Summary
可視・赤外光イメージングのための透明なビュー ポートを持つプラスチック製マイクロ流体デバイス作製のためのプロトコルを説明します。
Abstract
中赤外範囲で水の吸収によって、適切なマイクロ流体デバイスの欠如によって、生きている生物試料の赤外線 (IR) 分光顕微鏡は妨げられます。ここでは、プラスチック製マイクロ流体デバイス作製のためのプロトコルは、示されて柔らかい線描画法は観測 chamber(s) に関連して透明なフッ化カルシウム (CaF2) ビュー ポートを埋め込むため。メソッドは、ポリジメチルシロキサン (PDMS) 金型は平版の標準の手順で生成されるプラスチック製のデバイスを生成するテンプレートとして使用し、レプリカ鋳造アプローチに基づいています。プラスチックの特長は、紫外・可視・赤外 (UV、IR、Vi) - 表示 CaF2直接観察を可能にするのには、透明な窓と IR 光。提案手法の利点があります: プラスチック製のボディは、設計の柔軟性を介してクリーン ルーム微細加工施設、複数のビュー ポート、外部ポンプ システムに簡単かつ汎用性の高い接続にアクセスする必要性の減少など、オープン/クローズ チャンネル構成、およびナノポーラス膜など高度な機能を追加する可能性。
Introduction
フーリエ変換赤外分光顕微鏡 (FTIR) は、サンプルの詳細な化学物質情報を提供する無料のラベル、非侵襲的イメージング手法として広く利用されています。これにより、試料の吸収スペクトルはその化学組成1の固有の指紋を運ぶので準備の最小量の試料の化学を勉強する生化学的情報の抽出,2。 近年、FTIR はますますライブの生体試料、例えば、セル3の研究に応用されています。ただし、ほとんどの場合生きている細胞用培地である水は、中赤外領域で強力な吸光度を示しています。薄層としてもその存在は完全に標本の重要な構造情報を圧倒できます。
長年にわたって共通のアプローチは修正またはスペクトルの水吸収信号を完全に除外するサンプルを乾燥します。ただし、このアプローチはできません生きている細胞をリアルタイムに測定するための化学組成と時間細胞プロセスの変化を研究する必要が。ライブの生体試料から信頼性の吸収スペクトルを取得する 1 つの方法は、未満 10 μ m4赤外線ビームの中で光パスの長さを制限することです。
リビングで確立されたアプローチ細胞実験はこれまで、全反射の減衰 (ATR) をされている-FTIR イメージングは、独立した水溶液の厚い層で維持されるべき細胞をできるように、試料の厚さ測定が可能します。しかし、小さなエバネッ セント波の侵入深さは ATR 結晶5の表面からわずか最初の数ミクロンにサンプルの測定を制限します。
また、水吸収制限は各種のマイクロ流体システムを 2 つの大きなグループに一般に分類されるの出現と回避されています: (流体の表面の 1 つがさらされている雰囲気に) チャネルのオープンし、クローズチャネル (場所 2 つの IR 透明窓で区切らスペーサー定義された厚さ)。
Loutherbackらは、長い用語連続 IR 測定可能最大 7 日6の生きているセルのオープン チャネル膜デバイスを開発しました。メソッドには、細胞表面から中の蒸発を防ぐために環境の高湿度が必要です。システムは、当然のことながら皮膚、肺、目、または微生物バイオ フィルム7の上皮組織などの気液界面の成長細胞に最適です。
閉じたチャネル構成は、水溶液中での細胞の保管場所、2 つの並列 IR 透明ウィンドウ間の均一で薄いレイヤーを作成を目指しています。この空洞の厚さは、水吸収信号が飽和ようです。正しいサンプル スペクトルを取得する水の背景を減算してすることができます。閉じたチャネル メソッドのほとんどは、脱着液室3,8,9を形成する 2 つのウィンドウを分離するプラスチック製スペーサーを利用します。この方法の利点は、微細加工には不要ただし、チャンネルで- とアウト-let の測定チャンバーよりも複雑な構造は薄いスペーサーで実現するために非常に困難です。機械的クランプへの依存のための IR 測定間のパス長の再現性のある問題もあります。スペーサー9,10を定義する IR 基板上にフォトレジストをパターンに実装された光リソグラフィのメソッドより信頼性の高い周波数獲得への間隔のより正確な制御を達成するために,11,12します。 メソッドがすべての基板上のパターンを生成する微細加工施設へのアクセスを必要とするにもかかわらず、これにより、スペーサーで定義される複雑な構造。
