Summary
É descrito um protocolo para a fabricação de dispositivos microfluídicos plástico com vista-portas transparentes para a imagem latente de luz visível e infravermelho.
Abstract
Infravermelho (IR) spectro-microscopia de amostras biológicas vivas é dificultada pela absorção de água na faixa de meados-IR e pela falta de dispositivos microfluídicos apropriado. Aqui, um protocolo para a fabricação de dispositivos microfluídicos plástico é demonstrado, onde técnicas litográficas suaves são usadas para incorporar transparente vista-portas de fluoreto de cálcio (CaF2) no contexto da observação chamber(s). O método baseia-se numa abordagem de fundição de réplica, onde um molde do polydimethylsiloxane (PDMS) é produzido através de procedimentos padrão litográficas e então usado como modelo para produzir um dispositivo de plástico. O dispositivo de plástico apresenta ultravioleta/visível/infravermelho (IR/UV/Vis) - janelas transparentes feitos de CaF2 para permitir a observação direta com visível e luz infra-vermelha. As vantagens do método proposto incluem: uma necessidade reduzida para acessar uma unidade de microfabricação de sala limpa, várias portas-exibição, uma conexão fácil e versátil para um sistema de bombeamento externo através do corpo de plástico, flexibilidade do design, , por exemplo, , aberto/fechado de configuração de canais e a possibilidade de adicionar recursos sofisticados tais como membranas nanoporous.
Introduction
Spectro-microscopia de Fourier Transform infravermelho (FTIR) tem sido extensivamente utilizada como uma técnica de imagem livre de rótulo e não-invasiva para fornecer informações detalhadas de químicas de uma amostra. Isto permite a extração de informações bioquímicas para estudar a química das amostras biológicas, com um mínimo de preparação, desde que o espectro de absorção da amostra carrega as impressões digitais intrínsecas de sua composição química1 , 2. recentemente, FTIR foi cada vez mais aplicado ao estudo de amostras biológicas vivas, por exemplo, células3. No entanto, água, que é o meio para as células vivas na maioria dos casos, mostra uma forte absorção na região de meados-IR. Mesmo sendo uma camada fina, sua presença completamente pode sobrecarregar a informação estrutural importante dos espécimes.
Por muitos anos, a abordagem comum foi fixação ou amostras para excluir completamente o sinal de absorção de água no espectro de secagem. No entanto, essa abordagem não permite medições em tempo real em células vivas, que é essencial para estudar a mudança de sua composição química e processos celulares com o tempo. Uma maneira para obter confiança espectros de absorção de amostras biológicas vivas, é limitar o comprimento do percurso óptico total no meio do raio IR para menos de 10 µm4.
Uma abordagem bem estabelecida em viver experiências pilha tem sido até agora, a reflexão Total atenuada (ATR)-imagem de FTIR, que permite medições independentes da espessura da amostra, permitindo que as células sejam mantidos em uma camada mais espessa de meio aquoso. No entanto, a pequena profundidade de penetração da onda evanescente restringe as medições de amostras para somente os primeiros alguns mícrons da superfície do cristal ATR5.
Como alternativa, a limitação de absorção de água foi contornada com o surgimento de vários sistemas microfluídicos, que geralmente são classificados em dois grandes grupos: abrir o canal (onde uma das superfícies da fluido é exposta à atmosfera) e fechado canal (onde duas janelas transparentes-IR são separadas por um espaçador com espessura definida).
Loutherback et al desenvolveram um dispositivo de abrir canais de membrana que permite que a longo prazo IR medições contínuas de células vivas por até 7 dias6. O método requer alta umidade no ambiente para evitar a evaporação do meio de superfície celular. O sistema funciona melhor com as células que crescem naturalmente nas interfaces ar-líquido, tais como tecidos epiteliais da pele, pulmão e os olhos ou biofilmes microbianos7.
