Method Article

Procedura litografica morbido per la produzione di dispositivi microfluidici plastica con vista-porte trasparente alla luce visibile e infrarossa

DOI:

10.3791/55884

⸱

August 17th, 2017

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

In This Article

Summary

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

Un protocollo per la fabbricazione di dispositivi microfluidici plastica con trasparente vista-porte per l'imaging di luce visibile e dell'infrarosso è descritto.

Abstract

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Infrarossi (IR) spectro-microscopia di campioni biologici viventi è ostacolata dall'assorbimento di acqua nella gamma metà-IR e dalla mancanza di dispositivi microfluidici adatto. Qui, un protocollo per la fabbricazione di dispositivi microfluidici plastica è dimostrato, dove tecniche litografiche morbidi sono utilizzati per incorporare trasparente fluoruro di calcio (CaF2) vista-Port in relazione camera di osservazione. Il metodo si basa su un approccio di colata di replica, dove uno stampo di polidimetilsilossano (PDMS) è prodotta attraverso procedure standard litografiche e quindi utilizzato come modello per la produzione di un dispositivo di plastica. Il dispositivo di plastica dispone di ultravioletto/visibile/infrarosso (UV/Vis/IR) - finestre trasparenti composta CaF2 per consentire l'osservazione diretta con visibile e IR luce. I vantaggi del metodo proposto sono: una minore necessità di accedere a una struttura di micro-fabbricazione di camera pulita, vista-porte multiple, una connessione facile e versatile per un sistema di pompaggio esterno attraverso il corpo di plastica, flessibilità del design, es. , aperto/chiuso la configurazione di canali e la possibilità di aggiungere funzionalità sofisticate come membrane nanoporose.

Introduction

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Fourier Transform Infrared Spectro-microscopia (FTIR) è stata ampiamente utilizzata come una tecnica di imaging non invasivo e privo di etichetta di fornire informazioni dettagliate chimiche di un campione. Ciò consente l'estrazione di informazioni biochimiche per lo studio della chimica dei campioni biologici, con un importo minimo di preparazione poiché lo spettro di assorbimento del campione trasporta le impronte intrinseche della sua composizione chimica1 , 2. recentemente, FTIR è stata sempre più applicata allo studio di campioni biologici dal vivo, per esempio, cellule3. Tuttavia, acqua, che è il mezzo per le cellule viventi nella maggior parte dei casi, Mostra una forte capacità di assorbimento nella regione mid-IR. Anche come strato sottile, la sua presenza può sopraffare completamente l'informazione strutturale importante degli esemplari.

Per molti anni, l'approccio comune era di fissaggio o essiccazione campioni per escludere completamente il segnale di assorbimento di acqua nello spettro. Tuttavia, questo approccio non consente per misurazioni in tempo reale su cellule viventi, che è essenziale per studiare il cambiamento della loro composizione chimica e processi cellulari con il tempo. Un modo per ottenere spettri di assorbimento affidabili da campioni biologici dal vivo, è quello di limitare la lunghezza totale del percorso ottico nel mezzo del fascio IR a meno di 10 µm4.

Un approccio ben consolidato nella vita esperimenti cellulari è stato finora, riflessione totale attenuata (ATR)-imaging FTIR, che permette di eseguire misure indipendenti dello spessore del campione, consentendo alle cellule di essere sostenuta in uno strato più spesso di mezzo acquoso. Tuttavia, la piccola profondità di penetrazione dell'onda evanescente limita misurazioni di campioni a solo il primo pochi micron dalla superficie del cristallo ATR5.

In alternativa, il limite di assorbimento di acqua è stato aggirato con l'emergere di vari sistemi microfluidici, che generalmente sono classificati in due grandi gruppi: aprire il canale (dove una delle superfici fluide è esposto all'atmosfera) e chiuso canale (dove due finestre IR-trasparenti sono separati da un distanziatore con uno spessore definito).

