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
2017年8月17日
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。
この微細加工プロトコルの目標は、フーリエ変換赤外マイクロ分光法と互換性のあるプラスチックマイクロ流体デバイスを、シンプルで費用対効果の高い方法で製造することです。これらの方法は、細胞生化学の広範な理解に役立ちます。これにより、生細胞の生化学的マップを取得できるラベルフリーで損傷のないイメージング技術である赤外顕微分光法へのアクセスが簡素化されます。
この技術の主な利点は、微細加工施設にアクセスする必要性を減らし、最終デバイスの主要コンポーネントとしてプラスチックを使用することです。その手順を実演するのは、当研究室の研究助手であるMona Suryanaさんです。この手順を開始するには、テキスト プロトコルで説明されているように、シリコン プライマリ モールドを準備します。
次に、PDMSエラストマーと硬化剤を10対1の割合で混合します。混合される総量は、得られるPDMSの厚さが約1〜1.5ミリメートルになるようなものである。十分に混合した後、混合物を真空ジャーに移します。
圧力が1〜10ミリバールになるまで下げます。15分間、または目に見える気泡がなくなるまで待って混合物を脱気します。脱気したPDMSを準備したシリコンモールドに流し込みます。
金型を真空ジャーに移し、圧力を15分間下げて、混合物をもう一度脱気します。次に、金型をホットプレートまたはオーブンに移します。金型を70°Cで2時間加熱して硬化させます。
硬化したPDMSを火から下ろし、室温まで冷まします。かみそりの刃を使用して、シリコンモールドの端に沿ってPDMSを切断します。ピンセットを使用して、1つの角をつまみ、PDMSレプリカをシリコンモールドから慎重に剥がします。
次に、PDMSの型をプラズマクリーナーに移します。チャンバー圧力を1〜10ミリバールに設定し、PDMSモールドを60ワットの酸素プラズマで30秒間、20SCCMの酸素流で処理します。この後、型を真空瓶に入れ、約50マイクロリットルのシランを追加します。
瓶を真空状態に2時間放置します。まず、テキストプロトコルに概説されているようにアクリルテンプレートを設計または取得し、この手順の冒頭に示されているようにPDMSエラストマーと硬化剤を準備します。脱気したPDMS混合物をアクリルテンプレートに注ぎ、最上面が液体表面から約1mm下に沈むまで
注ぎます。次に、水中に沈めたテンプレートを真空ジャーに移します。以前と同じプロセスを使用してPDMSを脱気します。次に、水中に沈めたテンプレートをホットプレートまたはオーブンに移します。
60°Cで2時間加熱し、硬化させます。硬化したPDMSを熱源から取り出し、室温まで冷まします。カミソリの刃を使用して、アクリルテンプレートの端に沿ってPDMSをカットします。
次に、ピンセットを使用して1つの角をつまみ、PDMSを慎重に剥がします。この後、テキスト プロトコルで説明されているように、2 番目の PDMS レプリカを準備します。デバイスのパターン化された半分の作製を開始するには、フッ化カルシウム窓を酸素プラズマで処理し、60ワットで30秒間、20SCCMの酸素流で処理します。
最初の PDMS テンプレート (小さな柱があるテンプレート) を平らな面に慎重に配置します。次に、処理したフッ化カルシウムウィンドウをテンプレートの中央に配置します。ウィンドウがPDMSに完全に接触するように、軽く押します。
次に、PDMSモールドの裏側にUV透明プレートを中央チャンバーの位置に合わせて配置します。軽く押して、PDMSに完全に接触していることを確認します。流体パターンを下にして、流体チャンバーをウィンドウの中央に揃えて、金型をPDMSテンプレートに置きます。
次に、PDMSテンプレートの入口でNOAの滴を徐々に分注します。NOAがゆっくりとキャビティを満たすのを待ちます。キャビティが完全に充填されたら、金型をUV光にさらしてNOAを硬化させます。
UV透明プレートを金型から慎重に取り外します。NOA層の上部からPDMSモールドをそっと剥がします。この後、NOAレイヤーを削除します。
デバイスの平らな半分の製造を開始するには、フッ化カルシウムウィンドウを60ワットの酸素プラズマで30秒間処理し、20SCCMの酸素流を使用します。2 つ目の PDMS テンプレート (小さな柱がないテンプレート) を平らな面に慎重に配置します。処理したフッ化カルシウムウィンドウをテンプレートの中央に配置します。
