Article de méthode

Mou procédure lithographique de production plastique microfluidiques avec vue-ports Transparent à la lumière Visible et infrarouge

DOI :

10.3791/55884

⸱

17 août 2017

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

Dans cet article

Résumé

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

Un protocole pour la fabrication des dispositifs microfluidiques plastique transparent vue-ports pour l’imagerie de lumière visible et infrarouge est décrite.

Résumé

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

Spectro-microscopie infrarouge (IR) d’échantillons biologiques vivants est entravée par l’absorption de l’eau dans la gamme mid-IR et par l’absence de dispositifs microfluidiques approprié. Ici, un protocole pour la fabrication des dispositifs microfluidiques plastique est démontré, où des techniques lithographiques douces sont utilisées pour incorporer des ports-view transparents de fluorure de Calcium (CaF2) dans le cadre de l’observation ou des chambres. La méthode est basée sur une approche de coulée de réplique, où un moule de polydiméthylsiloxane (PDMS) est produit par le biais de procédures lithographiques standard et ensuite utilisé comme modèle pour produire un dispositif en plastique. Le dispositif en plastique comprend ultraviolet/visible/infrarouge (UV/Vis/IR) - fenêtres transparentes en CaF2 pour permettre l’observation directe avec visible et la lumière infrarouge. Les avantages de la méthode proposée sont : un besoin réduit pour l’accès à une installation de micro-fabrication de salle blanche, plusieurs ports-view, une connexion simple et versatile pour un système de pompage externe à travers le corps en plastique, flexibilité de la conception, par exemple , ouvert/fermé de la configuration des canaux et la possibilité d’ajouter des fonctionnalités sophistiquées comme les membranes NANOPOREUSES.

Introduction

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Spectro-microscopie infrarouge de transformer de Fourier (FTIR) a été largement utilisée comme une technique d’imagerie non invasive et sans étiquette à fournir des informations détaillées et chimiques d’un échantillon. Cela permet l’extraction de l’information biochimique pour étudier la composition chimique des échantillons biologiques, avec un minimum de préparation, étant donné que le spectre d’absorption de l’échantillon porte les empreintes intrinsèques de sa composition chimique1 , 2. récemment, FTIR a été de plus en plus appliquée à l’étude des échantillons biologiques vivants, par exemple, cellules3. Cependant, l’eau, qui est le moyen pour les cellules vivantes dans la plupart des cas, montre une forte absorption dans la région du mid-IR. Même comme une mince couche, sa présence peut complètement submerger l’information structurelle importante des spécimens.

Pendant de nombreuses années, l’approche commune a été fixer ou séchage des échantillons afin d’exclure complètement le signal d’absorption de l’eau dans le spectre. Cependant, cette approche ne permet pas de mesure en temps réel sur des cellules vivantes, qui est essentiel pour étudier le changement de leur composition chimique et des processus cellulaires avec le temps. Obtenir les spectres d’absorption fiables d’échantillons biologiques vivants, consiste à limiter la longueur du trajet optique totale dans le milieu du faisceau IR à moins de 10 µm4.

Une approche bien établie en vivant des expériences de cellules a été jusqu’ici, réflexion totale atténuée (ATR)-imagerie IRTF, qui permet des mesures indépendantes de l’épaisseur de l’échantillon, permettant aux cellules de se maintenir dans une couche plus épaisse du milieu aqueux. Cependant, la faible profondeur de pénétration de l’onde évanescente restreint mesures d’échantillons à seulement les premiers microns peu de la surface du cristal ATR5.

Par ailleurs, la limitation de l’absorption de l’eau a été contournée avec l’émergence de divers systèmes microfluidiques, qui sont généralement classées en deux grands groupes : ouvrir le canal (où des surfaces fluides est exposé à l’atmosphère) et fermé canal (où les deux fenêtres transparentes IR sont séparés par une entretoise avec une épaisseur définie).