Loutherback et al ha sviluppato un dispositivo di aprire-canale di membrana che consente a lungo termine IR misurazioni continue di cellule vive per fino a 7 giorni6. Il metodo richiede elevata umidità nell'ambiente per evitare l'evaporazione del fluido dalla superficie delle cellule. Il sistema funziona meglio con le cellule che crescono naturalmente alle interfacce aria-liquido, come ad esempio tessuti epiteliali della pelle, del polmone e gli occhi o biofilm microbici7.

Una configurazione del canale chiuso mira a creare uno strato uniforme e sottile tra due finestre IR-trasparente paralleli, dove le cellule sono mantenute nella loro mezzi acquosi. Lo spessore di questa cavità è tale che il segnale di assorbimento di acqua è inferiore a saturazione. Priorità bassa dell'acqua possa poi essere sottratti per ottenere gli spettri del campione corretto. La maggior parte dei metodi canale chiuso utilizzano un distanziale in plastica che separa le due finestre per formare un alloggiamento liquido smontabile3,8,9. Un vantaggio di questo metodo è che non necessita di microfabbricazione; Tuttavia, le strutture che sono più complesse di una camera di misura con canali nel e out let sono estremamente difficili da realizzare nel distanziale sottile. C'è anche un problema con la riproducibilità della lunghezza percorso tra misure IR a causa della sua dipendenza dal bloccaggio meccanico. Al fine di ottenere un controllo più preciso della spaziatura per un'acquisizione di spettro più affidabile, metodi di litografia ottica sono state implementate per modello photoresist sopra il substrato di IR per definire il distanziatore9,10 , 11 , 12. anche se questo rende possibile per strutture più complesse da definire il distanziale, il metodo richiede l'accesso ad un impianto di microfabbricazione per produrre il modello su ogni substrato.

In questa carta, presentiamo una tecnica di semplice montaggio di un dispositivo microfluidico IR-compatibile, con l'obiettivo di ridurre il costo di fabbricazione e la richiesta di accesso a una struttura di microfabbricazione. Il metodo presentato qui (Vedi Figura 1) usi un processo consolidato, noto come litografia soft. In questo caso sono necessari due stampi. La muffa primaria è fatta da un wafer di silicio da 4 pollici utilizzando un processo di litografia UV standard. Lo stampo secondario è la replica di PDMS, che ha una polarità invertita del modello nello stampo silicio primario e serve come lo stampo master per la fabbricazione di dispositivi successivi.

Il dispositivo ha due strati separati: un primo strato con il layout di microfluidica (che nel caso presentato è costituito il canale di microfluidica, in-let/out-let e una camera di osservazione con una finestra di2 CaF) e un secondo strato con una superficie piana ( che consiste di soltanto una finestra di2 CaF).

Qui un adesivo ottico UV-curable, Norland ottico adesivo 73 (NOA73, abbreviato come NOA, d'ora in poi), viene utilizzato per formare il corpo di plastica principale del dispositivo. Esistono numerosi vantaggi dell'utilizzo di questo adesivo ottico: fabbricazione di basso costo, facilità di connessione a sistemi esterni, buona trasparenza ottica, bassa viscosità e la cosa più importante, biocompatibilità13. CaF2 è una scelta adatta come il riquadro di visualizzazione grazie alla sua biocompatibilità ed eccellente trasparenza IR14.

Con questo nuovo approccio, l'accesso ad un impianto di microfabbricazione è strettamente necessaria solo per la fabbricazione dello stampo primario. Processi di lavorazione successivi per il dispositivo microfluidico plastica possono essere effettuati in qualsiasi laboratorio attrezzato con una fonte di illuminazione UV.

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Protocol

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1. preparazione di silicio primario Mold

Nota: un photomask è necessaria per la preparazione dello stampo primario. Strato di fotoresist può essere acquistato da fornitori indipendenti o fabbricato internamente attraverso procedure di fabbricazione maschera ottica standard. Un photomask con polarità del campo luminoso viene utilizzato in questo caso ( Figura 2 a).

