Method Article

Procedimiento suave litográfica para la producción de dispositivos microfluídicos plástico con puertos de vista transparentes a luz Visible e infrarroja

DOI:

10.3791/55884

⸱

August 17th, 2017

 ,  ,  , 
1Mechanobiology Institute (MBI), National University of Singapore

In This Article

Summary

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Se describe un protocolo para la fabricación de dispositivos microfluídicos plástico con puertos de vista transparentes para la proyección de imagen de luz visible e infrarroja.

Abstract

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Infrarrojo (IR) spectro-microscopia de muestras biológicas vivas es obstaculizada por la absorción de agua en la gama mediados de-IR y por la falta de dispositivos microfluídicos adecuado. Aquí, se demuestra un protocolo para la fabricación de dispositivos microfluídicos plástico, donde se utilizan técnicas de litografía blandas para incrustar transparente fluoruro de calcio (CaF2)-puertos de vista en relación con cámaras de observación. El método se basa en un enfoque de fundición réplica, donde un molde de polidimetilsiloxano (PDMS) se produce mediante procedimientos litográficos y luego utilizado como plantilla para producir un dispositivo plástico. Cuenta con el dispositivo plástico ultravioleta/visible/infrarrojo (UV/Vis/IR) - transparentes ventanas de CaF2 para permitir la observación directa con visible y luz infrarroja. Las ventajas del método propuesto incluyen: una menor necesidad de acceder a una instalación de fabricación de micro limpio, múltiples puertos de vista, una conexión fácil y versátil con un sistema de bombeo externo a través del cuerpo plástico, flexibilidad del diseño, p. ej. , abierto/cerrado la configuración de canales y la posibilidad de añadir características sofisticadas tales como membranas nanoporosas.

Introduction

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Spectro-microscopía Fourier transforma infrarrojo (FTIR) se ha utilizado ampliamente como una técnica de imagen no invasiva y libre de etiqueta para proporcionar toda la información química de una muestra. Esto permite la extracción de información bioquímica para el estudio de la química de las muestras biológicas, con un mínimo de preparación puesto que el espectro de absorción de la muestra lleva las huellas intrínsecas de su composición química1 , 2. recientemente, FTIR se ha aplicado cada vez más al estudio de muestras biológicas vivas, por ejemplo, las células3. Sin embargo, el agua, que es el medio para las células vivas en la mayoría de los casos, muestra una fuerte absorción en la región mediados de-IR. Incluso como una capa delgada, su presencia puede abrumar totalmente la importante información estructural de las muestras.

Durante muchos años, el enfoque común fue la fijación o secado muestras para excluir totalmente la señal de absorción de agua en el espectro. Sin embargo, este enfoque no permite mediciones de tiempo real en células vivas, que es esencial para estudiar el cambio de su composición química y de procesos celulares con el tiempo. Una forma de obtener espectros de absorción confiables de muestras biológicas vivo, es limitar la longitud de trayectoria óptica total en el medio de la viga de IR a menos de 10 μm4.

Un enfoque bien establecido en la vida de los experimentos de la célula ha sido hasta ahora, reflexión Total atenuada (ATR)-FTIR la proyección de imagen, que permite mediciones independientes del espesor de la muestra, permitiendo a las células a mantenerse en una capa más gruesa del medio acuoso. Sin embargo, la pequeña profundidad de penetración de la onda evanescente restringe medidas de muestras a sólo las primera pocas micras de la superficie del cristal ATR5.

Por otra parte, la limitación de la absorción de agua ha sido eludida con la aparición de distintos sistemas de microfluidos, que generalmente se clasifican en dos grandes grupos: abre el canal (donde una de las superficies líquidas se expone a la atmósfera) y cerrado canal (donde dos ventanas IR transparente están separadas por un espaciador con un espesor definido).

Loutherback et al desarrolló un dispositivo de membrana canal abierto que permite a largo plazo IR mediciones continuas de células vivas para hasta 7 días6. El método requiere alta humedad en el ambiente para evitar la evaporación del medio de la superficie de la célula. El sistema funciona mejor con las células que crecen naturalmente en interfases aire-líquido, tales como los tejidos epiteliales de la piel, pulmón y los ojos o biofilms microbianos7.

