One-Step Ansatz zur Herstellung von Polydimethylsiloxan mikrofluidische Kanäle von verschiedenen geometrischen Abschnitte durch sequentielle Nassätzen Prozesse

Diese Methode kann dazu beitragen, wichtige Fertigungstechniken im Bereich der Mikrofluidik bereitzustellen, z. B. für die Herstellung von Kanälen mit unterschiedlichen geometrischen Querschnitten in einem Polydimethylsiloxan-Polycarbonat-Mikrofluidikgerät. Der Hauptvorteil dieser Technik besteht darin, dass die mikrofluidischen Kanäle in einem einzigen Schritt durch sequentielle Nassätzprozesse ohne langwierige Verfahren und umfangreiche Ausrichtungen hergestellt werden können. Die Implikationen dieser Technik erstrecken sich bis hin zur Entwicklung komplexer mikrofluidischer Systeme, da Herstellungsprozesse für Kanäle mit nicht-rechteckigen Abschnitten oder verschiedenen Höhen mit dieser Methode erheblich vereinfacht werden können.

Obwohl diese Methode Einblicke in die Herstellung mikrofluidischer Bauelemente geben kann, kann sie auch auf andere gewünschte Mikroumgebungsbedingungen wie die Flussmittelverteilung oder das Mischen von Substanzen in Kanälen angewendet werden. Beginnen Sie den Vorgang mit einer vorbereiteten Urform. In diesem Fall befindet sich die mit Fotolack erstellte Negativform auf einem vier Zoll großen Siliziumwafer.

Hier ist ein computergestütztes Designbild der invertierten Topologie für die Kanallayouts. Fahren Sie fort, indem Sie PDMS und seinen Katalysator in einem sauberen Plastikbecher kombinieren und in einem Kraftrührer mischen. Wenn die Mischung homogen ist, stellen Sie den Becher für 60 Minuten in einen Exsikkator, der an eine Vakuumpumpe angeschlossen ist.

Nachdem Sie die PDMS-Mischung entnommen haben, bringen Sie sie zur Urform. Gießen Sie 20 Gramm der Mischung auf die Form. Versuchen Sie, keine Blasen einzuführen.

Besorgen Sie sich als Nächstes eine Petrischale und gießen Sie 30 Gramm der PDMS-Mischung hinein. Lege die abgedeckte Form und die Petrischale in einen Exsikkator, um Blasen zu entfernen. Nach 60 Minuten die abgedeckte Form und die Petrischale in einen 60 Grad Celsius heißen Ofen geben, um dort vier Stunden lang auszuhärten.

Lassen Sie das PDMS nach dem Aushärtungsschritt auf Raumtemperatur abkühlen. Verwenden Sie dann ein Skalpell und eine Pinzette, um das ausgehärtete PDMS von der Form zu lösen. Fahren Sie fort, die PDMS-Schicht mit dem Skalpell so anzupassen, dass sie das Kanallayout abdeckt.

Verwenden Sie einen Biopsiestanzer, um die Kanalzugangsöffnungen zu öffnen. Arbeiten Sie nun mit dem PDMS in der Petrischale. Verwenden Sie ein Skalpell und eine Pinzette, um es aus der Schüssel zu nehmen.

Schneiden Sie dann die PDMS-Schicht auf die gleichen Abmessungen wie die geformte Schicht zu. Bringen Sie die PDMS-Schichten zu einer Oberflächenbehandlungsmaschine. Richten Sie die Layer so aus, dass die entworfenen Kanäle einer PDMS-Schicht und die merkmalslose Oberfläche der anderen Layer verfügbar sind.

Setzen Sie die Schichten 40 Sekunden lang Sauerstoffplasma aus. Wenn dies erledigt ist, müssen die beiden Oberflächen miteinander verbunden werden. Verbinden Sie die beiden Schichten, indem Sie ihre behandelten Oberflächen in Kontakt bringen.

Legen Sie dann die verklebten PDMS-Schichten für mindestens 30 Minuten in einen 60 Grad Celsius heißen Ofen. Bereiten Sie ein mikrofluidisches Gerät zur Charakterisierung des PDMS-Nassätzens vor. Verwenden Sie ein einfaches Design mit einer einzigen Schicht und einem geraden rechteckigen Kanal.

In diesem Gerät gibt es einen Abfallauslass und einen Einlass. Beachten Sie, dass die obere und untere PDMS-Schicht in diesem Bild getrennt dargestellt werden. Richten Sie das Gerät so ein, dass es mit einem Mikroskop beobachtet und fotografiert werden kann.

Für die Ätzlösung verwenden Sie TBAF und NMP in einem Volumen-Volumen-Verhältnis von eins bis 10. Ziehen Sie das Ätzmittel mit einer stumpfen Nadel aus Edelstahl in eine 10-Milliliter-Spritze. Legen Sie die Spritze auf eine Spritzenpumpe in der Nähe des Mikroskops.

Verbinden Sie es dann mit dem Einlass des Geräts. Führen Sie den Ausgang aus dem Auslauf in einen Abfallbehälter. Lassen Sie die Spritzenpumpe mit dem Ätzmittel mit einer Durchflussmenge von 150 Mikrolitern pro Minute laufen.