製造コストを削減することを目的と微細加工施設にアクセスする要件、IR 互換マイクロ流体デバイスの作製を提案する.メソッド紹介 (図 1参照) を使用してソフト ・ リソグラフィーと呼ばれる確立されたプロセス。この場合、2 つの金型が必要です。主な金型は、標準的な UV リソグラフィ プロセスを使用して 4 インチ シリコンウェーハから作られます。二次型はプライマリ シリコンモールドのパターンの逆極性があり、次回デバイス作製用マスター型として機能する PDMS 製のレプリカであります。
デバイスに 2 つの層がある: (提示の場合とで構成されるマイクロ流路で聞かせて/アウト ・ レット、CaF2ビューポートと観測室) マイクロ レイアウトを持つ最初の層および平らな表面 (2 番目の層成っている CaF2ビューポートのみ)。
ここでデバイスの主なプラスチック製のボディを形成する UV 硬化型光学接着剤、ノーランド光学接着剤 73 (NOA73、今後 NOA と略す) が使用されます。この光学接着剤を使用していくつかの利点がある: 低コスト、外部システム、良い光の透過性、低粘度、および最も重要なは、生体適合性13への接続の容易さ。CaF2は性生体適合性に優れた IR 透明14ビューポートとしては適切な選択です。
この新しいアプローチでは、微細加工施設へのアクセスは、主な金型の作製のみ厳密に必須です。プラスチック製マイクロ流体デバイスの後の製造プロセスは、UV 光源を装備、研究室で実施ことができます。
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Protocol
1。 シリコン主な金型の準備
注: フォトマスクとは、主な金型の準備のため必要。フォトマスクは、どちらかは独立したプロバイダーから購入または社内標準の光学マスク作製手順を作製できます。この場合は ( 図 2 、) 明るいフィールド極性のフォトマスクを使用します
。- パターン定義
- スピン コート 30 の 2,300 rpm SU 8 3010 ネガ型フォトレジストによる 4 インチ si ウエハ s.
- ソフト焼ホット プレート 2 分の 65 ° c そして 8 分の 95 ° C 上のフォトレジスト
- UV ライトにフォトレジストを公開 (i 線、365 nm) 100-120 mJ/cm 2 の総エネルギー投与量のマスクア下フォトマスクを通してより良い分解能を達成するためにハード コンタクト モードお勧め 。
- ウェハを削除し露光後ベーク 1 分の 65 ° c そして 2 分の 95 ° C を適用
- SU 8 開発者を使用して、常温でフォトレジストを開発し、イソプロピル アルコールですすぎし、優しく窒素ブロー; 測定パターンの厚さは 10 μ m をする必要があります以下。実際のシリコン型の画像を 図 2 b を参照してください 。
- シリコンモールドのシリル化
- 30 の 60 W で酸素プラズマを用いたシリコン金型を扱う 20 sccm では酸素流量の s。中に 1-10 mbar に燃焼圧力を設定します 。
- シランの 50 μ L で真空瓶に金型を置き、少なくとも 2 h. の真空状態 (1-10 mbar) 瓶のまま
注: シリル化プロセスは、疎水性表面被覆 PDMS の金型 15 に付着を防止するを作成します。注、シリコンのドライ エッチングでは、別の方法を使用してプライマリの金型を製造するもことができます。この場合、反対の極性 (暗視野)、フォトマスクになります、1.1 の手順でパターン定義はポジ型フォトレジストを使用します 。
2。PDMS 二次金型の準備
- PDMS 混合
- PDMS エラストマーと 10:1 硬化剤混ぜる; 合計金額は結果 PDMS 膜厚が約 1 〜 1.5 mm になるようです 。
- 徹底的な混合後約 15 分 (1-10 mbar) の真空の状態で真空瓶にそれを残すことによって混合物をドガまたは目に見える気泡がなくなるまでこの混合物内で中の空気を削除することです 。
- モールド複製
- ステップ 1 で作製したシリコン型の PDMS の混合物を注ぎ、ドガのステップ 2.1.2 のように同じ設定で中の空気を削除する混合物。混合物を治すためホット プレート上の 2 h の 70 ° C で熱 。
- は、ホット プレートから硬化 PDMS を削除し、室温まで冷ます。かみそりの刃でカット シリコン金型のエッジに沿って PDMS 。
- この二次型の結果のマイクロ パターンは前突の主な金型 (反対の極性であるピンセットのペア、カット PDMS の一角をピンチし慎重にシリコン型を PDMS レプリカの皮をむく; 図 2c).