Loutherback al mis au point un dispositif à membrane de canaux ouverts qui permet à long terme IR mesures en continu des cellules vivantes pour jusqu'à 7 jours,6. La méthode nécessite une humidité élevée dans l’environnement pour éviter l’évaporation de la moyenne de la surface cellulaire. Le système fonctionne mieux avec des cellules qui se développent naturellement aux interfaces air-liquide, tels que les tissus épithéliaux de la peau, du poumon et yeux ou des biofilms microbiens7.

Une configuration de canal fermé vise à créer une couche uniforme et mince entre deux fenêtres transparentes IR parallèles, où les cellules sont maintenues dans leur milieu aqueux. L’épaisseur de cette cavité est telle que le signal d’absorption de l’eau est inférieure à saturation. Fond de l’eau peut ensuite être soustraite afin d’obtenir les spectres de l’échantillon correct. La plupart des méthodes fermé-canal utilise une cale en plastique qui sépare les deux fenêtres pour former une chambre liquide démontable3,8,9. Un avantage de cette méthode est qu’elle ne nécessite pas de microfabrication ; Toutefois, les structures sont plus complexes qu’une chambre de mesure avec in et out let canaux sont extrêmement difficiles à réaliser dans l’entretoise mince. Il y a aussi un problème avec la reproductibilité de la longueur de chemin d’accès entre mesures IR en raison de sa dépendance sur le blocage mécanique. Afin d’obtenir un contrôle plus précis de l’espacement pour une acquisition de spectre plus fiable, méthodes de lithographie optique ont été appliquées au modèle photorésine sur le dessus du substrat IR pour définir l’espacement9,10 , 11 , 12. même si cela rend possible pour des structures plus complexes à définir dans la cale d’espacement, la méthode requiert l’accès à une installation de microfabrication pour produire le motif sur chaque substrat.

Dans cet article, nous présentons une technique de fabrication simple d’un dispositif microfluidique compatible infrarouge, avec le but de réduire la fabrication des coûts et l’exigence de l’accès à une installation de microfabrication. La méthode présentée ici (voir Figure 1) utilise un processus établi, appelé Lithographie douce. Deux moules sont nécessaires dans ce cas. Le moule principal est issu d’une plaquette de silicium de 4 pouces à l’aide d’un procédé de lithographie UV standard. Le moule secondaire est sa réplique faite du PDMS, qui a une inversion de la polarité du modèle dans le moule principal de silicium et sert le moule principal pour la fabrication de dispositifs ultérieurs.

L’appareil a deux couches distinctes : une première couche avec la mise en page de microfluidique (qui, dans le cas présenté, comprend le canal microfluidique, en-let/out-let et une chambre d’observation avec une fenêtre de2 CaF) et une seconde couche avec une surface plane ( qui se compose de seulement un CaF2 fenêtre d’affichage).

Ici un UV polymérisable optique adhésif, Norland optique 73 (NOA73, abrégé en NOA désormais), sert à former le corps en plastique de l’appareil. Il y a plusieurs avantages à utiliser cet adhésif optique : fabrication de faible coût, facilité de connectivité avec les systèmes externes, bonne transparence optique, faible viscosité et surtout, biocompatibilité,13. FAC2 est un choix idéal comme la fenêtre d’affichage en raison de sa biocompatibilité et une excellente transparence IR14.

Avec cette nouvelle approche, accès à une installation de microfabrication est strictement requis que pour la fabrication du moule principal. Procédés de fabrication ultérieure du dispositif microfluidique en plastique est réalisable dans n’importe quel laboratoire équipé d’une source de lumière UV.

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Protocole

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1. préparation de silicium, de la moisissure primaire

Remarque : un photomasque est nécessaire pour la préparation du moule principal. Le photomasque peut être acheté auprès de fournisseurs indépendants ou fabriqué en interne par le biais de procédures de fabrication de masque optique standard. Un photomasque avec la polarité du champ lumineux est utilisé dans ce cas ( Figure 2 a).