  1. Definizione del modello
    1. Spin cappotto un wafer di silicio da 4 pollici con il photoresist negativo SU-8 3010 a 2.300 giri/min per 30 s.
    2. Soft-cuocia il photoresist su un piatto caldo a 65 ° C per 2 min e poi a 95 ° C per 8 min.
    3. Esporre il photoresist alla luce UV (linea i-line, 365 nm) attraverso il photomask sotto il aligner maschera per una dose totale di energia di 100-120 mJ/cm 2; la modalità di contatto dura è preferita per ottenere una migliore risoluzione.
    4. Rimuovere la cialda e applicare un post esposizione cuocere a 65 ° C per 1 min e poi a 95 ° C per 2 min.
    5. Sviluppare il photoresist utilizzando uno sviluppatore SU-8 a temperatura ambiente, quindi risciacquare con alcool isopropilico e asciugare delicatamente con azoto; lo spessore misurato modello dovrebbe essere 10 µm e qui sotto. Vedere Figura 2 b per l'immagine dello stampo silicone reale.
  2. Silanizzazione della muffa del silicone
    1. trattare lo stampo di silicone con plasma ad ossigeno a 60 W per 30 s con 20 sccm di flusso di ossigeno. Impostare la pressione nella camera a 1-10 mbar durante il processo.
    2. Posizionare lo stampo in un barattolo sottovuoto con 50 µ l di silano e lasciare il vaso nello stato vuoto (1-10 mbar) per almeno 2 h.
      Nota: Il processo di silanizzazione crea un rivestimento idrofobo superficiale che impedisce di attaccarsi alla muffa 15 PDMS. Si noti che lo stampo primario può anche essere fabbricato utilizzando un metodo alternativo, che coinvolge l'incisione a secco del silicio. In questo caso, strato di fotoresist sarà di polarità opposta (campo scuro), e la definizione di modello nel passaggio 1.1 utilizzerà un photoresist positivo.

2. Preparazione di PDMS secondaria muffa

  1. PDMS miscelazione
    1. mescolare il PDMS elastomero e l'agente indurente, 10:1; la quantità totale è tale che lo spessore PDMS risultante è di circa 1-1,5 mm.
    2. Dopo accurata miscelazione, degassare la miscela lasciandolo in un barattolo vuoto nello stato vuoto (1-10 mbar) per circa 15 minuti o fino a quando non ci sono bolle visibili; si tratta di eliminare l'aria intrappolata all'interno della miscela.
  2. Replica di stampo
    1. versare il composto PDMS sullo stampo silicone fabbricato nel passaggio 1 e degassare la miscela per rimuovere tutta l'aria intrappolata con le stesse impostazioni come descritto al punto 2.1.2. Calore a 70 ° C per 2 h su una piastra calda per curare la miscela.
    2. Rimuovere il PDMS curata dalla piastra scaldante e lasciarlo raffreddare fino a temperatura ambiente. Con una lama di rasoio, tagliare il PDMS lungo i bordi dello stampo silicone.
    3. Con un paio di pinzette, pizzicare un angolo del taglio PDMS e rimuovere con cautela la replica PDMS fuori lo stampo di silicone; il pattern di microfluidica risultante su questo stampo secondario è una protrusione, che è la polarità opposta della muffa primario ( Figura 2 c).
  3. silanizzazione della replica PDMS (lo stesso come descritto al punto 1.2)
    1. trattare la muffa PDMS con plasma ad ossigeno a 60 W per 30 s con 20 sccm di flusso di ossigeno. Impostare la pressione nella camera a 1-10 mbar durante il processo.
    2. Posto lo stampo in un vuoto contenitore con 50 µ l di silano e lasciare il vaso nello stato vuoto (1-10 mbar) per almeno 2 h.

