planieren und Dimensionen des PDMS Replikats verwendet, gemusterte Hälfte des Geräts zu fabrizieren. - Bereiten dem zweiten PDMS-Replikat für die Herstellung der Wohnung die Hälfte des Geräts durch Wiederholung der Schritte 3.3 bis 3.7 aber der Acryl Bohrschablone ungelocht Durchmesser 1,5 mm.
4. Mikrofluidische Gerät Herstellung
- Herstellung von gemusterten Hälfte des Geräts (d. h. mit Geräteanordnung)
- behandeln das CaF 2 Fenster mit Sauerstoffplasma bei 60 W für 30 s mit 20 Sccm Sauerstoffzufuhr. Dies geschieht, um die Verbesserung des NOA während der folgenden Herstellung.
Hinweis: Dieser Schritt ist nicht zwingend erforderlich. - Ort sorgfältig die erste PDMS Vorlage (einer mit 1,5 mm Durchmesser Säulen) auf einer flachen Oberfläche, z. B., ein Kalk-Natron-Platte ( Abbildung 4 ein). Legen Sie ein CaF-2-Fenster zentriert auf der Oberseite der PDMS-Stecker und drücken Sie vorsichtig das Fenster, so dass es in gutem Kontakt mit dem Stecker ( Abbildung 4 b).
- Nehmen die PDMS-Form gemacht, in Schritt 2 und legen Sie eine dünne UV-transparente Platte (in diesem Fall, ein Quarz-Platte, 500 µm dicken und 1,5 cm x 1,5 cm groß) auf der Rückseite des Werkzeugs, mit dem Standort der zentralen Kammer ( Abbildung 4 ausgerichtet (c). darauf achten, dass die Quarz-Platte in gutem Kontakt mit der PDMS-Form ist.
Hinweis: The-Quarz-Platte verhindert, dass die unerwünschten Bereich der Form leicht in Kontakt mit dem CaF 2 Fenster. - Legen sanft diese PDMS Form verdeckt nach dem CaF 2 Fenster mit der fluidische Kammer in die Mitte des Fensters CaF 2 ausgerichtet. Stellen Sie sicher, dass alle Elemente (Vorlage, Schimmel und Fenster) in gutem Kontakt sind und ( Abbildung 4 c-4D ausgerichtet).
- Allmählich Tropfen NOA an lassen die PDMS-Vorlage und lassen Sie es langsam füllen der Kavität. Sobald das Harz in Kontakt mit der Kante des Fensters kommt, die Kapillare Strömung wird die Lücke dünn (~ 10 µm) zwischen dem PDMS Schimmel und CaF 2 Fenster ( Abbildung 4 e-4f).
- Nach der Hohlraum vollständig gefüllt ist, heilen die NOA durch die Einwirkung von UV-Licht (z.B. mit einem UV-LED-Belichtungssystem, Abbildung 4 g).
Hinweis: Die Belichtungszeit kann entsprechend variieren mit der Energie der UV-Quelle. Die UV-LED Belichtungssystem, das eine Leistungsdichte von 24 mW/cm 2 bietet, erfordert rund 90 s bei 100 % Leistung und kontinuierliche Belichtungsmodus. - Entfernen Sie vorsichtig die dünnen Quarz-Platte von der Rückseite der PDMS-Form und dann vorsichtig schälen die PDMS-Form vom oberen Rand der NOA-Schicht ( Abbildung 4 h). Entfernen Sie schließlich die NOA-Schicht aus der PDMS-Vorlage ( Abbildung 4 ich).
Hinweis: Resultierende Geräteanordnung auf den ausgehärteten NOA hätte die gleiche Polarität des Musters in der primären Silikon Form.
- behandeln das CaF 2 Fenster mit Sauerstoffplasma bei 60 W für 30 s mit 20 Sccm Sauerstoffzufuhr. Dies geschieht, um die Verbesserung des NOA während der folgenden Herstellung.
- Herstellung von der flachen Hälfte des Geräts (d. h. ohne Geräteanordnung)
- behandeln das CaF 2 Fenster mit Sauerstoffplasma bei 60 W für 30 s mit 20 Sccm Sauerstoffzufuhr.
