ビュー ポートの可視光と赤外線を透明なプラスチックのマイクロ流体デバイスを製造するためソフト平版のプロシージャ

Summary

可視・赤外光イメージングのための透明なビュー ポートを持つプラスチック製マイクロ流体デバイス作製のためのプロトコルを説明します。

Abstract

中赤外範囲で水の吸収によって、適切なマイクロ流体デバイスの欠如によって、生きている生物試料の赤外線 (IR) 分光顕微鏡は妨げられます。ここでは、プラスチック製マイクロ流体デバイス作製のためのプロトコルは、示されて柔らかい線描画法は観測 chamber(s) に関連して透明なフッ化カルシウム (CaF₂) ビュー ポートを埋め込むため。メソッドは、ポリジメチルシロキサン (PDMS) 金型は平版の標準の手順で生成されるプラスチック製のデバイスを生成するテンプレートとして使用し、レプリカ鋳造アプローチに基づいています。プラスチックの特長は、紫外・可視・赤外 (UV、IR、Vi) - 表示 CaF₂直接観察を可能にするのには、透明な窓と IR 光。提案手法の利点があります: プラスチック製のボディは、設計の柔軟性を介してクリーン ルーム微細加工施設、複数のビュー ポート、外部ポンプ システムに簡単かつ汎用性の高い接続にアクセスする必要性の減少など、オープン/クローズ チャンネル構成、およびナノポーラス膜など高度な機能を追加する可能性。

Introduction

フーリエ変換赤外分光顕微鏡 (FTIR) は、サンプルの詳細な化学物質情報を提供する無料のラベル、非侵襲的イメージング手法として広く利用されています。これにより、試料の吸収スペクトルはその化学組成¹の固有の指紋を運ぶので準備の最小量の試料の化学を勉強する生化学的情報の抽出^,2。 近年、FTIR はますますライブの生体試料、例えば、セル³の研究に応用されています。ただし、ほとんどの場合生きている細胞用培地である水は、中赤外領域で強力な吸光度を示しています。薄層としてもその存在は完全に標本の重要な構造情報を圧倒できます。

長年にわたって共通のアプローチは修正またはスペクトルの水吸収信号を完全に除外するサンプルを乾燥します。ただし、このアプローチはできません生きている細胞をリアルタイムに測定するための化学組成と時間細胞プロセスの変化を研究する必要が。ライブの生体試料から信頼性の吸収スペクトルを取得する 1 つの方法は、未満 10 μ m⁴赤外線ビームの中で光パスの長さを制限することです。

リビングで確立されたアプローチ細胞実験はこれまで、全反射の減衰 (ATR) をされている-FTIR イメージングは、独立した水溶液の厚い層で維持されるべき細胞をできるように、試料の厚さ測定が可能します。しかし、小さなエバネッ セント波の侵入深さは ATR 結晶⁵の表面からわずか最初の数ミクロンにサンプルの測定を制限します。

また、水吸収制限は各種のマイクロ流体システムを 2 つの大きなグループに一般に分類されるの出現と回避されています: (流体の表面の 1 つがさらされている雰囲気に) チャネルのオープンし、クローズチャネル (場所 2 つの IR 透明窓で区切らスペーサー定義された厚さ)。

Loutherbackらは、長い用語連続 IR 測定可能最大 7 日⁶の生きているセルのオープン チャネル膜デバイスを開発しました。メソッドには、細胞表面から中の蒸発を防ぐために環境の高湿度が必要です。システムは、当然のことながら皮膚、肺、目、または微生物バイオ フィルム⁷の上皮組織などの気液界面の成長細胞に最適です。

閉じたチャネル構成は、水溶液中での細胞の保管場所、2 つの並列 IR 透明ウィンドウ間の均一で薄いレイヤーを作成を目指しています。この空洞の厚さは、水吸収信号が飽和ようです。正しいサンプル スペクトルを取得する水の背景を減算してすることができます。閉じたチャネル メソッドのほとんどは、脱着液室^3,8,9を形成する 2 つのウィンドウを分離するプラスチック製スペーサーを利用します。この方法の利点は、微細加工には不要ただし、チャンネルで- とアウト-let の測定チャンバーよりも複雑な構造は薄いスペーサーで実現するために非常に困難です。機械的クランプへの依存のための IR 測定間のパス長の再現性のある問題もあります。スペーサー^9,10を定義する IR 基板上にフォトレジストをパターンに実装された光リソグラフィのメソッドより信頼性の高い周波数獲得への間隔のより正確な制御を達成するために^,11,12します。 メソッドがすべての基板上のパターンを生成する微細加工施設へのアクセスを必要とするにもかかわらず、これにより、スペーサーで定義される複雑な構造。