3. Preparazione di modelli di PDMS

Nota: per standardizzare la forma e le dimensioni dei dispositivi finali e per facilitare l'allineamento delle caratteristiche principali in due metà, sono stati utilizzati due modelli distinti di PDMS, che definiscono la geometria del dispositivo, il posizionamento della finestra trasparente e le connessioni in e out let. Il primo modello PDMS favorisce la fabbricazione della fantasia metà del dispositivo, mentre il secondo contribuisce a facilitare la realizzazione della metà piatta del dispositivo.

  1. Progettare i modelli usando un software di computer-aided design (CAD). Figura 3 una Mostra il lay-out e dimensioni del modello utilizzato per fabbricare il modellato metà del dispositivo. Per realizzare il piatta metà del dispositivo, rimuovere i fori del diametro di 1,5 mm dal design.
  2. Acquisire i modelli da un provider esterno o attraverso un'officina meccanica interna, se disponibile.
    Nota: Acrilico è stato utilizzato come modello di materiale grazie alla facilità di fabbricazione e basso costo realizzabile in qualsiasi officina standard. Ci sono opzioni alternative, come la stampa 3D.
  3. Mescolare il PDMS elastomero e agente indurente 10:1; Assicurarsi di preparare una quantità sufficiente di PDMS per sommergere completamente i modelli.
  4. Dopo accurata miscelazione, degassare la miscela lasciandolo in un barattolo vuoto nello stato vuoto (1-10 mbar) per circa 15 minuti o fino a quando non ci sono bolle visibili (qualunque sia il secondo); si tratta di eliminare l'aria intrappolata all'interno della miscela.
  5. Versare il composto PDMS acrilico nei modelli fino a quando la loro superficie più in alto è sommerso circa 1 mm sotto la superficie del liquido. Degassare il PDMS nuovamente per rimuovere tutta l'aria intrappolata con le stesse impostazioni 3.4. Questo riscaldare a 60 ° C per 2 h su una piastra calda livellata per curare la miscela.
  6. Rimuovere il PDMS curata dalla piastra scaldante e lasciarlo raffreddare fino a temperatura ambiente. Con una lama di rasoio, tagliare il PDMS lungo i bordi dei modelli acrilici.
  7. Con un paio di pinzette, pizzicare un angolo del taglio PDMS e rimuovere con cautela il PDMS fuori i modelli acrilici.
    Nota: Nella figura 3 b Mostra il lay-out e dimensioni della replica PDMS utilizzato per fabbricare il modellato metà del dispositivo.
  8. Preparare la seconda replica PDMS per fabbricare il piatto metà del dispositivo ripetendo passaggi 3.3 a 3.7 ma utilizzando il modello di acrilico senza i fori di diametro di 1,5 mm.