  1. Définition de pattern
    1. Spin enduire une plaquette de silicium de 4 pouces avec SU-8 3010 photosensible négative à 2 300 tr/min pendant 30 s.
    2. Soft-cuire la résine photosensible sur une plaque chauffante à 65 ° C pendant 2 min et puis à 95 ° C pendant 8 min.
    3. Exposer la résine photosensible à la lumière UV (i-line, 365 nm) par le biais de la photolithographie sous l’aligneur de masque pour une dose totale d’énergie de 100-120 mJ/cm 2 ; le mode de contact dur est préféré à atteindre une meilleure résolution.
    4. Retirer la plaquette et appliquer une exposition post cuisson au four à 65 ° C pendant 1 min et puis à 95 ° C pendant 2 min.
    5. Développer la résine photosensible à l’aide d’un développeur de SU-8 à température ambiante, puis rincer avec de l’alcool isopropylique et sécher doucement avec de l’azote, l’épaisseur mesurée modèle devrait être 10 µm et ci-dessous. Voir la Figure 2 b pour l’image du Moule silicone réelles.
  2. Silanisation du Moule silicone
    1. traiter le moule silicone avec plasma oxygène à 60 W pour 30 s avec sccm 20 d’alimentation en oxygène. La valeur 1-10 mbar pression dans la chambre pendant le processus de.
    2. Placer le moule dans un bocal vide avec 50 µL de silane et de laisser le pot dans l’état de vide (1-10 mbar) pendant au moins 2 h.
      Remarque : Le processus de silanisation crée un revêtement de surface hydrophobe qui empêche les PDMS de coller au moule 15. Notez que le moule principal peut également être fabriqué en utilisant une autre méthode, qui implique une gravure sèche du silicium. Dans ce cas, le photomasque sera de polarité opposée (fond noir), et la définition de modèle à l’étape 1.1 utilisera une résine photosensible positive.

2. Préparation du moule secondaire PDMS

  1. PDMS mélange
    1. mélanger l’élastomère PDMS et salaison, 10:1 ; le montant total est telle que l’épaisseur PDMS est environ de 1 à 1,5 mm.
    2. Après mélange intime, dégazer le mélange en le laissant dans un pot vide dans l’état de vide (1-10 mbar) pendant environ 15 minutes ou jusqu'à ce qu’il n’y a pas de bulles visibles ; il s’agit d’enlever tout l’air emprisonné dans le mélange.
  2. Réplication moule
    1. verser le mélange PDMS sur le moule silicone fabriqué à l’étape 1 et dégazez le mélange pour enlever tout l’air emprisonné avec les mêmes paramètres comme au point 2.1.2. Chauffer à 70 ° C pendant 2 h sur une plaque chauffante pour guérir le mélange.
    2. Supprimer le PDMS durci de la plaque chauffante et laisser refroidir à température ambiante. Avec une lame de rasoir, coupez le PDMS sur les bords du moule silicon.
    3. Avec une paire de pincettes, pincer un coin de la coupe PDMS et peler soigneusement la réplique PDMS hors du Moule silicone ; le patron de microfluidique qui en résulte sur ce moule secondaire est une saillie, qui est la polarité opposée de la moule principal ( figure 2 c).
  3. silanisation du réplica PDMS (même comme à l’étape 1.2)
    1. traiter le moule PDMS avec plasma oxygène à 60 W pour 30 s avec sccm 20 d’alimentation en oxygène. La valeur 1-10 mbar pression dans la chambre pendant le processus de.
    2. Place le moule sous vide bocal avec 50 µL de silane et laissez le bocal dans l’état de vide (1-10 mbar) pendant au moins 2 h.

3. Préparation des gabarits de PDMS

Remarque : pour normaliser la forme et la taille des dispositifs finales et pour faciliter l’alignement des principales caractéristiques au cours des deux semestres, deux modèles distincts de PDMS ont été utilisées, qui définissent la géométrie de l’appareil, le placement de la fenêtre transparente et les connexions dans - et out - let. Le premier modèle PDMS facilite la fabrication de la moitié à motifs de l’appareil, tandis que la seconde contribue à faciliter la fabrication de la partie plate du dispositif.