ウィンドウがPDMSに完全に接触するように、軽く押します。次に、厚さ1mm、5cm×3.5cmのPDMSシートを入手します。このシートをフッ化カルシウムウィンドウの上に、テンプレートの中央に合わせて置きます。
シートが窓に完全に接触するように、軽く押します。PDMSテンプレートの入口でNOAの滴を徐々に分注します。NOAがゆっくりとキャビティを満たすのを待ちます。
キャビティが完全に充填されたら、金型をUV光にさらしてNOAを硬化させます。PDMSレイヤーをはがします。次に、硬化したNOA層をPDMSテンプレートから慎重に除去します。
デバイスの半分をもう片方の上に置き、フッ化カルシウムの窓を揃えます。NOAレイヤーの角をそっと押して、2つの半分の位置を固定します。次に、テキストプロトコルで概説されているように、PDMSディスクと長方形を取得します。
PDMSディスクをデバイスの対応する開口部に挿入します。次に、各辺に事前にカットされた開口部を持つ PDMS 長方形を配置します。アセンブリ全体をバキュームプレスに移し、2つのプレートの間に挟みます。
次に、ビニール袋を密封します。真空ポンプをオンにしてアセンブリを排気し、少なくとも10分間運転できるようにします。270ワットの広帯域水銀蒸気ランプを使用して、排気されたアセンブリをUV光に15分間さらします。
この後、真空ポンプをオフにし、アセンブリをゆっくりと大気圧までベントしてから、アセンブリから最終的なデバイスを取り外します。この手順では、可視光および赤外光に対して透明なビューポートを備えたプラスチック製のマイクロ流体デバイスを作製します。次に、透過率スペクトルを取得して、新品のフッ化カルシウムウィンドウ、製造されたデバイスの半分、および完全なデバイスを比較します。
ご覧のとおり、3つすべてが中赤外まで80%を超える透過率を示しており、この範囲での透明度が高いことを示しています。デバイス全体のスペクトルは、2つのウィンドウ間のエアギャップによって引き起こされる干渉パターンを示していますが、これらのスペクトルは、製造プロセスが中赤外範囲までのフッ化カルシウムウィンドウの透明度を変更しないことを示しています。このテクニックを習得すると、適切に実行され、必要なテンプレートと金型が準備されていれば、1時間で完了できます。
このビデオを見れば、PDMSによるレプリカ成形によるフーリエ変換赤外分光法に対応したプラスチックマイクロ流体デバイスの作り方や、UV硬化性樹脂による毛細管現象の充填方法についてご理解いただけたと思います。シランや紫外線を扱う作業は非常に危険であることを忘れないでください、そしてこの手順を実行する間は常に手順ベースのリスク評価を行い、適切な人的保護具を着用してください。
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概要
本記事では、フーリエ変換赤外分光マイクロスペクトロスコピー（FT-IR microspectroscopy）に対応したプラスチック製マイクロ流体デバイスの作製プロトコルについて説明します。この手法は、細胞生化学の研究における赤外線イメージング技術へのアクセスを簡素化することを目的としています。
研究の主要構成要素
科学分野
- 微細加工
- 生化学
- イメージング技術
背景
- マイクロ流体デバイスは、さまざまな生化学的アプリケーションに不可欠です。
- 赤外分光マイクロスコピーは、ラベルフリーのイメージング技術です。
- この技術を用いることで、生細胞の生化学的マップを取得することが可能です。
- プラスチックを使用することで、専用の微細加工施設の必要性を低減できます。
研究目的
- マイクロ流体デバイスを低コストで製作する方法を提供すること。
- 細胞生化学への理解を深めること。
- 赤外分光マイクロスコピーへの簡便なアプローチを実証すること。
使用方法
- シリコンプライマリモールドの作製。
- プラスチックマイクロ流体デバイスの作製。
- フーリエ変換赤外分光マイクロスコピーの実施。
- リサーチアシスタントによる実演。
主要な結果
- 赤外線イメージングに対応したデバイスの作製に成功した。
- 高度なイメージング技術へのアクセスの容易さを実証した。
- デバイス作製におけるプラスチック使用の利点を明らかにした。
- 研究において広く採用可能なプロトコルを提供した。
結論
- 本プロトコルは、研究者に実用的な解決策を提供します。