Uma configuração de canal fechado visa criar uma camada fina, uniforme entre duas janelas transparente para IR paralelas, onde as células são mantidas em seus meios aquosos. A espessura desta cavidade é tal que o sinal de absorção de água é abaixo de saturação. Fundo de água pode então ser subtraído para obter os espectros de amostra correta. A maioria dos métodos de canal fechado utiliza um espaçador plástico separando as duas janelas para formar uma câmara líquido desmontáveis3,8,9. Uma vantagem deste método é que não exige microfabrication; no entanto, estruturas mais complexas do que uma câmara de medição com canais de na e out let são extremamente difíceis de perceber no espaçador fino. Há também um problema com a reprodutibilidade do comprimento do caminho entre as medições de IR devido a sua dependência de fixação mecânica. Para alcançar um controle mais preciso do afastamento para a aquisição de espectro mais confiável, foram implementados métodos litografia óptica para fotorresiste padrão no topo do substrato IR para definir o espaçador9,10 , 11 , 12. mesmo que isto torna possível para estruturas mais complexas ser definido no espaçador, o método requer acesso a uma instalação microfabrication para produzir o padrão em cada substrato.
Neste trabalho, apresentamos uma técnica simples de fabricação de um dispositivo de microfluidic IR-compatível, com o objectivo de reduzir o custo da fabricação e a exigência de acessar uma instalação microfabrication. O método apresentado aqui (ver Figura 1) utiliza um processo estabelecido, conhecido como litografia macia. Dois moldes são necessários neste caso. O molde primário é feito de uma bolacha de silicone de 4 polegadas, usando um processo padrão de litografia de UV. O molde secundário é sua réplica feita de PDMS, que tem uma polaridade invertida do padrão no molde silicone primária e serve como o mestre molde para fabricação de dispositivo subsequentes.
O dispositivo tem duas camadas distintas: uma primeira camada com o layout microfluidic (que no caso apresentado consiste no canal microfluídicos, na-/ fora deixa- e uma câmara de observação com uma CaF2 viewport) e uma segunda camada com uma superfície plana ( que consiste em apenas uma CaF2 viewport).
Aqui, um adesivo de óptica UV-curable, Norland óptico adesivo 73 (NOA73, abreviado como NOA daqui em diante), é usado para formar o corpo de plástico principal do dispositivo. Existem várias vantagens de usar este adesivo óptico: fabricação de baixo custo, facilidade de conectividade com sistemas externos, boa transparência óptica, baixa viscosidade e mais importante, biocompatibilidade13. CaF2 é uma escolha apropriada como a viewport devido à sua biocompatibilidade e excelente transparência IR14.
Com esta nova abordagem, acesso a uma instalação microfabrication é estritamente exigido somente para a fabricação do molde principal. Processos de fabricação subsequentes para o dispositivo de plástico microfluidic podem efectuar-se em qualquer laboratório equipado com uma fonte de iluminação UV.
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Protocol
1. preparação do molde primário de silício
Nota: uma Fotomáscara é necessária para a preparação do molde principal. A Fotomáscara pode ser comprada de fornecedores independentes ou fabricada internamente através de procedimentos de fabricação padrão óptico máscara. Uma Fotomáscara com polaridade de campo claro é utilizada neste caso ( Figura 2 a).
- Definição de padrão de
- Spin revestir uma bolacha de silicone de 4 polegadas com SU-8 3010 fotorresiste negativo a 2.300 rpm por 30 s.
- Soft-Asse o fotorresiste num prato quente a 65 ° C por 2 min e em seguida a 95 ° C, durante 8 min.
- Expor o fotorresiste à luz UV (i-linha, 365 nm) através da Fotomáscara sob o alinhador de máscara para uma dose de energia total de 100-120 mJ/cm 2; o modo difícil de contato é o preferido para alcançar uma resolução melhor.
- Remova a bolacha e aplique uma exposição de post asse a 65 ° C por 1 min e em seguida a 95 ° C, por 2 min.
- Desenvolver o fotorresiste usando um desenvolvedor SU-8 à temperatura ambiente, em seguida, enxaguar com álcool isopropílico e soprar suavemente seco com azoto; a espessura medida padrão deve ser 10 µm e abaixo. Ver Figura 2 b para a foto do molde de silicone real.
- Silanização de molde de silicone
- tratar o molde de silicone com plasma de oxigênio a 60 W por 30 s 20 SCCM de fluxo de oxigênio. Ajustar a pressão de câmara de 1-10 mbar durante o processo.
- Colocar o molde em um frasco de vácuo com 50 µ l de silano e deixar o frasco no estado de vácuo (1-10 mbar) pelo menos 2 h.
Nota: O processo de silanização cria um revestimento hidrofóbico de superfície que impede a degola ao molde 15 de PDMS. Observe que o molde primário também pode ser fabricado utilizando um método alternativo, que envolve a gravura seca do silício. Neste caso, a Fotomáscara será de polaridade oposta (campo escuro), e a definição de padrão na etapa 1.1 usará um positivo fotorresiste.