- (ステップ 1.2 と同じ) PDMS レプリカのシリル化
- 30 の 60 W で酸素プラズマによる PDMS 金型を扱う 20 sccm では酸素流量の s。中に 1-10 mbar に燃焼圧力を設定します 。
- 場所真空金型シランの 50 μ L で jar し、少なくとも 2 h. の真空状態 (1-10 mbar) の jar ファイルを残す
3。PDMS テンプレートの準備
注: 形状と最終的なデバイスのサイズを標準化し、2 つの半分の主な機能の配置を容易にするために、2 つの独立した PDMS テンプレート使用されたデバイスのジオメトリを定義します。透明な窓との- とアウト-let 接続の配置。最初の PDMS テンプレート補助デバイス、デバイスのフラットの半分の作製を容易にするため 2 番目の助けのパターンの半分の作製
。- は、コンピューター支援設計 (CAD) ソフトウェアを使用してテンプレートをデザインします。 図 3 表示レイアウトとデバイスのパターンの半分を製造するために使用されるテンプレートの寸法。デバイスのフラットの半分を作製、デザインから 1.5 mm の直径の穴を削除します 。
- 内部機械研修会、外部プロバイダーからテンプレートを取得は、使用可能な場合します
。 注: テンプレート作製の容易さのために材料および低コスト任意の標準的なワーク ショップで達成可能なは、アクリルを使いました。3 D プリントなどの選択肢があります 。
- ミックスは、PDMS エラストマーと硬化剤 10:1; テンプレートが完全水没する PDMS の十分な量を準備してください 。
- 徹底的な混合後約 15 分または (どちらかは後で) 目に見える気泡がなくなるまで真空状態 (1-10 mbar) の真空瓶にそれを残すことによって混合物をドガ; これは混合物内の閉じ込められた空気を抜くためです 。
- は、最表面が液体の表面下約 1 mm に水没までアクリル テンプレートに PDMS の混合物を注ぐ。3.4 のように同じ設定で中の空気を削除するもう一度 PDMS をドガします。これを 60 ° C 2 時間混合物を治すため平準化されたホット プレート上で加熱します 。
- は、ホット プレートから硬化 PDMS を削除し、室温まで冷ます。かみそりの刃、カット アクリル テンプレートの端に沿って PDMS 。
- ピンセットのペア、カット PDMS の一角をピンチ アクリル テンプレートを PDMS の慎重に皮をむくと
。 注: 図 3 b はレイアウトとデバイスのパターンの半分で作製する PDMS レプリカの寸法を示しています 。
- 2 番目の PDMS レプリカ フラットを製造するため、デバイスの半分によって準備手順 3.3 3.7 に、1.5 mm の直径の穴なしアクリル テンプレートを使用しています 。
4。マイクロ流体デバイス作製
20 sccm では酸素流量の- 30 の 60 W で
- (すなわち デバイスのレイアウトで) デバイスのパターンの半分の作製
- 御馳走酸素プラズマを用いた CaF 2 ウィンドウ s。これは、次の製作中にノアの流れを改善することです
。 注: この手順は必須ではありません 。
( 図 4 、) - 場所慎重に最初 PDMS のテンプレート (1.5 mm 径柱 1 つ) 平らな面、例えば ソーダ石灰板。プラグ ( 図 4 b) の良好な接触にあるようなウィンドウがカチッし、PDMS プラグの上に中心とした CaF 2 ウィンドウを配置します 。
- は、ステップ 2 で、( 図 4 の中央の部屋の位置に揃え、金型の裏面に (この場合は、水晶板、500 μ m 厚い、1.5 cm × 1.5 cm サイズ) で薄い UV 透明プレートを置き、PDMS 金型を取るc). 水晶板は、PDMS 金型との良好な接触を確認してください
。 注: The 水晶板は、金型の不要な領域が CaF 2 ウィンドウに簡単に接触するを防ぎます 。
- ゆっくり CaF 2 窓に向かって CaF 2 ウィンドウの中央に配置されます流体室を持つこの PDMS 金型面を下を配置します。すべての要素 (テンプレート、金型とウィンドウ) を良好な接触は、( 図 4 c 4 d) を揃えを確認してください 。