Hinweis: Dieser Schritt ist nicht zwingend erforderlich. - Ort sorgfältig die zweite PDMS Vorlage (einer ohne die 1,5 mm Durchmesser Säulen) auf einer flachen Oberfläche, z. B., ein Kalk-Natron-Teller. Legen Sie ein CaF-2-Fenster zentriert auf der Oberseite der PDMS-Stecker und drücken Sie vorsichtig das Fenster, so dass es in gutem Kontakt mit dem Plug.
- Legen Sie ein 1 mm Dicke PDMS Blatt mit 5 x 3,5 cm Größe auf das CaF 2 Fenster mit dem PDMS-Blatt mit dem Zentrum der PDMS Vorlage ausgerichtet. Darauf achten, dass das PDMS-Blatt in gutem Kontakt mit dem Fenster ist.
- Allmählich Tropfen NOA an lassen die PDMS-Vorlage und lassen Sie es langsam füllen der Kavität.
- Nach der Hohlraum vollständig gefüllt ist, heilen die NOA durch die Einwirkung von UV-Licht (z.B. mit einem UV-LED-Belichtung-System).
Hinweis: Die Belichtungszeit kann entsprechend variieren mit der UV-Energie-Quelle. Mit dem UV-LED-Belichtung-System bietet eine Leistungsdichte von 24 mW/cm 2, erfordert dies rund 50 s bei 100 % Leistung und kontinuierliche Belichtungsmodus. - Peel off der PDMS-Blatt von der Spitze der NOA-Schicht und entfernen Sie vorsichtig die gehärtete Schicht NOA aus der PDMS-Vorlage.
- behandeln das CaF 2 Fenster mit Sauerstoffplasma bei 60 W für 30 s mit 20 Sccm Sauerstoffzufuhr.
- Der beiden Hälften des Gerätes kleben
- die beiden Hälften des Gerätes ausrichten, so dass beide CaF 2 Fenster ausgerichtet sind. Sanft Finger drücken Sie beide Hälften an der Ecke der NOA Schichten derart, dass die Position der beiden Gehäusehälften fixiert sind.
- Schneiden Sie zwei Kreisscheiben aus einem 1 mm dicken PDMS Blatt mit ein 8 mm Durchmesser Puncher ( Abbildung 5 ein).
- Schneiden Sie zwei Rechtecke mit der gleichen Größe des Gerätes (4 x 2,5 cm) aus einem 1 mm dicken PDMS Blatt. Auf beide PDMS Rechtecke geschnitten Öffnungen, die Kanäle und die in-lassen/out-let des Geräts entspricht.
Hinweis: Die vorgestanzten Öffnungen in der PDMS-Rechtecke sollen verhindern, dass die Kanäle ausblenden beim Pressen. - Stack in der folgenden Reihenfolge von unten: ein PDMS-Rechteck mit vorgestanzten Öffnungen, ein PDMS-Scheibe (Kontakt mit dem unteren Fenster, Schnitt im Schritt 4.3.2), die beiden Finger gedrückt Hälften des Geräts, die zweite PDMS-CD (auf der oberen Fenster sitzen), und schließlich Das zweite PDMS-Rechteck mit vorgestanzten Öffnungen ( Abb. 5 b).
- Dieser Versammlung im Vakuumpresse Setup zu platzieren, so dass es zwischen 2 Platten eingeklemmt ist und verschließen die Plastiktüte ( Abbildung 5 c). Schalten Sie die Vakuumpumpe und evakuieren Sie die Versammlung zu. Lassen Sie die Vakuumpumpe erreicht seine Basisdruck oder wenden Sie das Vakuum für mindestens 10 min.
Hinweis: Der Basisdruck erreicht richtet sich nach der eingesetzten Vakuumpumpe und die Qualität der Versiegelung des Plastikbeutels. - Setzen die evakuierte zu UV mit einem Breitband-Hg Gaslampe bei 270 W für 15 min. Turn off die Vakuumpumpe und lassen Sie die Montage langsam auf den atmosphärischen Druck vor dem Entfernen des endgültigen Geräts aus der Baugruppe entlüften Assembly.