2. Preparação do molde secundário de PDMS
- mistura de PDMS
- misturar o elastômero PDMS e agente de cura, 10:1; o montante total é tal que a espessura PDMS resultante é aproximadamente de 1 a 1,5 mm.
- Após a mistura completa, desgaseificar a mistura deixando-o em um frasco de vácuo no estado de vácuo (1-10 mbar) por aproximadamente 15 min ou até que não há nenhuma bolha visível; isto é remover todo o ar aprisionado dentro da mistura.
- Replicação de molde
- despeje a mistura PDMS sobre o molde de silicone fabricado na etapa 1 e desgaseificar a mistura para remover qualquer ar aprisionado com as mesmas configurações como na etapa 2.1.2. Calor a 70 ° C durante 2 h em uma chapa quente para curar a mistura.
- Remover o PDMS curado da placa quente e deixe esfriar até a temperatura de quarto. Com uma lâmina de barbear, cortar o PDMS ao longo das bordas do molde de silicone.
- Com um par de pinças, beliscar um canto do corte PDMS e Retire cuidadosamente a réplica PDMS fora o molde de silicone; o padrão resultante de microfluidic sobre este molde secundário é uma saliência, que é a polaridade oposta do (molde primário Figura 2 c).
- silanização da réplica de PDMS (mesmo como na etapa 1.2)
- tratar o molde PDMS com plasma de oxigênio a 60 W por 30 s 20 SCCM de fluxo de oxigênio. Ajustar a pressão de câmara de 1-10 mbar durante o processo.
- Lugar o molde em um vácuo do frasco com 50 µ l de silano e deixar o frasco no estado de vácuo (1-10 mbar) pelo menos 2 h.
3. Elaboração de modelos de PDMS
Nota: para padronizar a forma eo tamanho dos dispositivos finais e para facilitar o alinhamento das principais características nas duas metades, foram utilizados dois modelos separados de PDMS, que definem a geometria do dispositivo, a colocação da janela transparente e as conexões em e out let. O primeiro modelo de PDMS auxilia a fabricação da metade do aparelho, enquanto a segunda ajuda a aliviar a fabricação da parte plana do dispositivo modelada.
- Desenha os modelos usando um software de desenho (CAD) auxiliado por computador. Figura 3 um mostra o lay-out e dimensões do modelo usado para fabricar a metade estampada do dispositivo. Para fabricar a parte plana do dispositivo, remova os furos de 1,5 mm de diâmetro do design.
- Adquirir os modelos de um provedor externo ou através de uma oficina mecânica interna, se disponível.
Nota: O acrílico foi usado como o modelo de material devido à facilidade de fabricação e baixo custo viável em qualquer oficina padrão. Existem opções alternativas, como a impressão 3D. - Misturar o elastômero PDMS e agente de cura 10:1; não se esqueça de preparar uma quantidade suficiente de PDMS para submergir inteiramente os modelos.
- Após a mistura completa, desgaseificar a mistura deixando-o em um frasco de vácuo no estado de vácuo (1-10 mbar) por aproximadamente 15 min ou até que não há nenhuma bolha visível (se esta for posterior); isto é remover todo o ar aprisionado dentro da mistura.
- Despeje a mistura PDMS em modelos de acrílico, até que sua superfície mais alto está submersa cerca de 1 mm abaixo da superfície líquida. Desgaseifica o PDMS novamente para remover qualquer ar aprisionado com as mesmas configurações como em 3.4. Isto aquecer a 60 ° C, durante 2 h em uma chapa quente nivelada para curar a mistura.
- Remover o PDMS curado da placa quente e deixe esfriar até a temperatura de quarto. Com uma lâmina de barbear, cortar o PDMS ao longo das bordas dos modelos de acrílico.
- Com um par de pinças, beliscar um canto do corte PDMS e Retire cuidadosamente o PDMS fora os modelos de acrílico.
Nota: Figura 3 b mostra o lay-out e dimensões da réplica PDMS usado para fabricar a metade estampada do dispositivo. - Prepare a segunda réplica PDMS para fabricar o apartamento metade do dispositivo, repetindo os passos de 3.3 a 3.7 mas usando o modelo de acrílico sem os furos de diâmetro de 1,5 mm.