Una configuración de canal cerrado pretende crear una capa uniforme y delgada entre dos ventanas transparentes IR paralelo, donde las células se mantienen en su medio acuoso. El espesor de esta cavidad es tal que la señal de absorción de agua está por debajo de la saturación. Fondo de agua entonces puede restar para obtener los espectros de la muestra correcta. La mayoría de los métodos de canal cerrado utiliza un espaciador de plástico separa las dos ventanas para formar una cámara de líquidos desmontables3,8,9. Una ventaja de este método es que no requiere microfabricación; sin embargo, las estructuras que son más complejas que una cámara de medición con in y out realquilar canales son extremadamente difíciles de realizar en el separador fino. También hay un problema con la reproducibilidad de la longitud del camino entre las mediciones de IR debido a su dependencia de sujeción mecánica. Para lograr un control más preciso de la separación para una adquisición más confiable del espectro, se han implementado métodos de litografía óptica para fotoresistencia de patrón en la parte superior del sustrato de IR a definir el separador9,10 , 11 , 12. A pesar de esto permite estructuras más complejas en el espaciador, el método requiere acceso a una instalación de microfabricación para producir el patrón en cada sustrato.

En este artículo presentamos una técnica sencilla de fabricación de un dispositivo de microfluidos compatible con IR, con el objetivo de reducir el costo de fabricación y los requisitos de acceso a una instalación de microfabricación. El método presentado aquí (ver figura 1) utiliza un proceso establecido, conocido como litografía blanda. Dos moldes en este caso se requieren. El molde principal está hecho de una oblea de silicio de 4 pulgadas usando un proceso de litografía UV estándar. El molde secundario es su réplica de PDMS, que tiene una polaridad invertida del patrón en el molde de silicona primaria y sirve como el molde principal para la fabricación de dispositivos posteriores.

El dispositivo tiene dos capas separadas: una primera capa con la disposición de microfluidos (que en el actual caso consiste en el canal microfluídico, en-let/out-let y una cámara de observación con una vista de2 de CaF) y una segunda capa con una superficie plana ( que consiste en sólo una ventana de2 CaF).

Aquí se utiliza un pegamento óptico UV-curable, pegamento óptico Norland 73 (NOA73, abreviado como NOA en adelante), para formar el cuerpo plástico principal del dispositivo. Hay varias ventajas de utilizar este adhesivo óptico: fabricación bajo costo, facilidad de conectividad con sistemas externos, buena transparencia óptica, baja viscosidad y lo más importante, biocompatibilidad13. CaF2 es una opción conveniente como el punto de visión debido a su biocompatibilidad y excelente transparencia IR14.

Con este nuevo enfoque, el acceso a una instalación de microfabricación es estrictamente necesario para la fabricación del molde principal. Procesos de fabricación subsiguientes para el dispositivo de microfluidos plástico pueden realizarse en cualquier laboratorio equipado con una fuente de iluminación UV.

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Protocol

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

1. preparación del molde principal del silicio

Nota: un photomask se requiere para la preparación del molde principal. El photomask puede ser adquirido de proveedores independientes o fabricado en la empresa a través de procedimientos de fabricación de la máscara óptica estándar. Un photomask con polaridad de campo claro se utiliza en este caso ( figura 2 a).

  1. Definición del patrón
    1. vuelta capa una oblea de silicio de 4 pulgadas con photoresist negativo SU-8 3010 a 2.300 rpm durante 30 s.
    2. Suave-cueza al horno la fotoresistencia en un plato caliente a 65 ° C por 2 min y luego a 95 ° C durante 8 min.
    3. Exponer la fotoprotección a la luz UV (i-line, 365 nm) a través de la fotomáscara bajo el alineador de la máscara para una dosis total de energía de 100-120 mJ/cm 2; el duro modo de contacto es el preferido para lograr una mejor solución.
    4. Retirar la oblea y aplicar un post exposición cuece al horno a 65 ° C por 1 min y luego a 95 ° C por 2 min.
    5. Desarrollar la fotoprotección con un desarrollador de SU-8 a temperatura ambiente, luego enjuague con alcohol isopropílico y secarlo suavemente con nitrógeno, el espesor del patrón medida debe ser 10 μm o menos. Ver figura 2 b para la foto del molde de silicio real.
  2. Silanización del molde del silicio
    1. tratar el molde de silicona con plasma de oxígeno 60 W durante 30 s con sccm 20 de flujo de oxígeno. Ajuste la presión de la cámara a 1-10 mbar durante el proceso de.
    2. Colocar el molde en un tarro vacío con 50 μl de silano y deja la jarra en el estado de vacío (1-10 mbar) para por lo menos 2 h.
      Nota: El proceso de silanización crea una capa superficial hidrofóbica que impide que se pegue al molde 15 PDMS. Tenga en cuenta que el molde principal también se puede fabricar utilizando un método alternativo, que consiste en aguafuerte seca del silicio. En este caso, el photomask será de polaridad opuesta (campo oscuro), y la definición del patrón en el paso 1.1 utilizará un photoresist positivo.