- は徐々 に PDMS テンプレートのようにノアの滴を塗布し、ゆっくりと空洞を満たしてくれ。樹脂は、ウィンドウの端に接触、いったん毛細血管の流れがギャップを埋め薄い (~ 10 μ m) PDMS カビや CaF 2] ウィンドウ ( 図 4 e 4f).
- 空洞が完全にいっぱい後は、UV ライト (例えば、紫外線 LED の露出システムは、 図 4 g) への露出によってノアを治すです
。 注: 露光時間がそれに応じて異なる場合があります紫外光源のエネルギー。24 mW/cm 2 の出力密度を提供する UV LED 露光システムが必要です約 90 100% の電力で連続的な露出モード s. - は、PDMS 金型の後ろから薄い水晶板を慎重に取り外し、PDMS 金型ノア層 ( 図 4 h) の上からそっとはがしています。最後に、( 図 4 私) PDMS テンプレートからノアのレイヤーを削除します
。 注: 硬化ノアに最終的なデバイス レイアウト パターンの同じ極性でだろうプライマリ シリコンモールド 。
- 御馳走酸素プラズマを用いた CaF 2 ウィンドウ s。これは、次の製作中にノアの流れを改善することです
- デバイス (すなわち デバイスのレイアウトなし) のフラットの半分の作製
- 30 の 60 W で酸素プラズマを用いた CaF 2] ウィンドウを扱う酸素流量の 20 sccm を使用 s
。 注: この手順は必須ではありません 。
- は平らな面、例えば ソーダ石灰板 (1.5 mm 径柱のない 1 つ) 2 番目の PDMS テンプレートを慎重に配置します。プラグとの良好な接触にあるようなウィンドウがカチッし、PDMS プラグの上に中心とした CaF 2 ウィンドウを配置します 。
- は、PDMS テンプレートの中央に揃えて配置されます PDMS シートで CaF 2 ウィンドウの上に 5 cm × 3.5 cm サイズで 1 mm 厚 PDMS シートを配置します。PDMS シートは、ウィンドウとの良好な接触を確認してください 。
- 徐々 に PDMS テンプレートのようにノアの滴を塗布し、ゆっくりと空洞を満たしてくれ 。
- 空洞が完全にいっぱい後は、UV ライト (例えば、UV LED 露光装置と) への露出によってノアを治すです
。 注: 露光時間は、それに応じて異なる場合があります UV エネルギー源とします。UV LED 露光システム 24 mW/cm 2 の出力密度を提供する約 50 この必要になります 100% の電力で連続的な露出モード s. - 皮ノア レイヤーの一番上から PDMS シートをオフ、PDMS テンプレートから硬化ノア層を注意深く取り外します 。
- 30 の 60 W で酸素プラズマを用いた CaF 2] ウィンドウを扱う酸素流量の 20 sccm を使用 s
- デバイスの 2 つの半分の接合
- 両方 CaF 2 ウィンドウ配置されているようにデバイスの 2 つの半分を合わせます。優しく指押しノア レイヤーの角を両方の半分 2 つの半分の位置を固定するようです 。
- 、8 mm 径パンチャー ( 図 5 、) を使用して 1 mm 厚い PDMS シートの 2 つの円形ディスクをカットします 。
- は、1 mm 厚の PDMS シートからデバイス (4 cm x 2.5 cm) の同じサイズの 2 つの矩形をカットしました。両方の PDMS の四角形に切り取られた開口部で-聞かせて/アウト-let デバイスのチャネルに対応する
。 注: PDMS 長方形にカット済みの開口部は、チャンネルを押して中に転倒防止します 。
下から次の - スタック順: プリカット開口を有する 1 つの PDMS 長方形、(下のウィンドウ、4.3.2 の手順でカット)、接触の 1 つの PDMS ディスク (ウィンドウの上部に座っている)、2 番目の PDMS ディスク デバイスの 2 つの指-押された半分、最後にカット済みの開口部 ( 図 5 b) と 2 番目の PDMS 四角形 。
- 2 プレートに挟まれて、真空プレス セットアップにこのアセンブリを配置し、( 図 5 c) ポリ袋を密封します。真空ポンプをオンにし、アセンブリを避難させます。真空ポンプの基本圧力に到達または少なくとも 10 分のための真空を適用させて
注: 達成基本圧力真空ポンプとビニール袋のシールの品質に依存します 。