4. Fabricação de dispositivos microfluídicos
s- fabricação da metade estampada do dispositivo (ou seja, com layout de dispositivo)
- tratar da CaF 2 janela com plasma de oxigênio a 60 W para 30 20 SCCM de fluxo de oxigênio. Isso é feito para melhorar o fluxo de NOA durante a fabricação seguir.
Nota: Este passo não é obrigatório. - Lugar cuidadosamente o primeiro PDMS modelo (um com os pilares de diâmetro 1.5 mm) em uma superfície plana, por exemplo, uma cal sodada placa ( Figura 4 a). Colocar uma janela de 2 CaF centralizada em cima do plug PDMS e pressione suavemente a janela que está no bom contato com o plugue ( Figura 4 b).
- Tirar o molde PDMS feito na etapa 2 e colocar uma placa fina de UV transparente (no caso, uma placa de quartzo, 500 µm de espessura e 1,5 x 1,5 cm em tamanho) na parte traseira do molde, alinhado com a localização da câmara central ( Figura 4 c). Verifique se a placa de quartzo está em bom contato com o molde PDMS.
Nota: Thplaca de quartzo e impede que a área não desejada do molde facilmente entrando em contato com a CaF 2 janela. - Coloque suavemente esta cara de molde PDMS para baixo em direção a CaF 2 janela com câmara de fluídico, alinhada ao centro da janela 2 CaF. Certifique-se de que todos os elementos (modelo, molde e janela) estão em bom contato e alinhados ( Figura 4 c-4 d).
- , Gradualmente, dispense gotas de NOA em-let do modelo PDMS e deixá-lo lentamente preencher a cavidade. Uma vez que a resina entra em contato com a borda da janela, o fluxo capilar encherá a abertura de fina (~ 10 µm) entre o molde PDMS e CaF 2 janela ( Figura 4 e-4f).
- Após a cavidade é preenchida completamente, curar a NOA pela exposição à luz UV (por exemplo, com um sistema de exposição UV-LED, Figura 4 g).
Nota: O tempo de exposição pode variar de acordo com a energia da fonte de UV. O sistema de exposição UV-LED, que proporciona uma densidade de potência de 24 mW/cm 2, requer cerca de 90 s 100% de energia e modo de exposição contínua. - Com cuidado, retire a placa de quartzo fino na parte de trás do molde de PDMS e então, descasque delicadamente o molde PDMS da parte superior da camada de NOA ( Figura 4 h). Finalmente, retire a camada NOA do modelo ( Figura 4 eu) PDMS.
Nota: O layout resultante de dispositivo sobre a NOA curado, teria a mesma polaridade do padrão no molde silicone primária.
- tratar da CaF 2 janela com plasma de oxigênio a 60 W para 30 20 SCCM de fluxo de oxigênio. Isso é feito para melhorar o fluxo de NOA durante a fabricação seguir.
- Fabricação da parte plana do dispositivo (ou seja, sem layout do dispositivo)
- tratar a CaF 2 janela com plasma de oxigênio a 60 W por 30 s 20 SCCM de fluxo de oxigênio.
Nota: Este passo não é obrigatório. - Coloque cuidadosamente o segundo modelo PDMS (um sem os pilares de diâmetro 1.5 mm) sobre uma superfície plana, por exemplo, um prato de cal sodada. Colocar uma janela de 2 CaF centralizada em cima do plug PDMS e pressione suavemente a janela que seja em bom contato com o plugue.
- Coloque uma folha PDMS espessura de 1 mm com tamanho de 5 cm x 3,5 cm no topo da janela 2 CaF, com a folha PDMS alinhada com o centro do modelo de PDMS. Certifique-se de que a folha PDMS é em bom contato com a janela.
- Gradualmente dispensar gotas de NOA em-let do modelo PDMS e deixá-lo lentamente preencher a cavidade.
- Após a cavidade é preenchida completamente, curar a NOA pela exposição à luz UV (por exemplo, com um sistema de exposição UV-LED).
Nota: O tempo de exposição pode variar de acordo com a fonte de energia UV. Com o sistema de exposição UV-LED, que proporciona uma densidade de potência de 24 mW/cm 2, isso requer cerca de 50 s 100% de energia e modo de exposição contínua. - Casca folha de PDMS da parte superior da camada de NOA e cuidadosamente retire a camada NOA curada do modelo PDMS.
- tratar a CaF 2 janela com plasma de oxigênio a 60 W por 30 s 20 SCCM de fluxo de oxigênio.