2. Preparación de molde secundario PDMS

  1. mezcla de PDMS
    1. mezclar el elastómero PDMS y el agente endurecedor, 10:1; la cantidad total es tal que el espesor resultante de PDMS es aproximadamente de 1 a 1.5 mm.
    2. Después de la mezcla, desgasificar la mezcla dejándolo en un recipiente vacío en el estado de vacío (1-10 mbar) durante aproximadamente 15 minutos o hasta que hay no hay burbujas visibles; esto es para eliminar cualquier aire atrapado dentro de la mezcla de.
  2. Replicación molde
    1. Vierta la mezcla PDMS en el molde de silicona fabricado en el paso 1 y desgasificar la mezcla para eliminar cualquier aire atrapado con los mismos ajustes que en el paso 2.1.2. Calor a 70 ° C por 2 h en un plato caliente para curar la mezcla de.
    2. Retirar el PDMS curados de la placa caliente y deje que se enfríe a temperatura ambiente. Con una cuchilla de afeitar, cortar el PDMS a lo largo de los bordes del molde silicona.
    3. Con un par de pinzas, pellizcar una de las esquinas del corte PDMS y pelar cuidadosamente la réplica PDMS del molde de silicona, el patrón resultante de microfluidos en este molde secundario es una protuberancia, que es la polaridad opuesta de la (molde primario figura 2 c).
  3. silanización de la réplica PDMS (igual como en el paso 1.2)
    1. tratar el molde PDMS con plasma de oxígeno 60 W durante 30 s con sccm 20 de flujo de oxígeno. Ajuste la presión de la cámara a 1-10 mbar durante el proceso de.
    2. Lugar el molde en el vacío del tarro con 50 μl de silano y deja la jarra en el estado de vacío (1-10 mbar) para por lo menos 2 h.

3. Preparación de plantillas de PDMS

Nota: estandarizar la forma y el tamaño de los dispositivos de finales y para facilitar la alineación de las principales características de las dos mitades, dos plantillas PDMS separadas fueron utilizadas, que definen la geometría del dispositivo, la colocación de la ventana transparente y las conexiones de realquilar en y hacia fuera. La fabricación de la mitad con dibujos del dispositivo, mientras que la segunda ayuda a facilitar la fabricación de la mitad plana del dispositivo de ayuda a la primera plantilla PDMS.

  1. Diseño de las plantillas utilizando un software de diseño asistido por ordenador. figura 3 una muestra la disposición y dimensiones de la plantilla utilizada para fabricar la mitad con el dispositivo. Para fabricar la mitad plana del dispositivo, retire los orificios de diámetro 1,5 mm diseño.
  2. Adquirir las plantillas de un proveedor externo o a través de un taller mecánico interno si está disponible.
    Nota: El acrílico fue utilizado como la plantilla de material debido a la facilidad de fabricación y bajo costo alcanzable en cualquier taller estándar. Hay opciones alternativas, como la impresión 3D.
  3. Mezclar el elastómero PDMS y agente de curado 10:1; Asegúrese de preparar una cantidad suficiente de PDMS para sumergir totalmente las plantillas de.
  4. Después de la mezcla, desgasificar la mezcla dejándolo en un recipiente vacío en el estado de vacío (1-10 mbar) durante aproximadamente 15 minutos o hasta que hay no hay burbujas visibles (cualquiera es más adelante); esto es para eliminar cualquier aire atrapado dentro de la mezcla de.
  5. Vierta la mezcla PDMS en las plantillas de acrílico hasta que su superficie superior esté sumergida aproximadamente 1 mm por debajo de la superficie del líquido. Desgasificar el PDMS otra vez para eliminar cualquier aire atrapado con los mismos ajustes que en 3.4. Este calor a 60 ° C por 2 h sobre una placa caliente nivelada para curar la mezcla de.
  6. Retirar el PDMS curados de la placa caliente y deje que se enfríe a temperatura ambiente. Con una cuchilla de afeitar, cortar el PDMS a lo largo de los bordes de las plantillas de acrílico.
  7. Con un par de pinzas, pellizcar una de las esquinas del corte PDMS y pelar con cuidado los PDMS de las plantillas de acrílico.
    Nota: b de la figura 3 muestra la disposición y dimensiones de la réplica PDMS, utilizado para fabricar la mitad con el dispositivo de.
  8. Preparar la segunda réplica PDMS para la fabricación del plano la mitad del dispositivo repitiendo los pasos 3.3 a 3.7 pero usando la plantilla de acrílico sin los agujeros de diámetro 1,5 mm.