- アセンブリをアセンブリから最終的なデバイスを削除する前に大気圧をゆっくりと発散させ真空ポンプから 270 W 15 分ターンで広帯域 Hg ガス ランプで紫外線に避難したアセンブリを公開します 。
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Representative Results
図 6は、デバイス、および完全なデバイス パターンの半分ブランドの新しい CaF2ウィンドウの透過率スペクトルを示します。すべての三つのスペクトルは、半ば ir 透過率 80% を超える優れた透明性を展示します。フル ・ デバイス (図の黄色曲線) のスペクトルの目に見える干渉パターンは、2 つのウィンドウ間 9-10 μ m の範囲内の空隙が原因です。これらのスペクトルを示すここで紹介した作製方法には CaF2中間赤外域での透過性は変わりません。
図 7マイクロ レイアウトと PDMS 二次型のノアの良いレプリケーションの例を示します。CaF2ウィンドウ上部構造は部分的に UV 硬化後に PDMS 金型からノア層のきれいな剥離のためよく形成されます。金型や金型突起と接触してウィンドウ表面上はノアが残っていません。金型にこだわって、ノアは最終的なデバイスの流動実験中にリークを原因となるウィンドウに NOA 構造を行方不明に変換します。さらに、2 つの半分のよいシーリングを達成するためにノアまだべき粘着性半層の紫外線暴露後。ノアは、それは非粘着性過剰治癒です。被曝線量は、そのような結果を達成するために最適化する必要があります。
図 7bは、CaF2ウィンドウ上のパターンが正しく定義されていないノアの代わりに、失敗したレプリケーションを示しています。それはほとんど十分な UV 照射線量、すなわち、によって引き起こされるノアの養生。このような場合、ノアはまだ多少湿って PDMS 金型に固執するそれのいくつかの原因です。ただし、正しい線量が与えられているにもかかわらず、ノアはまだ PDMS 金型にこだわって場合、これはシラン コーティング (すなわち、反スティック層) の症状をすることができます時間の経過と共に低下します。PDMS は柔らかい金型、シリコンモールド主程に長続きはない.それは、使用回数後に交換する必要があります。
図 1:プラスチック製マイクロ流体デバイスの作製プロセス:(a ~ e)製造工程の概略図。(f) 実際のデバイスの画像とその断面の模式図。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
図 2:フォトマスク、プライマリ シリコンモールド シリコン型から複製 PDMS 二次金型の概要:(、) フォトマスク明視野極性 (左上);(右) フォトマスクのパターンのレイアウト: x 0.75 mm サイズ 5.5 mm、(4) が付いている部屋、5 × 2.5 mm サイズ (中央の部屋を参照 2 つ導入口と外 2 mm 直径 (1 と 2) と 3 cm チャンネル 300 μ m 幅 (3) と、それらの間の距離5)、広い線 10 μ m、20 μ m ギャップ (6); と視覚的なガイドとして回折格子ズームイン アウト回折格子 (左下) を示す中央の部屋のレイアウト。(b) パターンでプライマリ シリコンモールドの画像は、SU 8 フォトレジストで定義されています。主な金型に関してリバース付き PDMS 二次金型の画像 (c) 極性。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
図 3:テンプレート ツールはデバイス作製を容易にするため準備:(、) アクリル テンプレート: 実際のテンプレート (上) とその概略断面図 (下)。アクリル テンプレートの (b) PDMS レプリカ: 実際のレプリカ (上) とその概略断面図 (下)。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