  1. Concevoir les modèles à l’aide d’un logiciel de conception assistée par ordinateur. figure 3 une montre la mise en page et les dimensions du modèle utilisé pour fabriquer la moitié à motifs de l’appareil. Pour fabriquer la moitié plate de l’appareil, retirez les trous de diamètre 1,5 mm de la conception.
  2. Acquérir les modèles d’un fournisseur externe ou dans un atelier de mécanique interne si elle est disponible.
    NOTE : Acrylique a été utilisé comme modèle du matériel en raison de la facilité de fabrication et de faible coût réalisable dans n’importe quel atelier standard. Il y a des options alternatives, telles que l’impression 3D.
  3. Mélanger l’élastomère PDMS et salaison 10:1 ; n’oubliez pas de préparer une quantité suffisante de PDMS pour immerger entièrement les modèles de.
  4. Après mélange intime, dégazer le mélange en le laissant dans un pot vide dans l’état vide (1-10 mbar) pendant environ 15 minutes ou jusqu'à ce qu’il n’y a pas de bulles visibles (si elle est postérieure) ; il s’agit d’enlever tout l’air emprisonné dans le mélange.
  5. Verser le mélange PDMS sur les modèles acryliques jusqu'à ce que leur surface plus haut est submergée d’environ 1 mm sous la surface du liquide. Dégazer le PDMS à nouveau pour enlever tout l’air emprisonné avec les mêmes paramètres 3.4. Ce chauffer à 60 ° C pendant 2 h sur une plaque chauffante nivelée pour guérir le mélange.
  6. Supprimer le PDMS durci de la plaque chauffante et laisser refroidir à température ambiante. Avec une lame de rasoir, coupez le PDMS le long des bords des modèles acryliques.
  7. Avec une paire de pincettes, pincer un coin de la coupe PDMS et peler soigneusement le PDMS hors les modèles acryliques.
    NOTE : b de la Figure 3 montre la mise en page et les dimensions de la réplique PDMS utilisé pour fabriquer la moitié à motifs de l’appareil.
  8. Préparer la deuxième réplique PDMS pour fabriquer le plat de la moitié de l’appareil en répétant les étapes 3.3 à 3.7, mais en utilisant le modèle acrylique sans les trous de diamètre 1,5 mm.