- これにより、サンプルを損傷させることなく、生細胞の生化学的研究が可能になります。
- 本手法は、生物学的研究における赤外線マイクロスペクトロスコピーの応用範囲を広げることができます。
よくある質問
産業界における重要性
CaF2ビューポートを備えた高透過性マイクロ流体デバイスを実現することで、生細胞IR分光顕微鏡法における重大なボトルネックが解消され、非破壊的な生化学マッピングが可能になります。この作製プロトコルにより、クリーンルーム設備への依存度が低減し、初期の探索およびアッセイ開発のワークフローが加速されます。本手法は、細胞生化学研究における予測の信頼性を高め、R&Dポートフォリオ全体におけるプラットフォームのアクセシビリティを拡大します。
バイオ医薬品研究開発における戦略的応用
初期発見およびターゲットバリデーション
- IR光および可視光を用いて、生細胞の直接的な生化学的解析を可能にします。
- ラベルフリーで非破壊的なイメージングをサポートし、メカニズムのデリスキングを実現します。
- 高忠実度のスペクトルデータ取得により、ターゲットバリデーションを向上させます。
スクリーニングおよびアッセイ開発
- 再現性のある光学特性を備えたマイクロ流体プラットフォームの作製をサポートします。
- 化合物や条件のスクリーニングにおける標準化された定量的な読み取りを可能にします。
- オープンチャネルまたはクローズドチャネル構成の柔軟なデバイス設計が可能です。
トランスレーショナル・前臨床研究
- 堅牢な生化学的マッピングを通じて、発見から前臨床検証までの連続性を提供します。
- 生細胞のスペクトル解析を可能にすることで、トランスレーショナルなバイオマーカー戦略と整合させます。
- 解析中のサンプルの完全性を維持することで、アーティファクトデータの発生リスクを低減します。
パイプラインおよびワークフローの統合
本手法は、初期段階の探索からアッセイ開発までを統合し、生細胞解析に向けて高い透明度を持つIR対応のマイクロ流体デバイスを必要とするワークフローをサポートします。
- 探索生物学： 生細胞IR分光顕微鏡を用いて、仮説検証とパスウェイの解明を推進します。
- スクリーニング： 比較分析のために、再現性のある定量的なスペクトル出力を提供します。
- 分析： 生化学的変化を正確に測定するための、高透過率ウィンドウを提供します。
- トランスレーショナルリサーチ： 非破壊的なバイオマーカー評価を可能にすることで、探索段階と前臨床段階を橋渡しします。
- エンタープライズ再利用： 多様なR&Dアプリケーションに対応する、拡張可能で適応性の高いプラットフォームを提供します。
運用および企業への影響
- 科学的価値：生細胞研究における予測の信頼性を高め、メカニズム的な曖昧さを低減します。
- 運用上の価値：デバイス作製を効率化し、クリーンルームへの依存度とターンアラウンドタイムを最小限に抑えます。
- 戦略的価値：迅速かつ高品質なデータ取得を可能にし、効率的なゴー/ノーゴー判断を支援します。
- ポートフォリオへの影響：堅牢で再現性のある生化学的知見を通じて、リスク調整後の優先順位付けを強化します。
実施上の検討事項
- ソフトリソグラフィおよびマイクロ流体アセンブリの専門知識が必要です。
- PDMS成形、プラズマ洗浄、およびUV硬化設備へのアクセスが必要です。
- デバイス設計および作製プロトコルのチーム間での標準化が求められます。
- さまざまなチャネル構成や高度な機能の統合に適応可能です。
- 手順に記載されている通り、シランおよびUV光を取り扱う際は安全プロトコルの遵守が不可欠です。
バイオファーマに関するよくある質問
Chapters in this video
0:05
Title
0:51
Preparation of Polydimethylsiloxane Secondary Mold
9:35
Conclusion
8:44
Results: Transparency of the Completed Plastic Microfluidic Device
2:59
Preparation of PDMS Templates
4:17
Fabrication of the Patterned Half of the Microfluidic Device
6:00
Fabrication of the Flat Half of the Microfluidic Device
7:28
Bonding the Two Halves to Fabricate the Microfluidic Device