4. Fabricación de dispositivo de microfluidos

  1. fabricación de la mitad con el dispositivo (es decir, con diseño de dispositivo)
    1. tratar la ventana 2 de CaF con plasma de oxígeno 60 W durante 30 s con sccm 20 de flujo de oxígeno. Esto se hace para mejorar el flujo de NOA durante la fabricación siguiente.
      Nota: Este paso no es obligatorio.
      2. Placa de
    2. lugar cuidadosamente la primera PDMS plantilla (uno con los pilares de diámetro 1,5 mm) en una superficie plana, por ejemplo, una de cal sodada ( figura 4 a). Colocar una ventana de 2 CaF centrada sobre la clavija PDMS y presione suavemente la ventana que está en buen contacto con el tapón ( figura 4 b).
    3. Tomar el molde PDMS que se hizo en el paso 2 y coloque una delgada placa de UV-transparente (en este caso, una placa de cuarzo, 500 μm de espesor y 1,5 cm x 1,5 cm de tamaño) en la parte posterior del molde, alineado con la ubicación de la cámara central ( figura 4 c). Asegúrese que la placa de cuarzo está en buen contacto con el molde PDMS.
      Nota: Thplaca de cuarzo e impide que el área no deseados del molde fácilmente entran en contacto con la CaF 2 ventana.
    4. Suavemente Coloque este PDMS molde boca abajo hacia la ventana 2 de CaF con la cámara fluídica alineada con el centro de la ventana 2 de CaF. Asegúrese de que todos los elementos (plantilla, molde y ventana) estén en buen contacto y alineación ( figura 4 c-4 d).
    5. Poco a poco añada gotas de NOA en el let de la plantilla PDMS y deje que se llene lentamente la cavidad. Una vez que la resina entra en contacto con el borde de la ventana, el flujo capilar llenará la brecha fina (~ 10 μm) entre el molde PDMS y CaF 2 ventana ( figura 4 e-4f).
    6. Después de que la cavidad se llena totalmente, la curación del NOA por la exposición a la luz UV (por ejemplo, con un sistema de exposición de rayos UV-LED, figura 4 g).
      Nota: El tiempo de exposición puede variar por consiguiente con la energía de la fuente de UV. El sistema de exposición UV-LED, que proporciona una densidad de potencia de 24 mW/cm 2, requiere alrededor de 90 s a 100% de potencia y modo de exposición continua.
    7. Retire con cuidado la placa de cuarzo fino de la parte posterior del molde PDMS y luego pelar suavemente el molde PDMS de la parte superior de la capa NOA ( figura 4 h). Por último, retire la capa NOA de la plantilla PDMS ( figura 4 ).
      Nota: La disposición resultante de dispositivo en el NOA curado tendría la misma polaridad del patrón en el molde de silicona primaria.
  2. Fabricación de la mitad plana del dispositivo (es decir, sin diseño de dispositivo)
    1. tratar la ventana 2 de CaF con plasma de oxígeno 60 W durante 30 s con sccm 20 flujo de oxígeno de.
      Nota: Este paso no es obligatorio.
    2. Coloque cuidadosamente la segunda plantilla de PDMS (uno sin los pilares de diámetro 1,5 mm) sobre una superficie plana, por ejemplo, una placa de cal sodada. Colocar una ventana de 2 CaF centrada sobre la clavija PDMS y presione suavemente la ventana que está en buen contacto con el enchufe.
    3. Colocar una hoja gruesa de PDMS de 1 mm con tamaño de 5 cm x 3,5 cm en la parte superior la ventana 2 de CaF, con la hoja PDMS alineada con el centro de la plantilla PDMS. Asegúrese de que la hoja PDMS está en buen contacto con la ventana.
    4. Poco a poco añada gotas de NOA en el let de la plantilla PDMS y deje que se llene lentamente la cavidad.
    5. Después de que la cavidad se llena totalmente, la curación del NOA por la exposición a la luz UV (por ejemplo, con un sistema de exposición de rayos UV-LED).
      Nota: El tiempo de exposición puede variar por consiguiente con la fuente de energía UV. Con el sistema de exposición de rayos UV-LED, que proporciona una densidad de potencia de 24 mW/cm 2, esto requiere alrededor de 50 s en el 100% de potencia y modo de exposición continua.
    6. Cáscara de la hoja desde la parte superior de la capa NOA de PDMS y retire cuidadosamente la capa curada de NOA de la plantilla PDMS.
  3. De la vinculación de las dos mitades del aparato
    1. alinear las dos mitades del dispositivo tal que ambas ventanas 2 de CaF están alineados. Suavemente dedo Presione ambas mitades en la esquina de las capas NOA que se fija la posición de las dos mitades.
    2. Dos discos circulares de una hoja PDMS espesor 1 mm, utilizando un punzón de diámetro 8 mm ( figura 5 a).
    3. Cortar dos rectángulos con el mismo tamaño del dispositivo (4 cm x 2,5 cm) de una hoja gruesa de PDMS de 1 mm. En ambos rectángulos PDMS, corte las aberturas correspondientes a los canales y el en-let/out-realquilar del dispositivo de.
      Nota: Los orificios precortados en los rectángulos PDMS se pretenden impedir que los canales que se derrumban durante el prensado.
    4. Pila en el siguiente orden desde abajo: un rectángulo PDMS con pre-corte aberturas, un disco PDMS (en contacto con la ventana inferior, corte de paso 4.3.2), las dos mitades pulsado por el dedo del dispositivo, el segundo disco PDMS (sentado en la ventana superior) y por último el segundo rectángulo PDMS con pre-corte aberturas ( figura 5 b).
    5. Lugar esta Asamblea en la configuración de la prensa al vacío de tal manera que se intercala entre 2 placas y selle la bolsa plástica ( figura 5 c). Encienda la bomba de vacío y evacuar el conjunto. Deje que la bomba de vacío alcanzar su presión base o aplicar el vacío durante al menos 10 min
      Nota: La presión base alcanzada depende de la bomba de vacío usada y la calidad del lacre de la bolsa de plástico.
    6. Exponer la Asamblea evacuada a los rayos UV con una lámpara de gas Hg de banda ancha en el 270 W durante 15 minutos a su vez la bomba de vacío y dejar que la Asamblea ventear lentamente a la presión atmosférica antes de retirar el dispositivo final de la Asamblea.