4. Fabrication de dispositifs microfluidiques

  1. Fabrication de la moitié à motifs de l’appareil (c'est-à-dire, avec une disposition périphérique)
    1. traiter la CaF 2 fenêtre avec plasma oxygène à 60 W pour 30 s avec sccm 20 d’alimentation en oxygène. Ceci est fait pour améliorer la circulation de NOA au cours de la fabrication suivante.
      Remarque : Cette étape n’est pas obligatoire.
    2. Placer soigneusement le premier PDMS gabarit (celui avec les piliers de diamètre 1,5 mm) sur une surface plane, par exemple, une sodo plaque ( Figure 4 a). Placer une fenêtre de 2 FAC centrée sur le dessus de la fiche PDMS et appuyez doucement sur la fenêtre tel qu’il est en contact avec le bouchon ( Figure 4 b).
    3. Prendre le moule PDMS fait à l’étape 2 et placez une plaque mince transparent UV (dans ce cas, une plaque de quartz, 500 µm d’épaisseur et 1,5 cm x 1,5 cm de taille) sur l’arrière du moule, alignée sur l’emplacement de la chambre centrale ( Figure 4 c). Assurez-vous que la plaque de quartz est en contact avec le moule PDMS.
      Remarque : Thplaque de quartz e empêche la zone non désirée du moule facilement entrer en contact avec la CaF 2 fenêtre.
    4. Placer délicatement ce PDMS moule face vers le bas vers la fenêtre de 2 FAC avec la chambre fluidique alignée au centre de la fenêtre 2 de FAC. Assurez-vous que tous les éléments (modèle, moule et fenêtre) sont en contact et alignement ( Figure 4 c-4D).
    5. Peu à peu distribuer gouttes d’Ada à l’en-let du modèle PDMS et laissez-le lentement remplir la cavité. Une fois que la résine entre en contact avec le bord de la fenêtre, l’écoulement capillaire comblera le vide mince (environ 10 µm) entre le moule PDMS et la CaF 2 fenêtre ( Figure 4 e-4f).
    6. Après la cavité est remplie complètement, guérir l’AA par l’exposition aux UV (par exemple, avec un système d’exposition UV-LED, g de la Figure 4).
      Remarque : La durée d’exposition peut varier en conséquence avec l’énergie de la source UV. Le système d’exposition UV-LED, qui donne une densité de puissance de 24 mW/cm 2, nécessite environ 90 s à 100 % de puissance et de mode d’exposition continue.
    7. Retirez soigneusement la plaque de quartz mince à l’arrière de la moule PDMS et ensuite délicatement éplucher le moule PDMS du haut de la couche NOA ( Figure 4 h). Enfin, enlever la couche NOA du gabarit de PDMS ( Figure 4 j’ai).
      Remarque : La disposition périphérique obtenue sur l’avis d’allégation durci aurait la même polarité du modèle dans le moule silicone primaire.
  2. Fabrication de la moitié de plate de l’appareil (c'est-à-dire sans périphérique)
    1. traiter la CaF 2 fenêtre avec le plasma d’oxygène à 60 W pour 30 s avec sccm 20 d’alimentation en oxygène.
      Remarque : Cette étape n’est pas obligatoire.
    2. Placez délicatement le deuxième modèle PDMS (un sans les piliers de diamètre 1,5 mm) sur une surface plane, par exemple, une plaque de chaux sodée. Placer une fenêtre de 2 FAC centrée sur le dessus de la fiche PDMS et appuyez doucement sur la fenêtre tel qu’il est en contact avec le bouchon.
    3. Placer une feuille PDMS épaisse de 1 mm avec une taille de 5 cm x 3,5 cm sur le dessus de la fenêtre de 2 CaF, avec la feuille PDMS alignée avec le centre du gabarit PDMS. Assurez-vous que la feuille PDMS est en contact avec la fenêtre.
    4. Peu à peu distribuer gouttes d’Ada à l’en-let du modèle PDMS et laissez-le lentement remplir la cavité.
    5. Après la cavité est remplie complètement, guérir l’AA par l’exposition aux UV (par exemple, avec un système d’exposition UV-LED).
      Remarque : La durée d’exposition peut varier en conséquence avec la source d’énergie UV. Avec le système d’exposition UV-LED, qui donne une densité de puissance de 24 mW/cm 2, cela nécessite environ 50 s à 100 % de puissance et de mode d’exposition continue.
    6. Peel off la feuille PDMS du haut de la couche NOA et retirez délicatement la couche NOA durcie le modèle PDMS.
  3. De liaison des deux moitiés de l’appareil
    1. Alignez les deux moitiés de l’appareil tel que les deux fenêtres de 2 FAC sont alignés. Doucement doigt-Appuyez sur les deux moitiés à l’angle des couches NOA telle que la position des deux moitiés ont été fixés.
    2. Couper deux disques circulaires d’une feuille PDMS épaisse de 1 mm à l’aide d’un perforateur de diamètre 8 mm ( Figure 5 a).
    3. Couper deux rectangles de même taille de l’appareil (4 x 2,5 cm) d’une feuille PDMS épaisseur 1 mm. Sur les deux rectangles PDMS, couper les ouvertures correspondant aux canaux et l’en-let/out-let du dispositif.
      Remarque : Les ouvertures prédécoupées dans les rectangles PDMS visent à empêcher que les canaux s’effondrer pendant le pressage.
      4. Ordre de
    4. pile dans ce qui suit du bas : un rectangle PDMS avec ouvertures précoupées, un seul disque PDMS (au contact de la fenêtre du bas, couper à l’étape 4.3.2), les deux moitiés de doigt-pressé de l’appareil, le deuxième disque PDMS (assis sur le haut de la fenêtre) et enfin le deuxième rectangle PDMS avec ouvertures prédécoupées ( Figure 5 b).
    5. Placer cette Assemblée dans le paramétrage de la presse sous vide, telle qu’elle est prise en sandwich entre 2 plaques et sceller le sac en plastique ( Figure 5 c). Mettre en marche la pompe à vide et évacuer l’Assemblée. Laisser la pompe à vide, atteindre la pression de sa base ou appliquer le vide pour au moins 10 min.
      Remarque : La pression de base atteinte dépend de la pompe à vide utilisés et la qualité de l’étanchéité du sac en plastique.
    6. Exposer l’Assemblée évacuée aux UV avec une lampe à gaz Hg large bande à 270 W pendant 15 min. tourner la pompe à vide et laissez l’Assemblée évacuer lentement à la pression atmosphérique avant de retirer le dispositif final de l’Assemblée.