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Representative Results
Abbildung 6 zeigt die Transmission Spektren von einem brandneuen CaF2 Fenster, der gemusterte Hälfte des Geräts und das komplette Gerät. Alle drei Spektren weisen hervorragenden Transparenz bis Mitte IR mit Durchlässigkeit größer als 80 %. Das Interferenzmuster sichtbar im Spektrum der das vollständige Gerät (gelbe Kurve in der Abbildung) wird durch den Luftspalt im Bereich von 9 bis 10 µm zwischen den beiden Fenstern verursacht. Diese Spektren zeigen, dass die Herstellung Ansatz hier präsentierten die Transparenz der CaF2 im mittleren IR-Bereich nicht verändert wird.
Abbildung 7 eine zeigt ein Beispiel für gute Replikation in NOA der PDMS sekundäre Form mit der mikrofluidischen Lay-out. Die Struktur über dem CaF2 Fenster ist wohlgeformt durch das sauber Schälen der NOA-Schicht aus der PDMS-Form, nachdem es teilweise UV-härtenden ist. Keine NOA sollte auf die Form oder die Fensterfläche in Kontakt mit der Schimmel-Vorsprünge bleiben. Alle NOA klebte an der Form übersetzt fehlt NOA Struktur auf das Fenster, das Lecks während Flow Experimente des endgültigen Geräts verursachen würde. Darüber hinaus sollte um gute Abdichtung der beiden Hälften zu erreichen, NOA noch klebrig nach UV-Exposition der halben Schichten sein. NOA ist übermäßig geheilt, wenn es nicht klebrig ist. Die Strahlendosis sollten optimiert werden, um solche Ergebnisse zu erzielen.
Abbildung 7 b zeigt stattdessen erfolglos Replikation in NOA, wo das Muster auf der CaF-2 -Fenster nicht korrekt definiert ist. Es ist meist verursacht durch unzureichende UV-Exposition Dosis, d.h.von NOA aushärten. In solchen Fällen ist NOA noch etwas feucht, verursacht ein Teil davon an die PDMS-Form zu halten. Wenn NOA noch an PDMS Schimmel, klebt obwohl die korrekte Belichtung verabreicht wurde, dies kann jedoch ein Symptom von Silan Beschichtung (z.B. Anti-Haft-Schicht) wird im Laufe der Zeit abgebaut. Da PDMS eine weiche Form ist, ist es nicht so langlebig wie die primäre Form von Silizium. Es muss nach einer Anzahl von Verwendungen ersetzt werden.
Abbildung 1: Herstellung von Kunststoff mikrofluidischen Geräten: (a-e) Schematische Darstellung der Fertigung. (f) Bild von einem echten Gerät und Schaltplan seines Querschnitts. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.
Abbildung 2: Übersicht der Fotomaske, Silizium primäre Form und PDMS sekundäre Form repliziert aus der Silikon-Form: (ein) Fotomaske mit Hellfeld Polarität (oben links); Planieren des Musters in der Fotomaske (rechts) bestehend aus:-lassen und mit 2 mm Durchmesser (1 und 2) und Abstand von 3 cm zwischen ihnen, Kanäle mit 300 µm Breite (3) out-lassen Sie, verweisen zwei Kammern mit 5,5 mm x 0,75 mm Größe (4), mittlere Kammer mit 5 x 2,5 mm Größe ( (5), Beugung Gitterroste als optische Hilfe mit breiten Linien 10 µm und 20 µm Spalt (6); Zoom-in Lay-Out der zentralen Kammer zeigt das Beugungsgitter (unten links). (b) Bild der Silizium primäre Form mit dem Muster in der SU-8 Photoresist definiert. (c) Bild der PDMS sekundäre Form mit umgekehrter Polarität in Bezug auf die primäre Form. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.
Abbildung 3: Die Template-Tools bereit, die Herstellung des Geräts zu erleichtern: (ein) Acryl Vorlage: tatsächliche Vorlage (oben) und seine schematische Querschnittsansicht (unten). (b) PDMS Replik der Acryl-Vorlage: tatsächliche Replica (oben) und seine schematische Querschnittsansicht (unten). Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.
