Weichen lithografischen Verfahren zur Herstellung von Kunststoff mikrofluidischen Geräte mit Ansicht-Ports für sichtbaren und infraroten Licht durchlässig

Das übergeordnete Ziel dieses Mikrofabrikationsprotokolls ist es, mikrofluidische Kunststoffbauelemente herzustellen, die mit der Fourier-Transformations-Infrarot-Mikrospektroskopie auf einfache und kostengünstige Weise kompatibel sind. Diese Methoden können zu einem umfassenden Verständnis der zellulären Biochemie beitragen. Es bietet uns einen vereinfachten Zugang zur Infrarot-Mikrospektroskopie, einer markierungsfreien, nicht schädlichen Bildgebungstechnik, mit der biochemische Karten lebender Zellen abgerufen werden können.

Der Hauptvorteil dieser Technik besteht darin, dass sie den Bedarf an Mikrofabrikationsanlagen reduziert und Kunststoff als Hauptkomponente für die Endprodukte verwendet. Das Verfahren wird von Mona Suryana, einer wissenschaftlichen Mitarbeiterin aus unserem Labor, vorgeführt. Um mit diesem Verfahren zu beginnen, bereiten Sie die Silikon-Primärform vor, wie im Textprotokoll beschrieben.

Mischen Sie anschließend das PDMS-Elastomer und das Härter im Verhältnis 10 zu eins. Die Gesamtmenge der Mischung ist so, dass das resultierende PDMS etwa ein bis 1,5 Millimeter dick ist. Nach einem gründlichen Mischen die Mischung in ein Vakuumglas umfüllen.

Senken Sie den Druck, bis er zwischen einem und 10 Millibar liegt. Warten Sie 15 Minuten oder bis keine sichtbaren Blasen mehr vorhanden sind, um die Mischung zu entgasen. Gießen Sie das entgaste PDMS auf die vorbereitete Silikonform.

Übertragen Sie die Form in den Vakuumbehälter und senken Sie den Druck für 15 Minuten, um die Mischung erneut zu entgasen. Übertragen Sie dann die Form auf eine Herdplatte oder einen Ofen. Erhitzen Sie die Form zwei Stunden lang bei 70 Grad Celsius, um die Mischung auszuhärten.

Nehmen Sie das ausgehärtete PDMS vom Herd und lassen Sie es auf Raumtemperatur abkühlen. Verwende eine Rasierklinge, um das PDMS an den Rändern der Silikonform zu schneiden. Kneifen Sie mit einer Pinzette eine Ecke zusammen und ziehen Sie die PDMS-Replik vorsichtig von der Silikonform ab.

Übertragen Sie anschließend die PDMS-Form in einen Plasmareiniger. Stellen Sie den Kammerdruck zwischen einem und 10 Millibar ein und behandeln Sie die PDMS-Form 30 Sekunden lang mit Sauerstoffplasma bei 60 Watt und 20 SCCM Sauerstofffluss. Danach geben Sie die Form in ein Vakuumglas und fügen Sie etwa 50 Mikroliter Silan hinzu.

Lassen Sie das Glas zwei Stunden lang im vakuumierten Zustand. Entwerfen oder erwerben Sie zunächst Acrylschablonen, wie im Textprotokoll beschrieben, und bereiten Sie PDMS-Elastomer und Härter vor, wie zu Beginn dieses Verfahrens gezeigt. Gießen Sie das entgaste PDMS-Gemisch auf die Acrylschablonen, bis die oberste Oberfläche etwa einen Millimeter unter der Flüssigkeitsoberfläche eingetaucht ist.

Übertragen Sie dann die eingetauchten Schablonen in einen Vakuumbehälter. Entgasen Sie das PDMS mit dem gleichen Verfahren wie zuvor. Übertragen Sie dann die eingetauchten Schablonen auf eine Herdplatte oder einen Ofen.

Zwei Stunden lang bei 60 Grad Celsius erhitzen, um die Mischung auszuhärten. Nehmen Sie das ausgehärtete PDMS aus der Wärmequelle und lassen Sie es auf Raumtemperatur abkühlen. Schneide das PDMS mit einer Rasierklinge entlang der Kanten der Acrylschablonen ab.

Kneifen Sie dann mit einer Pinzette eine Ecke zusammen und ziehen Sie das PDMS vorsichtig ab. Bereiten Sie danach das zweite PDMS-Replikat vor, wie im Textprotokoll beschrieben. Um mit der Herstellung der gemusterten Hälfte des Geräts zu beginnen, behandeln Sie ein Kalziumfluoridfenster 30 Sekunden lang mit Sauerstoffplasma bei 60 Watt und einem Sauerstofffluss von 20 SCCM.

Platzieren Sie die erste PDMS-Schablone, die mit den kleinen Säulen, vorsichtig auf einer ebenen Fläche. Platzieren Sie dann das behandelte Kalziumfluoridfenster in der Mitte der Schablone. Drücken Sie vorsichtig, um sicherzustellen, dass das Fenster vollständig mit dem PDMS in Kontakt steht.