4. Fabbricazione di dispositivi microfluidici

  1. fabbricazione della fantasia metà del dispositivo (cioè, con layout periferica)
    1. delizia finestra 2 CaF con plasma ad ossigeno a 60 W per 30 s con 20 sccm di flusso di ossigeno. Questo viene fatto per migliorare il flusso di NOA durante la fabbricazione seguente.
      Nota: Questo passaggio non è obbligatorio.
    2. Posto con attenzione il primo PDMS modello (uno con i pilastri di diametro 1,5 mm) su una superficie piana, ad esempio, una calce sodata piastra ( Figura 4 a). Posizionare una finestra di 2 CaF centrata sopra la spina PDMS e premere delicatamente la finestra tale che è in buon contatto con il tappo ( Figura 4 b).
    3. Prendere la muffa PDMS fatta nel passaggio 2 e posizionare una sottile lastra di UV-trasparente (in questo caso, un piatto del quarzo, 500 µm di spessore e 1,5 x 1,5 cm dimensioni) sul retro dello stampo, allineato con la posizione della camera centrale ( Figura 4 c). Assicurarsi che la piastra al quarzo è in buon contatto con lo stampo PDMS.
      Nota: Thpiatto di quarzo e impedisce che l'area indesiderati dello stampo facilmente entrare in contatto con la finestra di 2 CaF.
    4. Delicatamente posizionare questo PDMS stampo capovolto verso la finestra 2 CaF con la camera fluidica allineata al centro della finestra 2 CaF. Assicurarsi che tutti gli elementi (modello, muffa e finestra) sono in buon contatto e allineato ( Figura 4 c-4 d).
    5. Gradualmente versare gocce di NOA presso la delusione del modello PDMS e lasciarlo lentamente riempire la cavità. Una volta che la resina viene a contatto con il bordo della finestra, il flusso capillare intende colmare il vuoto sottile (~ 10 µm) tra il PDMS muffa e CaF 2 finestra ( Figura 4 e-4f).
    6. Dopo la cavità è completamente riempita, curare il NOA da esposizione alla luce UV (ad es., con un sistema di esposizione UV-LED, Figura 4 g).
      Nota: Il tempo di esposizione può variare di conseguenza con l'energia della sorgente UV. Il sistema di esposizione UV-LED, che fornisce una densità di potenza di 24 mW/cm 2, richiede circa 90 s al 100% di potenza e modalità di esposizione continua.
    7. Attentamente rimuovere la piastra sottile quarzo dal retro dello stampo PDMS e poi delicatamente lo stampo PDMS dalla parte superiore dello strato NOA ( Figura 4 h). Infine, rimuovere lo strato NOA dal modello PDMS ( Figura 4 ho).
      Nota: Il layout risultante dispositivo sul NOA curata avrebbe la stessa polarità del modello nello stampo silicio primario.
  2. Fabbricazione della metà piatta del dispositivo (cioè, senza layout periferica)
    1. trattare finestra 2 CaF con plasma ad ossigeno a 60 W per 30 s con 20 sccm di flusso di ossigeno.
      Nota: Questo passaggio non è obbligatorio.
    2. Posizionare con attenzione il secondo modello PDMS (uno senza i pilastri del diametro di 1,5 mm) su una superficie piana, ad esempio, un piatto di calce sodata. Posizionare una finestra di 2 CaF centrata sopra la spina PDMS e premere delicatamente la finestra tale che è in buon contatto con la spina.
    3. Mettere un foglio PDMS spesso di 1 mm con dimensioni di 5 x 3,5 cm in cima alla finestra di 2 CaF, con il foglio PDMS allineato al centro del modello PDMS. Assicurarsi che il foglio PDMS è in buon contatto con la finestra.
    4. Gradualmente versare gocce di NOA presso la delusione del modello PDMS e lasciarlo lentamente riempire la cavità.
    5. Dopo la cavità è completamente riempita, curare il NOA da esposizione alla luce UV (ad es., con un sistema di esposizione UV-LED).
      Nota: Il tempo di esposizione può variare di conseguenza con la fonte di energia UV. Con il sistema di esposizione UV-LED, che fornisce una densità di potenza di 24 mW/cm 2, questo richiede circa 50 s al 100% di potenza e modalità di esposizione continua.
    6. Peel off il foglio PDMS dalla parte superiore dello strato NOA e attentamente rimuovere lo strato NOA curato dal modello PDMS.
  3. Incollaggio delle due metà del dispositivo
    1. allineare le due metà del dispositivo in modo tale che entrambe le finestre 2 CaF sono allineate. Delicatamente dito premere entrambe le metà all'angolo degli strati NOA tale che la posizione delle due metà sono fissa.
    2. Tagliare due dischi circolari da un foglio PDMS spesso 1 mm utilizzando un perforatore di diametro di 8 mm ( Figura 5 a).
    3. Tagliare due rettangoli con le stesse dimensioni del dispositivo (4 x 2,5 cm) da una lastra PDMS spessore 1 mm. Su entrambi i rettangoli PDMS, tagliare le aperture corrispondenti per i canali e l'in-let/out-let del dispositivo.
      Nota: Le aperture pre-tagliate in rettangoli PDMS sono finalizzate a evitare i canali collasso durante la pressatura.
    4. Stack nel seguente ordine dal basso: un rettangolo PDMS con aperture pre-tagliati, un disco PDMS (a contatto con la finestra in basso, tagliata al punto 4.3.2), le due metà dito del dispositivo, il secondo disco PDMS (seduto sulla finestra in alto) e infine il secondo rettangolo PDMS con aperture pretagliate ( Figura 5 b).
    5. Disporre questo assembly nel setup pressa a vuoto in modo tale che è imbottigliato tra 2 piatti e sigillare il sacchetto di plastica ( Figura 5 c). Accendere la pompa del vuoto ed evacuare l'assembly. Lasciare che la pompa del vuoto, raggiunta la pressione di base o applicare il vuoto per almeno 10 min.
      Nota: La pressione di base raggiunta dipende dalla pompa del vuoto utilizzato e qualità di sigillamento del sacchetto di plastica.
    6. Esporre l'assembly evacuati ai raggi UV con una lampada a gas Hg a banda larga a 270 W per 15 min. Turn off il pulsometro e lasciare che l'assembly lentamente sfogo alla pressione atmosferica prima di rimuovere il dispositivo finale dall'assembly.