Abbildung 4: Ablauf für die Herstellung von gemusterten Hälfte des Geräts: (ein) Ort der PDMS Vorlage auf einer flachen Oberfläche. Hier haben wir Kalk-Natron-Glas verwendet. (b) zentriert auf der Oberseite der PDMS-Stecker CaF2 platziert wird. (c-d) PDMS Schimmel ist verdeckt in Richtung der CaF-2 mit der fluidische Kammer abgestimmt auf die Mitte des Fensters gelegt. Stellen Sie sicher, dass alle Elemente in gutem Kontakt sind und ausgerichtet. (e-f) Gießen von NOA über die lassen und ermöglicht es, langsam füllen der Kavität. (g) NOA ist geheilt, indem man es unter UV-Licht. Strahlendosis variieren je nach der Energie der UV-Quelle verwendet. (h) ziehen Sie vorsichtig das PDMS Schimmel und die Vorlage der ausgehärteten NOA freizugeben. (ich) fertig gestellte Geräteschicht mit mikrofluidischen Strukturen in NOA. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.
Abbildung 5 : Vakuum drücken Sie Setup zum Pressen der beiden Hälften des Geräts, um ein komplettes Gerät bilden: (ein) PDMS kreisförmige Scheibe (Durchmesser 8 mm) und PDMS Rechteck (4 x 2,5 cm) mit vorgestanzten Öffnungen. Beide sind aus einem 1 mm dicken PDMS Blatt geschnitten. (b) Überblick über den Layer-Stapel vor dem Pressen. (c) Überblick über die Vakuumpresse. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.
Abbildung 6 : Mid-IR t Ransmittance Spektren von einer bloßen CaF 2 Fenster (rot), eine die Hälfte des Geräts gemustert (blau), und ein Komplettgerät (gelb). Alle drei Spektren weisen hervorragenden Transparenz bis Mitte IR mit Durchlässigkeit größer als 80% Klicken Sie bitte hier, um eine größere Version dieser Figur.
Abbildung 7: Gemustert die Hälfte des Geräts: (ein) Beispiel für eine wohlgeformte mikrofluidischen Struktur in NOA. Dunkler Bereich im Fenster zeigt eine gut definierte Struktur zeigt deutlich die zentrale Kammer, zwei Referenz-Kammern und die Kanäle. (b) Beispiel für eine schlecht gebildeten mikrofluidischen Struktur in NOA wegen m. Es gibt Reflow von NOA durch rote Pfeile angedeutet. Auch fehlt eine der Referenz-Kammern (grünen Pfeil). Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.
Abbildung 8 : Mikrofluidischen Jig Anschluss des gefertigten Gerätes an externe Beschaltung fluidische. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.
Abbildung 9: Platzierung des PDMS Form bei der Herstellung der gemusterten Hälfte des Geräts: (ein) Beispiel für die gute Platzierung der PDMS-Form auf die CaF-2 -Fenster. Das Fenster ist in Kontakt mit nur den Vorsprung auf dem PDMS-Schimmel, zeigt deutlich die zentrale Kammer, zwei Referenz-Kammern und die Kanäle (gekennzeichnet durch den dunkleren Bereich). Die Beugung Gitterroste, um das Gerät herum und in der Mitte des zentralen Kammer sind während der Platzierung der PDMS-Form für eine visuelle Anleitung gedacht. (b) Beispiel für eine schlechte Platzierung der PDMS-Form auf die CaF-2 -Fenster. Die dunklere Bereich zeigt, dass es auch ein unerwünschter Bereich der Form, die in Kontakt mit dem Fenster ist, wie durch den roten Pfeilen angezeigt. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.
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Discussion
Um bewerten und optimieren die Fertigung Protokoll, wir verwendet ein einfaches Layout für das mikrofluidischen Muster mit einer großen rechteckigen Kammer (5 x 2,5 mm Größe) in der Mitte, zwei kleine rechteckige Kammern (5,5 x 0,75 mm Größe) von den Hauptstromkreis getrennt auf der Ober-und Unterseite und 300 µm Breite in-lassen/out-let Kanäle. Die zentrale Kammer dient für die Aussaat und Beobachtung der Zellen, während die zwei getrennten kleineren Kammern verwendet werden, um die Luft Hintergrund während FTIR messen Experimente als Referenzkammer, wie in einer früheren Publikation13diskutiert. Im lassen und Out-lassen Sie die zentrale Kammer mit dem externen fluidische System verbinden.