図 4:デバイスのパターンの半分の製造工程:平らな面に (、) 場所、PDMS のテンプレートです。ここでは、ソーダ石灰からすを使用しました。(b) PDMS のプラグの上に中心に CaF2を配置しました。(c ・ d)PDMS 金型はうつ伏せに寝かせる CaF2に向かって流体室ウィンドウの中央に配置されます。すべての要素の良好な接触は、配置ことを確認します。(e ・ f)導入口経由でノアのキャストとゆっくりの空洞を入力することができます。ノア (g) は、UV 光の下でそれを公開することにより硬化させます。被曝線量は使用される紫外光源のエネルギーによって異なります。(h) PDMS カビや硬化のノアを解放するテンプレートを慎重に剥離します。(私) 完成品デバイス層ノアのマイクロ構造を持つ。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
図 5: 完全なデバイスを形成するデバイスの 2 つの半分を押すと真空プレス セットアップ:(、) PDMS の円板 (直径 8 mm) と PDMS 四角形 (4 × 2.5 cm) プレカット開口を有する。両方は、1 mm 厚の PDMS シートからカットされます。(b) 加圧の前にレイヤー スタックの概要。(c) 真空プレスの概要。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
図 6:中赤外 t裸の CaF の ransmittance スペクトル2ウィンドウ(赤)、デバイスの半分をパターン化(青)、および完全なデバイス (黄色) です。すべての 3 つのスペクトル展示半ば ir 透過率 80 を超える優れた透明性%この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
図 7:デバイスの半分をパターン:(、) ノアの整形マイクロ構造の例。ウィンドウの暗い領域は、明らかに中央の部屋、2 つの参照の部屋およびチャンネルを示す、明確に定義された構造を示しています。(b) undercuring による NOA の不完全に形成されたマイクロ構造の例。赤い矢印で示されるように、ノアのリフローがあります。参考室の一つも (緑色の矢印) がありません。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
図 8: マイクロ治具試作したデバイスを外部流体回路に接続します。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
図 9:デバイスのパターンの半分の作製中に PDMS 配置型:CaF2ウィンドウに PDMS カビの配置は (、) の良い例です。中央の部屋、2 つの参照の部屋、(暗い領域で示された) チャンネルを明確に示す PDMS 金型の突起のみとの接触です。回折格子デバイスの周囲と中央の部屋の中心には、PDMS 金型の配置時に視覚的なガイドのものです。(b)、CaF2ウィンドウに PDMS カビの悪い配置の例。暗い領域は、赤い矢印で示されているように、ウィンドウと接触する金型の不要な領域があることを示しています。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
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Discussion
主回路から分離センター、2 つの小さい長方形部屋 (5.5 mm × 0.75 mm サイズ) で大きい長方形室 (5 × 2.5 mm サイズ) をマイクロ パターンの単純なレイアウトを用いて評価、製造プロトコルを最適化するために、上部と下部の側面と 300 μ m 幅で-聞かせて/アウト-let チャンネル。中央の部屋はシーディングに使用され、前文書13で説明したように、FTIR の中に空気のバック グラウンドを測定する 2 つの分けられたより小さい部屋が使用されて、細胞の観察実験参照室として。せでとアウトさせて中央の部屋を外部流体システムに接続します。
ここでは、テンプレート ツール (プロトコル手順 3 参照) は、製造プロセスを容易にするため紹介しています。以前は、デバイスの 2 つの半分の位置を揃えるときに問題を引き起こされる最終的なデバイスの中心に正確に一貫して CaF2 windows は難しかった。テンプレートの使用はウィンドウを配置するための視覚的なガイドを提供し、場所が似ている常にことを保証します。これらのテンプレートの幾何学的な要件が非常に厳しい、標準および安価な生産技術を使用できます。この場合、ワーク ショップでは、機械加工によりアクリル樹脂から作りましたが、均等に実行可能で、安い代わりに、3 D プリント。