製造コストを削減することを目的と微細加工施設にアクセスする要件、IR 互換マイクロ流体デバイスの作製を提案する.メソッド紹介 (図 1参照) を使用してソフト ・ リソグラフィーと呼ばれる確立されたプロセス。この場合、2 つの金型が必要です。主な金型は、標準的な UV リソグラフィ プロセスを使用して 4 インチ シリコンウェーハから作られます。二次型はプライマリ シリコンモールドのパターンの逆極性があり、次回デバイス作製用マスター型として機能する PDMS 製のレプリカであります。

デバイスに 2 つの層がある: (提示の場合とで構成されるマイクロ流路で聞かせて/アウト ・ レット、CaF₂ビューポートと観測室) マイクロ レイアウトを持つ最初の層および平らな表面 (2 番目の層成っている CaF₂ビューポートのみ)。

ここでデバイスの主なプラスチック製のボディを形成する UV 硬化型光学接着剤、ノーランド光学接着剤 73 (NOA73、今後 NOA と略す) が使用されます。この光学接着剤を使用していくつかの利点がある: 低コスト、外部システム、良い光の透過性、低粘度、および最も重要なは、生体適合性¹³への接続の容易さ。CaF₂は性生体適合性に優れた IR 透明¹⁴ビューポートとしては適切な選択です。

この新しいアプローチでは、微細加工施設へのアクセスは、主な金型の作製のみ厳密に必須です。プラスチック製マイクロ流体デバイスの後の製造プロセスは、UV 光源を装備、研究室で実施ことができます。

Protocol

1。 シリコン主な金型の準備

注: フォトマスクとは、主な金型の準備のため必要。フォトマスクは、どちらかは独立したプロバイダーから購入または社内標準の光学マスク作製手順を作製できます。この場合は ( 図 2 、) 明るいフィールド極性のフォトマスクを使用します

。

1. パターン定義
   1. スピン コート 30 の 2,300 rpm SU 8 3010 ネガ型フォトレジストによる 4 インチ si ウエハ s.
   2. ソフト焼ホット プレート 2 分の 65 ° c そして 8 分の 95 ° C 上のフォトレジスト
   3. UV ライトにフォトレジストを公開 (i 線、365 nm) 100-120 mJ/cm ² の総エネルギー投与量のマスクア下フォトマスクを通してより良い分解能を達成するためにハード コンタクト モードお勧め
   。
   4. ウェハを削除し露光後ベーク 1 分の 65 ° c そして 2 分の 95 ° C を適用
   5. SU 8 開発者を使用して、常温でフォトレジストを開発し、イソプロピル アルコールですすぎし、優しく窒素ブロー; 測定パターンの厚さは 10 μ m をする必要があります以下。実際のシリコン型の画像を 図 2 b を参照してください
   。
2. シリコンモールドのシリル化
   1. 30 の 60 W で酸素プラズマを用いたシリコン金型を扱う 20 sccm では酸素流量の s。中に 1-10 mbar に燃焼圧力を設定します
   。
   2. シランの 50 μ L で真空瓶に金型を置き、少なくとも 2 h. の真空状態 (1-10 mbar) 瓶のまま
      注: シリル化プロセスは、疎水性表面被覆 PDMS の金型 ¹⁵ に付着を防止するを作成します。注、シリコンのドライ エッチングでは、別の方法を使用してプライマリの金型を製造するもことができます。この場合、反対の極性 (暗視野)、フォトマスクになります、1.1 の手順でパターン定義はポジ型フォトレジストを使用します
   。