Hier sind Template-Tools (siehe Protokoll Schritt 3) eingeführt, um den Fertigungsprozess zu erleichtern. Bisher war es schwierig, konsequent die CaF2 Fenster genau in der Mitte des endgültigen Geräts legen, die Probleme verursacht, wenn die beiden Hälften des Gerätes ausrichten. Die Verwendung der Vorlage bietet eine visuelle Anleitung für die Platzierung der Fenster und sorgt dafür, dass die Lage immer ähnlich ist. Wie die geometrischen Anforderungen für diese Vorlagen nicht sehr streng sind, können Standard- und billige Produktionstechnologien verwendet werden. In diesem Fall wir machten sie aus Acryl Kunststoff durch Bearbeitung in einer Werkstatt, sondern eine gleichermaßen praktikable und günstige Alternative ist 3D-Druck.
Das Design der Acryl Vorlagen ist so, dass sie verfügen über die folgenden (Abbildung 3ein): (a) eine Vorlage ist mit zwei kleine Löcher auf jeder Seite entworfen, während die zweite ohne Löcher; die Löcher sind 1,5 mm Durchmesser in Größe und 1,5 mm in der Tiefe, (b) beide Vorlagen haben ein kreisrundes Loch mit 8 mm Durchmesser und 500 µm Tiefe in der Mitte und (C) beide Vorlagen haben einen rechteckigen Vorsprung zu definieren, die Größe, Form und Dicke der das halb-Gerät; das Rechteck ist 4 x 2,5 cm in der Länge/Breite und 1,5 mm dick.
Die daraus resultierende PDMS-Vorlagen aus Acryl Vorlagen repliziert haben die entgegengesetzte Polarität (Abbildung 3b): (a) einer Vorlage müssen zwei Säulen auf jeder Seite mit 1,5 mm Durchmesser und 1,5 mm Höhe bilden die lassen und Out-lassen sich von der gemusterte Hälfte des Geräts nach dem NOA gießen; die zweite Vorlage wird ohne Säulen, (b) beide Vorlagen haben eine 500 µm hohen Säule in der Mitte zu erleichtern die Platzierung der CaF2 Fenster; Diese Funktion wird als "PDMS-Stecker" bezeichnet werden, und (C) beide Vorlagen sind mit einem Hohlraum, die endgültige Form und Größe der jeweils die Hälfte des Gerätes definiert: ein Rechteck mit 4 x 2,5 cm Größe und 1,5 mm Dicke in diesem Fall gestalten.
Um den Fertigungsprozess weiter zu erleichtern, wurden Beugung Gitterroste in der Gestaltung der Fotomaske für die primäre Silikon Form eingearbeitet. In der PDMS-Replik dieser Silikon-Form sind die flachen Vorsprünge (die weniger als 10 µm in der Höhe) schwer zu sehen, aufgrund der optischen Transparenz des PDMS. Flache Vorsprünge wenn in einem Gitter von 10 µm breite Linien mit 20 µm Abstand angeordnet erzeugen jedoch eine leicht sichtbare Störungen Muster16. Das Interferenzmuster wurde als optische Hilfe um die Position des mikrofluidischen Lay-Out in der PDMS-Form definieren ausgenutzt. Das Design der Form enthält ein Gestell aus dem Gitter, die Gesamtgeometrie des Geräts zu definieren. Ein weiteres Gitter wurde weiter mitten in der zentralen Kammer das mikrofluidische Layout hinzugefügt, um Ausrichtung mit dem CaF2 Fenster zu erleichtern. Es ist erwähnenswert, dass das Gitter in die zentrale Kammer wird nicht in das letzte Gerät reproduziert werden, da sie aus einer Reihe von kurzen Hohlräumen besteht, die nicht an den Rand der zentralen Kammer verbunden sind. Daher wäre die fließenden NOA nicht auf diese Hohlräume zugreifen.