アクリル テンプレートのデザインは次を特色にするようなこと (図 3、): (a) 1 つのテンプレートはそれぞれの側に 2 つの小さな穴を 2 番目の穴なしです穴サイズ直径 1.5 mm と 1.5 mm の深さで、(b) 両方テンプレート中心部に直径 8 mm、500 μ m の深さで円形の穴がある、(c) どちらのテンプレートのサイズ、形状、および半分のデバイスの厚さを定義する長方形の突起があるが四角形は、長さ/幅 4 cm × 2.5 cm、厚さ 1.5 mm です。
アクリル テンプレートから複製結果 PDMS テンプレートが逆極性 (図 3b) があります: (a) 1 つのテンプレートは導入口を形成し外の直径 1.5 mm と 1.5 mm の高さとそれぞれの側に 2 つの柱を持っている、ノア鋳造; にならってデバイスの半分2 番目のテンプレートは柱のない、(b) 両方のテンプレートを容易にするセンターに 500 μ m 背の高い柱がある CaF2ウィンドウの配置この機能が「PDMS プラグ」と呼ばれる、(c) 両方のテンプレートは、最終的な形およびデバイスの各半分のサイズを定義する、キャビティ: 四角形図形サイズ 4 × 2.5 cm、厚さ 1.5 mm のこの場合。
さらに、製造プロセスを容易に回折格子はプライマリ シリコンモールド用フォトマスクの設計に組み込まれていた。浅い突起 (10 μ m 以下の高さである) は、このシリコン型の PDMS レプリカ、PDMS の光透過性のため参照してくださいするは難しい。しかし、浅い突起 20 μ m ギャップで 10 μ m 幅のある線の回折格子に配置されている場合は、簡単に目に見える干渉パターン16を生成します。この干渉パターンは、PDMS 金型のマイクロ レイアウトの位置を定義する視覚的なガイドとして悪用されました。金型の設計には、グレーティング デバイスの全体的なジオメトリを定義するフレームが組み込まれています。別の格子をマイクロ レイアウトの中央の部屋の真ん中に CaF2ウィンドウの配置を容易にするためにさらに追加しました。それは、中央の部屋の格子は再現不可能な最終的なデバイスの中央の部屋の端に接続されている短いキャビティのシリーズで構成されていますので注目です。したがって、流れるノアはだろうこれらのキャビティにアクセスすることはできません。
細胞の注入、メディア交換のためすべてのデバイスその let のと必要アウトさせてシールする前に手動でパンチです。これは穴の非再現性のある位置で起因しました。これは開口部の一つで小さな金属製のピンを接着剤やプラスチック貯留廃棄物コレクターとしてのもう一方の端を取り付け接続ができたので各デバイスの動作を制限しなかった。したがって、穴の位置を変化より複雑な製造方式を犠牲にして除いて問題のないです。簡素化し、すべてのデバイスは、固定の-聞かせて/アウト-let 場所とカスタムメイド流体治具のテストと最終の使用法を標準化導入 (図 8を参照) はピンと貯水池をアタッチする必要が削除されます。したがって、一貫性のない位置で-聞かせて/アウト-let 穴であれば、ここで問題。PDMS 金型の柱となる加工アクリル テンプレート (プロトコル手順 3)、2 つの 1.5 mm 径穴を組み込むことによって手動でマイクロ流路の両端に穴を開ける必要が削除されます。さらに、その位置が固定されてとすべてのデバイスのための同じ。
同じデバイスでリークの有無をチェックできる手順デバイスを脱イオン水中でフルオレセインのソリューションを供給することにより13 すなわち、他の場所で説明したように。
プロトコルの重要なステップ
デバイスのパターンの半分の製作中に CaF2ウィンドウの前面に PDMS 金型の配置は慎重に行われるべき。ウィンドウに連絡する許可されている金型の唯一の構造は、10 μ m の高い突起です。不要な接触面積があるたびに金型配置手順をやり直すべき。説明するため、図 9を示しています金型の注意深い配置ウィンドウで、一方、図 9bは、金型の不要な領域がウィンドウとの接触は、貧弱な配置の例を示しています。図 9bは結果ウィンドウで不足しているノア構造になります。プロトコル (手順 4.1.3、図 2c) に記載されている小さな水晶板から簡単に CaF2ウィンドウと接触型の不要な領域を防ぐため金型配置に役立ちます。水晶板と PDMS 金型の両方は、十分に軽量化・ UV17,18に対して透過的に行われているので、薄いも。