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Results

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La figura 6 presenta los espectros de transmitancia de una nueva ventana de CaF2 , la mitad con el dispositivo y el dispositivo completo. Todos los tres espectros exhiben excelente transparencia para IR medio con más de 80% de transmitancia. El patrón de interferencia visible en el espectro del dispositivo completo (curva amarilla en la figura) es causado por el boquete de aire en el rango de 9-10 μm entre dos ventanas. Estos espectros demuestran q...

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Discussion

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Con el fin de evaluar y optimizar el protocolo de fabricación, utilizamos un diseño sencillo para el patrón de microfluidos con una cámara rectangular grande (tamaño 5 x 2,5 mm) en el centro, dos pequeñas cámaras rectangulares (tamaño 5,5 x 0,75 mm) separado del circuito principal en el lados superior e inferior y 300 μm ancho en-let/out-realquilar canales. La cámara central se utiliza para la siembra y observación de las células, mientras que las dos cámaras más pequeñas separadas se utilizan para medir el fondo de aire...

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Disclosures

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Los autores no tienen nada que revelar.

Acknowledgements

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Los autores agradece el apoyo financiero de MBI.

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Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
Químico
Tricloro(1H,1H,2H,2H-perfluorooctyl)silano 97%Sigma Aldrich448931-10G
Sylgard 184 Kit de elastómero de siliconaDow CorningPolydimethylsiloxane o, en resumen, PDMS
Norland Optical Adhesive 73Norland Products Inc.7304
SU8 3010 fotorresistenteMicroChemY311060
revelador SU8Y020100
Material
silicona, 4 pulgadas, primera calidadBonda Technology Pte Ltd
CaF2 Ventanas de grado IRCrystran, Reino UnidoCAFP10-110 mm de diámetro, 1 mm espesor
acrílicasHecho a medida
Equipo
UV-KUB 2 (sistema de exposición LED UV)KLOEEspectro de emisión 365nm ± 5nm
Lámpara UVNewport NewportModelo 66902Lámpara de arco de 50-500 vatios Hg
CEE BarnizadorBrewer ScienceModel 200x
Alineador de mascarillas MJB4SUSS MicroTec
Placa calefactora digital de precisiónHarry Gestigkeit GmbH2860SR
Plasma Surface TechnologyDiener Electronic GmbH + Co. KGPara tratamiento de plasma O2
Bomba de vacío IDP-3 Dry Scroll AgilentTechnologiesPresión máxima 3,3 x 10-1 mbar
Espectrómetro FTIR Bruker IFS 66v/s Bruker
Oblea de Plantillas

References

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