2。PDMS 二次金型の準備

1. PDMS 混合
   1. PDMS エラストマーと 10:1 硬化剤混ぜる; 合計金額は結果 PDMS 膜厚が約 1 〜 1.5 mm になるようです
   。
   2. 徹底的な混合後約 15 分 (1-10 mbar) の真空の状態で真空瓶にそれを残すことによって混合物をドガまたは目に見える気泡がなくなるまでこの混合物内で中の空気を削除することです
   。
2. モールド複製
   1. ステップ 1 で作製したシリコン型の PDMS の混合物を注ぎ、ドガのステップ 2.1.2 のように同じ設定で中の空気を削除する混合物。混合物を治すためホット プレート上の 2 h の 70 ° C で熱
   。
   2. は、ホット プレートから硬化 PDMS を削除し、室温まで冷ます。かみそりの刃でカット シリコン金型のエッジに沿って PDMS
   。
   3. この二次型の結果のマイクロ パターンは前突の主な金型 (反対の極性であるピンセットのペア、カット PDMS の一角をピンチし慎重にシリコン型を PDMS レプリカの皮をむく; 図 2c).
3. (ステップ 1.2 と同じ) PDMS レプリカのシリル化
   1. 30 の 60 W で酸素プラズマによる PDMS 金型を扱う 20 sccm では酸素流量の s。中に 1-10 mbar に燃焼圧力を設定します
   。
   2. 場所真空金型シランの 50 μ L で jar し、少なくとも 2 h. の真空状態 (1-10 mbar) の jar ファイルを残す

3。PDMS テンプレートの準備

注: 形状と最終的なデバイスのサイズを標準化し、2 つの半分の主な機能の配置を容易にするために、2 つの独立した PDMS テンプレート使用されたデバイスのジオメトリを定義します。透明な窓との- とアウト-let 接続の配置。最初の PDMS テンプレート補助デバイス、デバイスのフラットの半分の作製を容易にするため 2 番目の助けのパターンの半分の作製

。

1. は、コンピューター支援設計 (CAD) ソフトウェアを使用してテンプレートをデザインします。 図 3 表示レイアウトとデバイスのパターンの半分を製造するために使用されるテンプレートの寸法。デバイスのフラットの半分を作製、デザインから 1.5 mm の直径の穴を削除します
。
2. 内部機械研修会、外部プロバイダーからテンプレートを取得は、使用可能な場合します
   。 注: テンプレート作製の容易さのために材料および低コスト任意の標準的なワーク ショップで達成可能なは、アクリルを使いました。3 D プリントなどの選択肢があります
。
3. ミックスは、PDMS エラストマーと硬化剤 10:1; テンプレートが完全水没する PDMS の十分な量を準備してください
。
4. 徹底的な混合後約 15 分または (どちらかは後で) 目に見える気泡がなくなるまで真空状態 (1-10 mbar) の真空瓶にそれを残すことによって混合物をドガ; これは混合物内の閉じ込められた空気を抜くためです
。
5. は、最表面が液体の表面下約 1 mm に水没までアクリル テンプレートに PDMS の混合物を注ぐ。3.4 のように同じ設定で中の空気を削除するもう一度 PDMS をドガします。これを 60 ° C 2 時間混合物を治すため平準化されたホット プレート上で加熱します
。
6. は、ホット プレートから硬化 PDMS を削除し、室温まで冷ます。かみそりの刃、カット アクリル テンプレートの端に沿って PDMS
。
7. ピンセットのペア、カット PDMS の一角をピンチ アクリル テンプレートを PDMS の慎重に皮をむくと
   。 注: 図 3 b はレイアウトとデバイスのパターンの半分で作製する PDMS レプリカの寸法を示しています
。
8. 2 番目の PDMS レプリカ フラットを製造するため、デバイスの半分によって準備手順 3.3 3.7 に、1.5 mm の直径の穴なしアクリル テンプレートを使用しています
。