- De ligação das duas metades do dispositivo
- alinhar as duas metades do dispositivo tal que ambas as janelas de 2 CaF estão alinhadas. Delicadamente dedo pressione ambas as metades no canto das camadas NOA tal que a posição das duas metades são fixadas.
- Cortar dois discos circulares fora de uma folha 1 mm espessura PDMS usando um 8mm diâmetro perfurador ( Figura 5 a).
- Corte dois retângulos com o mesmo tamanho do aparelho (4 x 2,5 cm) de uma folha PDMS espessura de 1 mm. Em ambos os retângulos PDMS, cortar aberturas correspondentes para os canais e o em-deixe/out-let do dispositivo.
Nota: As aberturas pre-cortadas os retângulos PDMS destinam-se a impedir que os canais em colapso durante a prensagem. - Pilha na seguinte ordem de baixo: um retângulo PDMS com aberturas pré-cortada, um disco PDMS (em contato com a janela de baixo, cortar na etapa 4.3.2), as duas metades de dedo prensado do dispositivo, o segundo disco PDMS (sentado no topo da janela) e por último o segundo retângulo PDMS com orifícios pré-cortados ( Figura 5 b).
- Colocar este conjunto na configuração da imprensa vácuo tal que ele é imprensado entre 2 placas e feche o saco de plástico ( Figura 5 c). Ligue a bomba de vácuo e evacuar a assembleia. Deixe a bomba de vácuo chegar sua pressão de base ou aplicar o vácuo durante pelo menos 10 min.
Nota: A pressão base alcançada depende da bomba de vácuo utilizado e qualidade do fecho do saco plástico. - Expor o assembly evacuado para UV com uma lâmpada de gás do Hg de banda larga em 270 W durante 15 min. vez desligar a bomba de vácuo e deixar o assembly exalar lentamente à pressão atmosférica antes de remover o dispositivo final da Assembleia.
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Representative Results
A Figura 6 apresenta os espectros de transmitância de uma nova marca CaF2 janela, a metade estampada do dispositivo e o aparelho completo. Todos os três espectros apresentam excelente transparência para meados IR com maior que 80% de transmitância. O padrão de interferência visível no espectro do dispositivo completo (curva amarelo na figura) é causado pelo entreferro na faixa de 9-10 µm entre as duas janelas. Estes espectros demonstram que a abordagem de fabricação apresentada aqui não altera a transparência da CaF2 na faixa meada de IR.
Figura 7 um mostra um exemplo de boa replicação em NOA do molde secundário PDMS com microfluídicos lay-out. A estrutura na parte superior da janela de2 CaF é bem formada devido o peeling limpo da camada do molde PDMS NOA depois é parcialmente curadas por UV. Não NOA deve permanecer sobre o molde ou na superfície em contacto com as saliências do molde de janela. Qualquer NOA preso ao molde se traduz em falta de estrutura NOA na janela, que pode causar vazamentos durante experimentos de fluxo do dispositivo final. Além disso, para conseguir boa selagem das duas metades, NOA deve ainda ser brega após exposição aos raios UV das camadas metade. NOA é excessivamente curado se é não-pegajoso. A dose de exposição deve ser otimizada para alcançar tal resultado.
Figura 7 b mostra em vez disso, replicação malsucedida em NOA onde o padrão na janela de CaF2 não está definido corretamente. É causada principalmente por insuficiente UV exposição dose, ou seja, cura de NOA. Em tais casos, NOA é ainda um pouco molhado, causando algumas coisas para ficar no molde de PDMS. No entanto, se NOA ainda adere ao molde PDMS mesmo que recebeu a dose de exposição correta, isso pode ser um sintoma de silano revestimento (ou seja, a camada antiaderente) sendo degradada ao longo do tempo. Como PDMS é um molde macio, não é tão duradouro como o molde de silicone primário. Precisa ser substituído após um número de usos.