Für die Zelle Injektion und Datenträgeraustausch benötigt jedes Gerät seine in lassen und Out-lassen Sie manuell vor der Versiegelung gestanzt. Dies führte zu nicht reproduzierbaren Positionierung der Löcher. Dies hat nicht den Betrieb der einzelnen Geräte beschränkt, da die Verbindung durch einen kleinen metallischen Stift in eine der Öffnungen kleben und anbringen ein Kunststoff-Reservoir am anderen Ende als ein Abfallsammler erreicht wurde. Deshalb unterschiedliche Positionen der Löcher nicht Sorge außer auf Kosten ein komplexer Fertigung-Schema. Vereinfachen und standardisieren die Prüf- und endgültige Verwendung jedes Gerätes, eine maßgeschneiderte fluidische Spannvorrichtung mit festen in-lassen/out-let-Standorten entfernt eingeführt (siehe Abbildung 8), die Notwendigkeit, die Pin und das Reservoir zu befestigen. Daher würde in-lassen/out-let Löcher mit inkonsistenten Positionen hier ein Problem darstellen. Durch den Einbau von zwei 1,5 mm Durchmesser-Löcher in der vorgefertigten Acryl Vorlage (Protokoll (Schritt 3), die Säulen in der PDMS-Form werden, wird die Notwendigkeit, die Löcher an den Enden der mikrofluidische Kanäle manuell zu stanzen entfernt. Darüber hinaus ist ihre Position fixiert und das gleiche für jedes Gerät.
Das Fehlen von Lecks im Gerät kann überprüft werden, mit dem gleichen Verfahren wie anderswo13 d.h., durch die Fütterung des Geräts mit einer Lösung von Fluorescein deionisiertes Wasser diskutiert.
Wichtige Schritte im Protokoll
Bei der Herstellung der gemusterten Hälfte des Geräts werden Platzierung der PDMS-Form über dem CaF2 Fenster sorgfältig durchgeführt. Die einzige Strukturen auf dem Schimmel die Fenster kontaktieren dürfen sind die 10 µm hohen Vorsprünge. Wann immer es eine unerwünschte Kontaktfläche, sollte der Schimmel Platzierung Schritt erneut vorgenommen werden. Um zu verdeutlichen, zeigt Abbildung 9eine sorgfältige Platzierung der Form auf das Fenster, während Abbildung 9b wo ein unerwünschter Bereich der Form in Kontakt mit dem Fenster ist ein Beispiel für schlechte Platzierung zeigt. Abbildung 9 b führt zu einer fehlenden NOA Struktur auf dem Fenster. Die kleine Quarz-Platte in das Protokoll (Schritt 4.1.3, Abbildung 2c) erwähnt hilft die Schimmel-Platzierung, da es verhindert, dass unerwünschten Bereich der Form leicht in Kontakt mit dem CaF2 Fenster kommen. Quarz-Platte und PDMS Schimmel sind auch dünn, so dass sie ausreichend leicht und transparent für UV17,18.
Die richtige Dosis der UV-Exposition für die halbe Schichten zu finden ist auch entscheidend für den Fertigungsprozess. Wenn NOA mit einer unzureichenden Dosis ausgesetzt ist, wird die ausgehärtete NOA während des Peelings, reflow, was zu einem Verlust der Definition der Struktur und möglicherweise überlaufen auf die CaF2 Oberfläche. Auf der anderen Seite, zu hoch für eine Dosis Aufnahmeergebnisse bei der Heilung von übermäßig von der NOA NOA in einen nicht-klebrigen Zustand zu verwandeln. Nachfolgende Verklebung der beiden Hälften würden leiden, weil nicht klebrig NOA auf der gemusterten halbe Schicht nicht an das CaF2 Fenster in der Wohnung eine halbe Ebene binden würde. Im Idealfall sollte die richtige Dosis die kürzeste BelichtungDosis die NOA, die Struktur zuverlässig zu replizieren, unter Beibehaltung seiner klebrigen Zustand ermöglicht. Neben der Bestimmung der richtigen Strahlendosis, sollte Verklebung der beiden Hälften so bald wie möglich innerhalb von 30 min erfolgen, da die Klebrigkeit von NOA allmählich mit der Zeit sinkt bis es nicht mehr möglich für die Verklebung.
Andere Punkte zu beachten sind bei der Vakuumpresse zum Verkleben. Die Compliance-Schichten (d.h. PDMS Feinbleche sandwiching das Gerät) sollten relativ gleichmäßigen Dicke für gleichmäßige Druckverteilung auf dem Gerät haben. Zu diesem Zweck wurde eine maßgeschneiderte Acryl Spannvorrichtung mit einer definierten Abstandhalter Dicke verwendet, um solche PDMS-Platten gegossen. Die Compliance-Blätter sollten auch sauber zu vermeiden Einführung lokalen Druck, vor allem auf die spröde CaF2 -Fenster sein.
