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Artigo de método

Procedimento litográfico macio para a produção de dispositivos microfluídicos plástico com vista-portas transparentes à luz visível e infravermelho

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DOI:

10.3791/55884

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17 de agosto de 2017

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

Neste artigo

Resumo

É descrito um protocolo para a fabricação de dispositivos microfluídicos plástico com vista-portas transparentes para a imagem latente de luz visível e infravermelho.

Resumo

Infravermelho (IR) spectro-microscopia de amostras biológicas vivas é dificultada pela absorção de água na faixa de meados-IR e pela falta de dispositivos microfluídicos apropriado. Aqui, um protocolo para a fabricação de dispositivos microfluídicos plástico é demonstrado, onde técnicas litográficas suaves são usadas para incorporar transparente vista-portas de fluoreto de cálcio (CaF2) no contexto da observação chamber(s). O método baseia-se numa abordagem de fundição de réplica, onde um molde do polydimethylsiloxane (PDMS) é produzido através de procedimentos padrão litográficas e então usado como modelo para produzir um dispositivo de plástico. O dispositivo de plástico apresenta ultravioleta/visível/infravermelho (IR/UV/Vis) - janelas transparentes feitos de CaF2 para permitir a observação direta com visível e luz infra-vermelha. As vantagens do método proposto incluem: uma necessidade reduzida para acessar uma unidade de microfabricação de sala limpa, várias portas-exibição, uma conexão fácil e versátil para um sistema de bombeamento externo através do corpo de plástico, flexibilidade do design, , por exemplo, , aberto/fechado de configuração de canais e a possibilidade de adicionar recursos sofisticados tais como membranas nanoporous.

Introdução

Spectro-microscopia de Fourier Transform infravermelho (FTIR) tem sido extensivamente utilizada como uma técnica de imagem livre de rótulo e não-invasiva para fornecer informações detalhadas de químicas de uma amostra. Isto permite a extração de informações bioquímicas para estudar a química das amostras biológicas, com um mínimo de preparação, desde que o espectro de absorção da amostra carrega as impressões digitais intrínsecas de sua composição química1 , 2. recentemente, FTIR foi cada vez mais aplicado ao estudo de amostras biológicas vivas, por exemplo, células3. No entanto, água, que é o meio para as células vivas na maioria dos casos, mostra uma forte absorção na região de meados-IR. Mesmo sendo uma camada fina, sua presença completamente pode sobrecarregar a informação estrutural importante dos espécimes.

Por muitos anos, a abordagem comum foi fixação ou amostras para excluir completamente o sinal de absorção de água no espectro de secagem. No entanto, essa abordagem não permite medições em tempo real em células vivas, que é essencial para estudar a mudança de sua composição química e processos celulares com o tempo. Uma maneira para obter confiança espectros de absorção de amostras biológicas vivas, é limitar o comprimento do percurso óptico total no meio do raio IR para menos de 10 µm4.

Uma abordagem bem estabelecida em viver experiências pilha tem sido até agora, a reflexão Total atenuada (ATR)-imagem de FTIR, que permite medições independentes da espessura da amostra, permitindo que as células sejam mantidos em uma camada mais espessa de meio aquoso. No entanto, a pequena profundidade de penetração da onda evanescente restringe as medições de amostras para somente os primeiros alguns mícrons da superfície do cristal ATR5.

Como alternativa, a limitação de absorção de água foi contornada com o surgimento de vários sistemas microfluídicos, que geralmente são classificados em dois grandes grupos: abrir o canal (onde uma das superfícies da fluido é exposta à atmosfera) e fechado canal (onde duas janelas transparentes-IR são separadas por um espaçador com espessura definida).

Loutherback et al desenvolveram um dispositivo de abrir canais de membrana que permite que a longo prazo IR medições contínuas de células vivas por até 7 dias6. O método requer alta umidade no ambiente para evitar a evaporação do meio de superfície celular. O sistema funciona melhor com as células que crescem naturalmente nas interfaces ar-líquido, tais como tecidos epiteliais da pele, pulmão e os olhos ou biofilmes microbianos7.

Uma configuração de canal fechado visa criar uma camada fina, uniforme entre duas janelas transparente para IR paralelas, onde as células são mantidas em seus meios aquosos. A espessura desta cavidade é tal que o sinal de absorção de água é abaixo de saturação. Fundo de água pode então ser subtraído para obter os espectros de amostra correta. A maioria dos métodos de canal fechado utiliza um espaçador plástico separando as duas janelas para formar uma câmara líquido desmontáveis3,8,9. Uma vantagem deste método é que não exige microfabrication; no entanto, estruturas mais complexas do que uma câmara de medição com canais de na e out let são extremamente difíceis de perceber no espaçador fino. Há também um problema com a reprodutibilidade do comprimento do caminho entre as medições de IR devido a sua dependência de fixação mecânica. Para alcançar um controle mais preciso do afastamento para a aquisição de espectro mais confiável, foram implementados métodos litografia óptica para fotorresiste padrão no topo do substrato IR para definir o espaçador9,10 , 11 , 12. mesmo que isto torna possível para estruturas mais complexas ser definido no espaçador, o método requer acesso a uma instalação microfabrication para produzir o padrão em cada substrato.