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Results

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Figura 6 presenta lo spettro di trasmittanza di una finestra di2 CaF nuovo di zecca, la fantasia metà del dispositivo e il dispositivo completo. Tutti gli spettri di tre mostrano eccellente trasparenza a metà IR con trasmittanza superiore all'80%. La figura di interferenza visibile nello spettro del dispositivo completo (curva gialla nella figura) è causata dallo spacco di aria nella gamma di 9-10 µm tra le due finestre. Questi spettri dimostrano c...

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Discussion

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

Al fine di valutare e ottimizzare il protocollo di fabbricazione, abbiamo usato un layout semplice per il modello di microfluidica con una grande camera rettangolare (dimensioni 5 x 2,5 mm) al centro, due piccole camere rettangolari (dimensioni 5,5 x 0,75 mm) separato dal circuito principale sulla i lati superiori e inferiore e 300 µm ampia in-let/out-let canali. La camera centrale è utilizzata per la semina e osservazione delle cellule, mentre le due camere più piccole separate sono utilizzate per misurare lo sfondo di ...

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Disclosures

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

Gli autori non hanno nulla a rivelare.

Acknowledgements

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

Gli autori riconoscono con gratitudine il sostegno finanziario di MBI.

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Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
chimico
tricloro (1H,1H,2H,2H-perfluoroottil)silano 97%Sigma Aldrich448931-10G
Sylgard 184 Kit di elastomeri siliconiciDow CorningPolidimetilsilossano o in breve, PDMS
Norland Optical Adhesive 73Norland Products Inc.7304
SU8 3010 fotoresistMicroChemY311060
sviluppatore SU8MicroChemY020100
Materiale
Wafer di silicio, 4 pollici, grado primarioBonda Technology Pte Ltd
CaF2 Finestre di grado IRCrystran, UKCAFP10-110 mm diametro, 1 mm spessore
acriliciSu misura
Attrezzatura
UV-KUB 2 (sistema di esposizione UV LED)KLOESpettro di emissione 365nm ± 5nm
Newport Lampada UVNewportModello 6690250-500 Watt Hg lampada ad arco
CEE Spin coater BrewerScienceModello 200x
Allineatore di maschere MJB4SUSS MicroTec
Piastra riscaldante digitale di precisioneHarry Gestigkeit GmbH2860SR
Tecnologia di superficie al plasmaDiener Electronic GmbH + Co. KGPer il trattamento al plasma O2
IDP-3 Pompa per vuoto Dry ScrollAgilent Technologies3,3 x 10-1 mbar
Bruker Spettrometro FTIR IFS 66v/sBruker
Modelli Pressione massima

References

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