4。マイクロ流体デバイス作製

20 sccm では酸素流量の

30 の 60 W で
1. (すなわち デバイスのレイアウトで) デバイスのパターンの半分の作製
   1. 御馳走酸素プラズマを用いた CaF ₂ ウィンドウ s。これは、次の製作中にノアの流れを改善することです
      。 注: この手順は必須ではありません
   。 ( 図 4 、)
   2. 場所慎重に最初 PDMS のテンプレート (1.5 mm 径柱 1 つ) 平らな面、例えば ソーダ石灰板。プラグ ( 図 4 b) の良好な接触にあるようなウィンドウがカチッし、PDMS プラグの上に中心とした CaF ₂ ウィンドウを配置します
   。
   3. は、ステップ 2 で、( 図 4 の中央の部屋の位置に揃え、金型の裏面に (この場合は、水晶板、500 μ m 厚い、1.5 cm × 1.5 cm サイズ) で薄い UV 透明プレートを置き、PDMS 金型を取るc). 水晶板は、PDMS 金型との良好な接触を確認してください
      。 注: The 水晶板は、金型の不要な領域が CaF ₂ ウィンドウに簡単に接触するを防ぎます
   。
   4. ゆっくり CaF ₂ 窓に向かって CaF ₂ ウィンドウの中央に配置されます流体室を持つこの PDMS 金型面を下を配置します。すべての要素 (テンプレート、金型とウィンドウ) を良好な接触は、( 図 4 c 4 d) を揃えを確認してください
   。
   5. は徐々 に PDMS テンプレートのようにノアの滴を塗布し、ゆっくりと空洞を満たしてくれ。樹脂は、ウィンドウの端に接触、いったん毛細血管の流れがギャップを埋め薄い (~ 10 μ m) PDMS カビや CaF ₂] ウィンドウ ( 図 4 e 4f).
   6. 空洞が完全にいっぱい後は、UV ライト (例えば、紫外線 LED の露出システムは、 図 4 g) への露出によってノアを治すです
      。 注: 露光時間がそれに応じて異なる場合があります紫外光源のエネルギー。24 mW/cm ² の出力密度を提供する UV LED 露光システムが必要です約 90 100% の電力で連続的な露出モード s.
   7. は、PDMS 金型の後ろから薄い水晶板を慎重に取り外し、PDMS 金型ノア層 ( 図 4 h) の上からそっとはがしています。最後に、( 図 4 私) PDMS テンプレートからノアのレイヤーを削除します
      。 注: 硬化ノアに最終的なデバイス レイアウト パターンの同じ極性でだろうプライマリ シリコンモールド
   。
2. デバイス (すなわち デバイスのレイアウトなし) のフラットの半分の作製
   1. 30 の 60 W で酸素プラズマを用いた CaF ₂] ウィンドウを扱う酸素流量の 20 sccm を使用 s
      。 注: この手順は必須ではありません
   。
   2. は平らな面、例えば ソーダ石灰板 (1.5 mm 径柱のない 1 つ) 2 番目の PDMS テンプレートを慎重に配置します。プラグとの良好な接触にあるようなウィンドウがカチッし、PDMS プラグの上に中心とした CaF ₂ ウィンドウを配置します
   。
   3. は、PDMS テンプレートの中央に揃えて配置されます PDMS シートで CaF ₂ ウィンドウの上に 5 cm × 3.5 cm サイズで 1 mm 厚 PDMS シートを配置します。PDMS シートは、ウィンドウとの良好な接触を確認してください
   。
   4. 徐々 に PDMS テンプレートのようにノアの滴を塗布し、ゆっくりと空洞を満たしてくれ
   。
   5. 空洞が完全にいっぱい後は、UV ライト (例えば、UV LED 露光装置と) への露出によってノアを治すです
      。 注: 露光時間は、それに応じて異なる場合があります UV エネルギー源とします。UV LED 露光システム 24 mW/cm ² の出力密度を提供する約 50 この必要になります 100% の電力で連続的な露出モード s.
   6. 皮ノア レイヤーの一番上から PDMS シートをオフ、PDMS テンプレートから硬化ノア層を注意深く取り外します
   。
3. デバイスの 2 つの半分の接合
   1. 両方 CaF ₂ ウィンドウ配置されているようにデバイスの 2 つの半分を合わせます。優しく指押しノア レイヤーの角を両方の半分 2 つの半分の位置を固定するようです
   。
   2. 、8 mm 径パンチャー ( 図 5 、) を使用して 1 mm 厚い PDMS シートの 2 つの円形ディスクをカットします
   。
   3. は、1 mm 厚の PDMS シートからデバイス (4 cm x 2.5 cm) の同じサイズの 2 つの矩形をカットしました。両方の PDMS の四角形に切り取られた開口部で-聞かせて/アウト-let デバイスのチャネルに対応する
      。 注: PDMS 長方形にカット済みの開口部は、チャンネルを押して中に転倒防止します
   。 下から次の
   4. スタック順: プリカット開口を有する 1 つの PDMS 長方形、(下のウィンドウ、4.3.2 の手順でカット)、接触の 1 つの PDMS ディスク (ウィンドウの上部に座っている)、2 番目の PDMS ディスク デバイスの 2 つの指-押された半分、最後にカット済みの開口部 ( 図 5 b) と 2 番目の PDMS 四角形
   。
   5. 2 プレートに挟まれて、真空プレス セットアップにこのアセンブリを配置し、( 図 5 c) ポリ袋を密封します。真空ポンプをオンにし、アセンブリを避難させます。真空ポンプの基本圧力に到達または少なくとも 10 分のための真空を適用させて
      注: 達成基本圧力真空ポンプとビニール袋のシールの品質に依存します
   。
   6. アセンブリをアセンブリから最終的なデバイスを削除する前に大気圧をゆっくりと発散させ真空ポンプから 270 W 15 分ターンで広帯域 Hg ガス ランプで紫外線に避難したアセンブリを公開します
   。