Vorteile des Verfahrens im Vergleich zu bisherigen Methoden
Unsere Fertigung Ansatz demonstriert die Produktion von einem Kunststoff Gerät kompatibel mit FTIR-Messungen. Da die Mikro-Fertigung-Technik gute Kontrolle über die Dimension des Features bietet, ist die erreichbare Kontrolle über die Höhe der mikrofluidische Kanäle viel präziser als was mit anderen Herstellung Ansätze (z.B.erzielt werden kann Kunststoff-Abstandhalter).
Ein entscheidender Vorteil dieses Protokolls ist, dass es in einem Kunststoff-Gerät mit UV-Vis-IR-transparente Sicht-Häfen führt; die bisher nachgewiesenen mikrofluidischen Geräte für FTIR wurden auf einem großen IR transparenten Substrat, erfordert Lithographie Schritte für jedes Gerät10,11,12produziert. In den gegenwärtigen Ansatz wird die Kosten und Komplexität der Herstellung reduziert, da nur die Herstellung der Form Si Lithographie erfordert.
Schließlich mit Hilfe einer UV heilbar Harz (NOA73 in dieser Demonstration) als die wichtigsten Kunststoff-Körper die Konnektivität des Geräts an ein externes System für flüssige Lieferung erleichtert durch Kleben oder das Anbringen der Verbindungen, die Kunststoff-Körper oder mithilfe einer fluidischen Jig für schnellere Geräteherstellung oder Nutzung.
Zukünftige Anwendungen der Methode
Der mögliche Verbesserungen und Entwicklung, die erkundet werden können, sind zwei unmittelbare und wichtige. Zunächst schlägt die Breitband-optische Transparenz des View-Ports die Kopplung der FTIR mit hochauflösender Fluoreszenz-Mikroskopie auf der gleichen Plattform. Dies kann leicht durch die Reduzierung der Dicke eines der CaF2 Fenster um die Einhaltung der Anforderungen der Arbeitsabstand mit hoher numerischer Apertur und hoher Vergrößerung Ziele verfolgt werden. Zweitens kann diese Herstellung Schema für komplexere fluidische Layouts möglich. Mehrere Kammern Beobachtung und Funktionselemente wie Mischer und Sortiermaschinen, verbinden kann umgesetzt werden, solange ihre Geometrie definiert die offene Hohlräume unter den Fenstern.
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Disclosures
Die Autoren haben nichts preisgeben.
Acknowledgments
Die Autoren erkennen dankbar MBI finanziellen Unterstützung.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Chemical | |||
| Trichloro(1H,1H,2H,2H-perfluorooctyl)silane 97% | Sigma Aldrich | 448931-10G | |
| Sylgard 184 Silicone Elastomer Kit | Dow Corning | Polydimethylsiloxane or in short, PDMS | |
| Norland Optical Adhesive 73 | Norland Products Inc. | 7304 | |
| SU8 3010 photoresist | MicroChem | Y311060 | |
| SU8 developer | MicroChem | Y020100 | |
| Material | |||
| Silicon wafer, 4 inch, prime grade | Bonda Technology Pte Ltd | ||
| CaF2 IR-grade windows | Crystran, UK | CAFP10-1 | 10 mm diameter, 1 mm thickness |
| Acrylic templates | Custom made | ||
| Equipment | |||
| UV-KUB 2 (UV LED exposure system) | KLOE | Emission spectrum 365nm ± 5nm | |
| Newport UV lamp | Newport | Model 66902 | 50-500 Watt Hg arc lamp |
| CEE Spin coater | Brewer Science | Model 200x | |
| MJB4 mask aligner | SUSS MicroTec | ||
| Precision digital hot plate | Harry Gestigkeit GmbH | 2860SR | |
| Plasma Surface Technology | Diener Electronic GmbH + Co. KG | For O2 plasma treatment | |
| IDP-3 Dry Scroll Vacuum Pump | Agilent Technologies | ultimate pressure 3.3 x 10-1 mbar | |
| Bruker IFS 66v/s FTIR Spectrometer | Bruker |
References
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