Figura 1: Processo de fabricação dos dispositivos microfluídicos plástico: (a-e) Diagrama esquemático do processo de fabricação. (f) imagens de um dispositivo real e a planta de sua seção transversal. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 2: Visão geral da Fotomáscara, molde de silicone primária e molde secundário de PDMS replicado do molde silicone: (um) Fotomáscara com a polaridade do campo claro (canto superior esquerdo); Lay-out do padrão na Fotomáscara (à direita), consistindo de: deixe em-out-deixe com diâmetros de 2mm (1 e 2) e distância de 3 cm entre eles, canais com 300 µm de largura (3), dois de referência e câmaras com 5,5 mm x 0,75 mm tamanho (4), a câmara central com 5 x 2,5 mm (de tamanho 5), grades de difração, como um guia visual com linhas 10 µm de largura e 20 µm gap (6); Zoom em lay-out da câmara central, mostrando a grade de difração (inferior esquerdo). (b) imagens do molde silicone primário com o padrão definido em fotorresiste a SU-8. (c) foto do molde secundário PDMS com reverso polaridade em relação ao molde primário. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 3: As ferramentas de modelagem preparado para facilitar a fabricação do dispositivo: (um) acrílico modelo: o modelo real (topo) e sua visão esquemática transversal (inferior). (b), PDMS réplica do modelo de acrílico: réplica real (topo) e sua visão esquemática transversal (inferior). Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 4: Processo de fluxo para a fabricação da metade estampada do dispositivo: (um) lugar de PDMS modelo sobre uma superfície plana. Aqui, usamos vidro soda-lime. (b) CaF2 é colocado centrado em cima do plug PDMS. (c-d) Molde PDMS é colocada viradas para baixo em direção a CaF2 com câmara de fluídico, alinhada ao centro da janela. Garantir que todos os elementos estão em bom contato e alinhados. (e-f) Fundição de NOA via em-let e permitindo-lhe lentamente, encha a cavidade. (g), NOA é curado por expô-lo à luz UV. Dose de exposição pode variar dependendo da energia da fonte de UV usado. (h) Retire cuidadosamente o molde PDMS e modelo para liberar o NOA curado. (eu) Completed camada dispositivo com estruturas microfluidic em NOA. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 5 : Instalação de imprensa de vácuo para pressionar as duas metades do dispositivo para formar um dispositivo completo: (um) PDMS disco circular (8 mm de diâmetro) e PDMS retangular (4 x 2.5 cm) com aberturas pré-cortadas. Ambos são cortados de uma folha PDMS espessura de 1 mm. (b) visão geral da camada-pilha antes da prensagem. (c) visão geral da imprensa vácuo. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 6 : Meados-IR t espectros de ransmittance de um CaF nua 2 janela (vermelho), um metade do dispositivo modelado (azul) e um dispositivo completo (amarelo). Todos os três espectros apresentam excelente transparência para meados IR com transmitância superior a 80% Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 7: Modelado metade do dispositivo: (um) exemplo de uma estrutura bem formada microfluidic em NOA. Área mais escura na janela mostra uma estrutura bem definida, mostrando claramente a câmara central, duas câmaras de referência e os canais. (b) exemplo de uma estrutura de microfluidic mal formado em NOA devido a undercuring. Há refluxo de NOA, como indicado por setas vermelhas. Uma das câmaras de referência também está faltando (seta verde). Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 8 : Jig Microfluidic conectando o dispositivo fabricado para circuitos externos fluídico. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 9: Molde de colocação de PDMS durante a fabricação da metade estampada do dispositivo: (um) exemplo de boa colocação do molde de PDMS na janela2 CaF. A janela está em contato com apenas a saliência sobre o molde PDMS, mostrando claramente a câmara central, duas câmaras de referência e os canais (indicados pela área mais escura). As grades de difração em torno do dispositivo e no centro da câmara central destinam-se um guia visual durante a colocação do molde de PDMS. (b) exemplo de uma má colocação do molde de PDMS na janela2 CaF. A área mais escura mostra que há também uma área indesejada do molde, que está em contato com a janela, conforme indicado pelas setas vermelhas. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
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Discussion
A fim de avaliar e otimizar o protocolo de fabricação, utilizamos um layout simples para o padrão microfluidic com uma câmara retangular grande (tamanho 5 x 2,5 mm) no centro, duas pequenas câmaras retangulares (tamanho 5,5 x 0,75 mm) separado do circuito principal sobre o os lados superiores e inferiores e 300 µm largamente em-deixe/out-let canais. A câmara central é usada para a propagação e observação das células, enquanto as duas câmaras menores separadas são usadas para medir o fundo do ar durante FTIR dos experimentos como uma câmara de referência, conforme discutido em uma anterior publicação13. Deixe-nos e out-deixe conectar a câmara central para o sistema externo fluídico.