Platzieren Sie als Nächstes eine UV-transparente Platte auf der Rückseite der PDMS-Form, die an der Position der zentralen Kammer ausgerichtet ist. Drücken Sie leicht, um sicherzustellen, dass es vollständig mit dem PDMS in Kontakt steht. Platzieren Sie die Form mit dem Fluidikmuster nach unten und der Fluidikkammer in der Mitte des Fensters auf der PDMS-Schablone.

Sie dann nach und nach NOA-Tropfen am Einlass des PDMS-Templates ab. Lassen Sie den NOA den Hohlraum langsam füllen. Nachdem der Hohlraum vollständig gefüllt ist, härten Sie das NOA aus, indem Sie die Form UV-Licht aussetzen.

Entferne die UV-transparente Platte vorsichtig aus der Form. Schälen Sie die PDMS-Form vorsichtig von der Oberseite der NOA-Schicht. Entfernen Sie danach die NOA-Schicht.

Um mit der Herstellung der flachen Hälfte des Geräts zu beginnen, behandeln Sie das Kalziumfluoridfenster 30 Sekunden lang mit Sauerstoffplasma bei 60 Watt und einem Sauerstofffluss von 20 SCCM. Legen Sie die zweite PDMS-Vorlage, die ohne die kleinen Säulen, vorsichtig auf eine ebene Fläche. Platzieren Sie das behandelte Kalziumfluoridfenster in der Mitte der Schablone.

Drücken Sie vorsichtig, um sicherzustellen, dass das Fenster vollständig mit dem PDMS in Kontakt steht. Besorgen Sie sich als Nächstes eine einen Millimeter dicke PDMS-Folie, die fünf mal 3,5 Zentimeter groß ist. Lege dieses Blatt auf das Kalziumfluorid-Fenster, ausgerichtet mit der Mitte der Schablone.

Drücken Sie vorsichtig, um sicherzustellen, dass das Blech vollständig mit dem Fenster in Kontakt steht. Geben Sie nach und nach NOA-Tropfen am Einlass des PDMS-Templates ab. Lassen Sie den NOA den Hohlraum langsam füllen.

Nachdem der Hohlraum vollständig gefüllt ist, härten Sie das NOA aus, indem Sie die Form UV-Licht aussetzen. Ziehen Sie die PDMS-Schicht ab. Entfernen Sie dann vorsichtig die ausgehärtete NOA-Schicht aus der PDMS-Vorlage.

Legen Sie eine Hälfte des Geräts so auf die andere, dass die Kalziumfluoridfenster ausgerichtet sind. Drücken Sie vorsichtig auf die Ecken der NOA-Schichten und fixieren Sie die Position der beiden Hälften. Erfassen Sie als Nächstes PDMS-Discs und Rechtecke, wie im Textprotokoll beschrieben.

Legen Sie die PDMS-Discs in die entsprechenden Öffnungen des Geräts ein. Platzieren Sie als Nächstes die PDMS-Rechtecke mit vorgestanzten Öffnungen auf jeder Seite. Übergeben Sie die gesamte Baugruppe an die Vakuumpresse und legen Sie sie zwischen zwei Platten ein.

Verschließen Sie dann die Plastiktüte. Schalten Sie die Vakuumpumpe ein, um die Baugruppe zu evakuieren, und lassen Sie sie mindestens 10 Minuten lang laufen. Setzen Sie die evakuierte Baugruppe mit einer Breitband-Quecksilberdampflampe mit 270 Watt 15 Minuten lang UV-Licht aus.

Schalten Sie danach die Vakuumpumpe aus und lassen Sie die Baugruppe langsam auf Atmosphärendruck entlüften, bevor Sie das Endgerät aus der Baugruppe entfernen. Bei diesem Verfahren wird ein mikrofluidisches Gerät aus Kunststoff mit Sichtöffnungen hergestellt, die für sichtbares und infrarotes Licht transparent sind. Anschließend werden Transmissionsspektren erfasst, um ein brandneues Kalziumfluoridfenster, eine Hälfte des hergestellten Geräts und das gesamte Gerät zu vergleichen.

Wie zu sehen ist, weisen alle drei einen Transmissionsgrad von über 80 % bis in den mittleren Infrarotbereich auf, was auf ein hohes Maß an Transparenz in diesem Bereich hinweist. Während das Spektrum für das gesamte Gerät ein Interferenzmuster aufweist, das durch den Luftspalt zwischen den beiden Fenstern verursacht wird, zeigen diese Spektren, dass der Herstellungsprozess die Transparenz von Kalziumfluoridfenstern bis in den mittleren Infrarotbereich hinein nicht verändert. Einmal gemeistert, kann diese Technik in einer Stunde durchgeführt werden, wenn sie richtig ausgeführt wird und die erforderlichen Schablonen und Formen bereit sind.

Nachdem Sie sich dieses Video angesehen haben, sollten Sie ein gutes Verständnis dafür haben, wie man mikrofluidische Kunststoffgeräte herstellt, die mit der Fourier-Transformations-Infrarotspektroskopie kompatibel sind, indem man das Replikformen mit PDMS und den Kapillarfüllprozess mit UV-härtenden Harzen verwendet. Vergessen Sie nicht, dass die Arbeit mit Silan- und UV-Licht äußerst gefährlich sein kann, und führen Sie bei diesem Verfahren immer verfahrensbasierte Risikobewertungen durch und tragen Sie geeignete Personenschutzausrüstung.