Results

図 6は、デバイス、および完全なデバイス パターンの半分ブランドの新しい CaF₂ウィンドウの透過率スペクトルを示します。すべての三つのスペクトルは、半ば ir 透過率 80% を超える優れた透明性を展示します。フル ・ デバイス (図の黄色曲線) のスペクトルの目に見える干渉パターンは、2 つのウィンドウ間 9-10 μ m の範囲内の空隙が原因です。これらのスペクトルを示すここで紹介した作製方法には CaF₂中間赤外域での透過性は変わりません。

図 7マイクロ レイアウトと PDMS 二次型のノアの良いレプリケーションの例を示します。CaF₂ウィンドウ上部構造は部分的に UV 硬化後に PDMS 金型からノア層のきれいな剥離のためよ...

Discussion

主回路から分離センター、2 つの小さい長方形部屋 (5.5 mm × 0.75 mm サイズ) で大きい長方形室 (5 × 2.5 mm サイズ) をマイクロ パターンの単純なレイアウトを用いて評価、製造プロトコルを最適化するために、上部と下部の側面と 300 μ m 幅で-聞かせて/アウト-let チャンネル。中央の部屋はシーディングに使用され、前文書¹³で説明したように、FTIR の中に空気のバック グラウンドを測定する 2 つの分けられたより小さい部屋が使用されて、細胞の観察実験参照室として。せでとアウトさせて中央の部屋を外部流体システムに接続します。

ここでは、テンプレート ツール (プロトコル手順 3 参照) は、製造プロセスを容易にするため紹介しています。以前は、デバイスの 2 つの半分の位置を揃えるときに問題を引き起こされる最終的なデバイスの中心に正確に一貫して CaF₂ windows は難しかった。テンプレートの使用はウィンドウを配置するための視覚的なガイドを提供し、場所が似ている常にことを保証...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Chemical
Trichloro(1H,1H,2H,2H-perfluorooctyl)シラン97%	Sigma Aldrich	448931-10G
Sylgard 184シリコーンエラストマーキット	ダウコーニング		ポリジメチルシロキサンまたは要するに、PDMS
ノーランド光学接着剤73	ノーランドプロダクツ株式会社	7304
SU8 3010 フォトレジスト	MicroChem	Y311060
SU8 開発者	MicroChem	Y020100
Material
シリコン ウェーハ、4 インチ、プライム グレード	Bonda Technology Pte Ltd
CaF2 IR グレード ウィンドウ	Crystran 、英国	CAFP10-1	直径 10 mm、1 mm厚さ
アクリルテンプレート			カスタムメイド
Equipment
UV-KUB 2(UV LED露光システム)	KLOE		発光スペクトル365nm± 5nm
ニューポートUVランプ	ポート	モデル66902	50-500ワットHgアークランプ
CEEスピンコーター	ブリューワー科学	モデル200x
MJB4 マスクアライナー	SUSS MicroTec
精密デジタルホットプレート	Harry Gestigkeit GmbH	2860SR
プラズマ表面技術	Diener Electronic GmbH + Co. KG		O2 プラズマ治療用
IDP-3 ドライスクロール真空ポンプ	Agilent Technologies		極限圧力 3.3 x 10-1 mbar
ブルカー IFS 66v/s FTIR 分光計	ブルカー