Aqui, ferramentas de modelagem (ver protocolo passo 3) são introduzidas para facilitar o processo de fabricação. Anteriormente, era difícil determinar consistentemente o CaF2 windows exatamente no centro do dispositivo final, o que causou problemas ao alinhar as duas metades do dispositivo. O uso do modelo fornece um guia visual para a colocação da janela e garante que o local é sempre semelhante. Como os requisitos geométricos para estes modelos não são muito rigorosos, tecnologias de produção mais barato e padrão podem ser usadas. Neste caso, nós os fizemos de plástico acrílico através de usinagem em uma oficina, mas uma alternativa igualmente viável e barata é impressão 3D.
O design dos modelos de acrílico é tal que eles apresentam o seguinte (Figura 3a): (a) um modelo foi projetado com dois pequenos buracos em cada lado, enquanto o segundo está sem buracos; os buracos são de 1,5 mm de diâmetro em tamanho e 1,5 mm de profundidade, (b) ambos os modelos têm um orifício circular de 8 mm de diâmetro e 500 µm de profundidade no centro, e (c) ambos os modelos têm uma saliência Retangular para definir o tamanho, forma e espessura do dispositivo de metade; o retângulo é 4 x 2,5 cm de comprimento/largura e 1,5 mm de espessura.
Os modelos PDMS resultantes replicados a partir de modelos de acrílico terá a polaridade oposta (Figura 3b): (a) um modelo terá dois pilares em cada lado com 1,5 mm de diâmetro e 1,5 mm de altura para formar em-let e out-deixe do metade do dispositivo modelado após fundição NOA; o segundo modelo será sem pilares, (b) ambos os modelos têm um pilar alto 500 µm no centro para facilitar a colocação das CaF2 janelas; Esse recurso será referido como "PDMS plug", e (c) ambos os modelos são com uma cavidade, que define a forma final e o tamanho de cada metade do dispositivo: um retângulo forma com 4 cm x 2,5 cm tamanho e 1,5 mm de espessura, nesse caso.
Para facilitar ainda mais o processo de fabricação, grades de difração foram incorporadas no projeto da Fotomáscara para o molde de silicone primário. Na réplica de PDMS deste molde de silicone, as saliências superficiais (que são menos de 10 µm em altura) são difíceis de ver devido a transparência óptica de PDMS. No entanto, rasas saliências se organizados em uma grade de 10 µm Largura linhas com 20 µm de lacuna geram um padrão de interferência facilmente visível16. Este padrão de interferência foi explorada como um guia visual para definir a posição do lay-out microfluidic no molde PDMS. O projeto do molde incorpora um frame feito da esfregação para definir a geometria geral do dispositivo. Outra grade foi adicionado ainda mais no meio da câmara central do layout microfluidic para facilitar o alinhamento com a CaF2 janela. É interessante notar que a grelha na câmara central não será reproduzida no dispositivo final que consiste em uma série de cavidades curtas que não estão conectados à borda da câmara central. Portanto, o fluxo NOA não seria capaz de acessar estas cavidades.
Para a injeção de célula e câmbio médio, cada dispositivo precisa de sua em-deixou e out-deixe manualmente um soco antes de selagem. Isto resultou em não reproduzíveis posicionamento dos furos. Isto não limitou o funcionamento de cada dispositivo desde que a conexão foi conseguida colando um pequeno pino metálico em uma das aberturas e anexar um reservatório de plástico na extremidade como um coletor de resíduos. Portanto, variar as posições dos furos não é motivo de preocupação, exceto à custa de um esquema de fabricação mais complexa. Para simplificar e padronizar o uso de teste e final de cada dispositivo, um gabarito feito por fluídico com locais fixos de em-deixe/out-let é introduzida (ver Figura 8), eliminando a necessidade para anexar o pin e o reservatório. Portanto, em-deixe/out-let buracos com posições inconsistentes apresentaria um problema aqui. Incorporando dois furos de 1,5 mm de diâmetro no modelo de acrílico fabricado (etapa do protocolo 3), que passará a ser pilares no molde PDMS, a necessidade de manualmente fazer buracos nas extremidades dos canais microfluídicos é removida. Além disso, sua posição é fixa e o mesmo para cada dispositivo.
A ausência de vazamentos no dispositivo pode ser verificada com o mesmo procedimento, conforme discutido em outro lugar13 , ou seja, alimentando o aparelho com uma solução de fluoresceína em água deionizada.