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Résultats

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La figure 6 présente les spectres de transmittance d’une toute nouvelle CaF2 fenêtre, la moitié à motifs de l’appareil et le dispositif complet. Tous les trois spectres pièce excellente transparence au milieu IR avec transmission supérieure à 80 %. La figure d’interférence visible dans le spectre de l’appareil complet (courbe jaune sur la figure) est causée par l’entrefer de l’ordre de 9 à 10 mm entre les deux fenêtres. Ces spectres démontrent que ...

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Discussion

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

Afin d’évaluer et d’optimiser le protocole de fabrication, nous avons utilisé une disposition simple pour le modèle de microfluidique avec une grande salle rectangulaire (dimensions 5 x 2,5 mm) au centre, deux petites chambres rectangulaires (taille 5,5 x 0,75 mm) séparée du circuit principal sur le les faces supérieures et inférieures et 300 µm large en-let/out-let canaux. La chambre centrale est utilisée pour l’ensemencement et observation des cellules, tandis que les deux chambres séparées de plus petits sont utilisés...

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Déclarations de divulgation

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

Les auteurs n’ont rien à divulguer.

Remerciements

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

Les auteurs remercient le soutien financier de MBI.

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Matériaux

Liste des matériaux utilisés dans cet article
NomEntrepriseNuméro de catalogueCommentaires
Chimique
Trichloro(1H,1H,2H,2H-perfluorooctyl)silane 97 %Sigma Aldrich448931-10G
Sylgard 184 Kit d’élastomère de siliconeDow CorningPolydiméthylsiloxane ou en abrégé, PDMS
Norland Optical Adhesive 73Norland Products Inc.7304
SU8 3010 photorésineMicroChemY311060
SU8 développeurMicroChemY020100
Material
Plaquette de silicium, 4 pouces, première qualitéBonda Technology Pte Ltd
CaF2 Fenêtres de qualité IRCrystran, UKCAFP10-110 mm de diamètre, 1 mm épaisseur
Modèles acryliques Surmesure
Équipement
UV-KUB 2 (système d’exposition LED UV)KLOESpectre d’émission 365nm ± ; 5nm
Lampe UVNewport Modèle6690250-500 Watt Hg lampe à arc
CEE Spin coaterBrewer ScienceModel 200x
Aligneur de masque MJB4SUSS MicroTec
Plaque chauffante numérique de précisionHarry Gestigkeit GmbH2860SR
Technologie de surface plasmaDiener Electronic GmbH + Co. KGPour le traitement au plasma O2
IDP-3 Pompe à vide Dry ScrollAgilent Technologiespression ultime 3,3 x 10-1 mbar
Spectromètre FTIR Bruker IFS 66v/sBruker

Références

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
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Mots-clés

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