Verwenden Sie Hellfeldmikroskopansichten, um sicherzustellen, dass der geätzte Kanal entlang der Strömungsrichtung eine gleichmäßige Breite hat, und um die Flussrate und die Ätzmittelzusammensetzung zu bestätigen. Erfassen Sie Zeitreihenbilder des Kanalquerschnitts mit vierfacher Vergrößerung während des Ätzprozesses für die Analyse. Richten Sie ein Mikroskop ein, um ein mikrofluidisches Gerät zu betrachten und zu fotografieren.

Entwerfen Sie in diesem Fall das Gerät so, dass die Ätz- und Puffereingänge in verschiedene Bereiche fließen. Hier ist ein Schema der Einlässe und Kanäle des Gerätes von oben und im Querschnitt. Im Laufe der Zeit wird durch die unterschiedliche Wirkung des Ätzmittels gegenüber dem Puffer ein neuer Querschnitt erzeugt, der in diesem Schema des endgültigen Querschnitts und des Draufsichtfotos dargestellt ist.

Stellen Sie das Gerät auf den Mikroskoptisch. Bereiten Sie eine Ätzlösung aus TBAF und NMP und eine NMP-Pufferlösung vor. Füllen Sie zwei 10-Milliliter-Spritzen mit Pufferlösung und eine mit Ätzmittel.

Bringen Sie die Spritzen auf eine Spritzenpumpe in der Nähe des Geräts. Stellen Sie die entsprechenden Anschlüsse für das Gerät her, auch für die Abfallbeseitigung. Lassen Sie die Spritzenpumpe mit dem Ätzmittel mit einer Durchflussrate von 50 Mikrolitern pro Minute laufen.

In diesem Video wird die anfängliche Kanalgeometrie mit rotem Farbstoff dargestellt. Im Laufe der Zeit führt das Ätzmittel dazu, dass die Wandstärke des Kanals variiert. Planen Sie den Nassätzprozess, um sicherzustellen, dass der Prozess die richtige Kanalgeometrie ergibt.

Bereiten Sie das Mikroskop mit der Spritzenpumpe in der Nähe vor. Dies ist das Design, das verwendet wird, um PDMS-Kanäle für einen mikrofluidischen Mischer mit verschiedenen Abschnitten zu erstellen. Es verfügt über eine alternierend gespiegelte Querschnittsgeometrie, die mit Standardprozessen nur schwer zu erreichen wäre.

Stellen Sie das Gerät auf das Mikroskop und verbinden Sie es mit der Spritzenpumpe. Führen Sie die TBAF NFP-Ätzlösung an der mit dem Port gekennzeichneten Steckdose ein. Beobachten Sie, wie sich der mikrofluidische Kanal im Laufe der Zeit entwickelt, wie auf diesen Draufsicht-Fotos, die über zwei Stunden aufgenommen wurden.

Planen Sie den Nassätzprozess, um die richtigen Kanalgeometrien sicherzustellen. Wenn Sie fertig sind, charakterisieren Sie das Gerät. Bereiten Sie eine Spritze mit destilliertem Wasser und eine weitere mit Fluorescein-Natriumsalzlösung vor, um sie in die Spritzenpumpe zu geben.

Platzieren Sie das mikrofluidische Gerät auf dem Mikroskop und verbinden Sie es mit jeder Spritze mit einem Einlass mit einer Durchflussrate von 20 Mikrolitern pro Minute. Ziehen Sie Abfall aus dem Auslauf. Nehmen Sie fluoreszenzmikroskopische Aufnahmen des Kanals von oben an vorgegebenen Positionen auf.

Nehmen Sie zum Vergleich Bilder unter den gleichen Umständen mit einer ungeätzten Version des mikrofluidischen Geräts auf. Es ist möglich, mikrofluidische Kanäle mit unterschiedlichen geometrischen Querschnitten durch sequentielles Nassätzen herzustellen. Dieses Panel fasst die Anordnung von Ätzeinlässen in einlagigen PDMS-Kanälen zusammen, um den in diesem Video gezeigten querförmigen Querschnitt zu erzeugen.

Hinweis: Der Ätzstoff geht in den zentralen Kanal und der Puffer in die Seitenkanäle. Die gleiche Anordnung der Kanäle, zusammen mit dem Umschalten der Kanäle, die Ätzmittel und Puffer tragen, erzeugt einen hantelförmigen Querschnitt. Eine andere Kanalanordnung, ähnlich wie beim mikrofluidischen Mischer, erzeugt einen glockenförmigen Querschnitt, der nur mit Ätzmittel verwendet wird.

Beim Versuch dieses Verfahrens ist es wichtig, daran zu denken, mit den Einlässen der Geräte zu umgehen, um Ätzleckagen zu vermeiden und PDMS-Leckagen an den Einlässen weiter zu induzieren. Nachdem Sie sich dieses Video angesehen haben, sollten Sie ein gutes Verständnis dafür haben, wie Sie einen einstufigen Ansatz zur erfolgreichen Herstellung von mikrofluidischen PDMS-Geräten mit unterschiedlichen geometrischen Querschnitten von Kanälen mit sequentiellen Nassätzprozessen durchführen können.