Passos críticos no protocolo
Durante a fabricação da metade estampada do dispositivo, colocação do molde de PDMS no topo da janela de2 CaF deve ser cuidadosamente realizada. As únicas estruturas sobre o molde que têm permissão para entrar em contato com a janela são as saliências de alta 10 µm. Sempre que há uma área de contato indesejada, a etapa de colocação do molde deve ser refeita. Para ilustrar, Figura 9uma mostra cuidadosa colocação do molde na janela, enquanto Figura 9b mostra um exemplo de colocação de pobre, onde uma área indesejada do molde está em contato com a janela. Figura 9 b resultaria em uma estrutura NOA falta na janela. A placa de quartzo pequeno mencionada no protocolo (passo 4.1.3, Figura 2c) ajuda a colocação do molde como impede que a área não desejada do molde facilmente entrando em contato com a CaF2 janela. A placa de quartzo e o molde PDMS também são finas, para que sejam suficientemente leve e transparente para UV17,18.
Encontrar a dose correta de exposição UV para as camadas de meia também é crucial para o processo de fabricação. Quando NOA é exposta com uma dose insuficiente, o NOA não polimerizada será refluxo durante o peeling, causando uma perda de definição da estrutura e possivelmente transbordando para a superfície de2 CaF. Por outro lado, demasiado elevado de um resultados de dose de exposição na cura de excesso de NOA, NOA se tornando um estado não-brega. Ligação subsequente das duas metades iria sofrer porque não-brega NOA na camada metade estampada não teria vínculo para a CaF2 janela na camada plana metade. Idealmente, a dose correta deve ser a exposição mais curtadose que permite NOA replicar a estrutura confiável e ainda manter seu estado brega. Além de determinar a dose de exposição correta, colagem das duas metades deve ser feita logo que possível, dentro de 30 min, enquanto a rigidez de NOA diminui gradualmente com o tempo, até que não é mais possível para a ligação.
Outros pontos a serem observados são quando usando o sistema de vácuo da imprensa para a colagem. As camadas de conformidade (ou seja, folhas finas de PDMS imprensa do dispositivo) devem ter espessura relativamente uniforme para distribuição uniforme da pressão sobre o dispositivo. Para este efeito, um gabarito de acrílico sob medido com uma espessura de espaçador definida foi usado para converter tais folhas PDMS. As folhas de conformidade também devem ser limpas para evitar a introdução de pressão local, especialmente na janela de2 quebradiça CaF.
Vantagens do método em comparação com os métodos existentes
Nossa abordagem de fabricação demonstrou a produção de um dispositivo de plástico compatível com medições de FTIR. Porque a técnica de microfabricação proporciona bom controle sobre a dimensão do recurso, o controle possível sobre a altura dos canais microfluídicos é muito mais preciso do que o que pode ser obtido com outras abordagens de fabricação (por exemplo, espaçadores de plástico).
Uma vantagem crucial do presente protocolo é que resulta em um dispositivo de plástico com vista transparente UV-Vis-IR-portas; todos os dispositivos microfluídicos previamente demonstrada por FTIR foram produzidos em cima de um substrato transparente IR grande, exigindo etapas de litografia para cada dispositivo10,11,12. Na presente abordagem, o custo e a complexidade de fabricação é reduzida uma vez que apenas a produção do molde de Si exige a litografia.
Finalmente, usando um UV curável como o principal corpo plástico facilita a conectividade do dispositivo a um sistema externo de entrega líquido, colagem ou anexar as conexões para o corpo de plástico ou usando um jig fluídico para mais rápida de resina (NOA73 nesta demonstração) produção do dispositivo ou uso.
Futuras aplicações do método
Das possíveis melhorias e desenvolvimento que pode ser explorado, dois são os mais imediata e importante. Em primeiro lugar, a transparência ótica banda larga do Vista-Porto sugere que o acoplamento de FTIR com microscopia de fluorescência de alta resolução na mesma plataforma. Isto pode ser facilmente perseguido por reduzir a espessura de uma das janelas CaF2 a fim de cumprir os requisitos de uma distância de trabalho com abertura numérica elevada e alta ampliação objectivos. Em segundo lugar, este esquema de fabricação pode permitir para layouts mais complexos fluídico. Múltiplas câmaras de observação e elementos funcionais, conectando-os como misturadores e classificadores, pode ser implementado, enquanto sua geometria define as cavidades abertas abaixo das janelas.
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Disclosures
Os autores não têm nada para divulgar.
Acknowledgments
Os autores reconhecem com gratidão apoio financeiro MBI.
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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