半分レイヤーの正しい紫外線被曝線量を見つけることは作製プロセスのために重大ではまたです。ノアが十分な用量で公開されると、構造体の定義の損失を引き起こすとおそらく CaF2表面にあふれて未硬化のノアが、剥離中に調整されます。その一方で、過剰のノア、ノアを回す非粘着性の状態の治療に曝露線量結果の高すぎます。2 つの半分のそれに続く結合パターンの半層で非粘着性のノアがフラット半層に CaF2ウィンドウに接合しない苦しむことになります。適切な投与量で最短の露出をする必要があります理想的には、線量は、ノアの粘着性の状態を維持しながら確実に構造を複製することができます。正しい線量を決定、ほか 2 つの半分の接合すべきできるだけ早く 30 分以内それはもはや結合可能までの時間で徐々 に減少するとノアの粘り。
その他の注意点は、接合用真空プレス システムを使用しています。コンプライアンス層 (すなわちデバイスを挟む薄板 PDMS) デバイスに均一な圧力分布を比較的均一の太さが必要です。この目的のため定義されたスペーサーの厚さでカスタムメイド アクリル治具は PDMS のようなシートを鋳造されています。コンプライアンス シートもローカル圧力、特に脆性の CaF2ウィンドウを導入することを避けるためにきれいになる必要があります。
既存の手法と比較して方法の利点
作製取り組みは、FTIR 測定と互換性のあるプラスチック デバイスの生産を示した。達成可能なマイクロ流路の高さ制御は (例えば他の作製手法と得られるものよりもはるかに正確な微細加工技術は、良い機能の次元制御を提供するためプラスチック製のスペーサー)。
このプロトコルの重要な利点は、紫外可視赤外透過的ビュー-ポートにプラスチック製のデバイスでFTIR のすべての以前に実証マイクロ流体デバイスは、各デバイス10、11,12のリソグラフィの手順を必要とする大型の IR の透明基板の上に作り出されました。現在のアプローチでは、Si モールドの生産だけ露光を必要とするので、コストと製造の複雑さが削減されます。
最後に、UV 硬化型を使用して、プラスチック本体接着またはプラスチック製のボディへ接続のアタッチによってまたはのより迅速な流体の治具を使用して、外部液体配送システムに、デバイスの接続が容易になります (このデモで NOA73) を樹脂デバイス生産または使用します。
メソッドの将来のアプリケーション
改善点、検討することができます開発の 2 つが最も直接的で重要です。まず、ビュー ポートのブロード バンドの光の透過性は、同じプラットフォーム上の高解像度蛍光顕微鏡による FTIR のカップリングを示唆しています。これは、高開口数と目標高倍率作動距離の要件に準拠するために CaF2 windows の 1 つの厚さを減らすことによって容易に追求できます。第二に、この製造方式より複雑な流体レイアウトを可能します。そのジオメトリを定義キャビティを窓の下に限り、複数の観測室とミキサーなど選別機、それらを接続する機能要素を実装できます。
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Disclosures
著者が明らかに何もありません。
Acknowledgments
著者はありがたく MBI 金融サポートを認めます。
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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- Loutherback, K., Birarda, G., Chen, L., Holman, H. -Y. Microfluidic approaches to synchrotron radiation-based Fourier transform infrared (SR-FTIR) spectral microscopy of living biosystems. Protein Pept Lett. 23 (3), 273-282 (2016).
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