Neste trabalho, apresentamos uma técnica simples de fabricação de um dispositivo de microfluidic IR-compatível, com o objectivo de reduzir o custo da fabricação e a exigência de acessar uma instalação microfabrication. O método apresentado aqui (ver Figura 1) utiliza um processo estabelecido, conhecido como litografia macia. Dois moldes são necessários neste caso. O molde primário é feito de uma bolacha de silicone de 4 polegadas, usando um processo padrão de litografia de UV. O molde secundário é sua réplica feita de PDMS, que tem uma polaridade invertida do padrão no molde silicone primária e serve como o mestre molde para fabricação de dispositivo subsequentes.

O dispositivo tem duas camadas distintas: uma primeira camada com o layout microfluidic (que no caso apresentado consiste no canal microfluídicos, na-/ fora deixa- e uma câmara de observação com uma CaF2 viewport) e uma segunda camada com uma superfície plana ( que consiste em apenas uma CaF2 viewport).

Aqui, um adesivo de óptica UV-curable, Norland óptico adesivo 73 (NOA73, abreviado como NOA daqui em diante), é usado para formar o corpo de plástico principal do dispositivo. Existem várias vantagens de usar este adesivo óptico: fabricação de baixo custo, facilidade de conectividade com sistemas externos, boa transparência óptica, baixa viscosidade e mais importante, biocompatibilidade13. CaF2 é uma escolha apropriada como a viewport devido à sua biocompatibilidade e excelente transparência IR14.

Com esta nova abordagem, acesso a uma instalação microfabrication é estritamente exigido somente para a fabricação do molde principal. Processos de fabricação subsequentes para o dispositivo de plástico microfluidic podem efectuar-se em qualquer laboratório equipado com uma fonte de iluminação UV.

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Protocolo

1. preparação do molde primário de silício

Nota: uma Fotomáscara é necessária para a preparação do molde principal. A Fotomáscara pode ser comprada de fornecedores independentes ou fabricada internamente através de procedimentos de fabricação padrão óptico máscara. Uma Fotomáscara com polaridade de campo claro é utilizada neste caso ( Figura 2 a).

  1. Definição de padrão de
    1. Spin revestir uma bolacha de silicone de 4 polegadas com SU-8 3010 fotorresiste negativo a 2.300 rpm por 30 s.
    2. Soft-Asse o fotorresiste num prato quente a 65 ° C por 2 min e em seguida a 95 ° C, durante 8 min.
    3. Expor o fotorresiste à luz UV (i-linha, 365 nm) através da Fotomáscara sob o alinhador de máscara para uma dose de energia total de 100-120 mJ/cm 2; o modo difícil de contato é o preferido para alcançar uma resolução melhor.
    4. Remova a bolacha e aplique uma exposição de post asse a 65 ° C por 1 min e em seguida a 95 ° C, por 2 min.
    5. Desenvolver o fotorresiste usando um desenvolvedor SU-8 à temperatura ambiente, em seguida, enxaguar com álcool isopropílico e soprar suavemente seco com azoto; a espessura medida padrão deve ser 10 µm e abaixo. Ver Figura 2 b para a foto do molde de silicone real.
  2. Silanização de molde de silicone
    1. tratar o molde de silicone com plasma de oxigênio a 60 W por 30 s 20 SCCM de fluxo de oxigênio. Ajustar a pressão de câmara de 1-10 mbar durante o processo.
    2. Colocar o molde em um frasco de vácuo com 50 µ l de silano e deixar o frasco no estado de vácuo (1-10 mbar) pelo menos 2 h.
      Nota: O processo de silanização cria um revestimento hidrofóbico de superfície que impede a degola ao molde 15 de PDMS. Observe que o molde primário também pode ser fabricado utilizando um método alternativo, que envolve a gravura seca do silício. Neste caso, a Fotomáscara será de polaridade oposta (campo escuro), e a definição de padrão na etapa 1.1 usará um positivo fotorresiste.

2. Preparação do molde secundário de PDMS

  1. mistura de PDMS
    1. misturar o elastômero PDMS e agente de cura, 10:1; o montante total é tal que a espessura PDMS resultante é aproximadamente de 1 a 1,5 mm.
    2. Após a mistura completa, desgaseificar a mistura deixando-o em um frasco de vácuo no estado de vácuo (1-10 mbar) por aproximadamente 15 min ou até que não há nenhuma bolha visível; isto é remover todo o ar aprisionado dentro da mistura.
  2. Replicação de molde
    1. despeje a mistura PDMS sobre o molde de silicone fabricado na etapa 1 e desgaseificar a mistura para remover qualquer ar aprisionado com as mesmas configurações como na etapa 2.1.2. Calor a 70 ° C durante 2 h em uma chapa quente para curar a mistura.
    2. Remover o PDMS curado da placa quente e deixe esfriar até a temperatura de quarto. Com uma lâmina de barbear, cortar o PDMS ao longo das bordas do molde de silicone.
    3. Com um par de pinças, beliscar um canto do corte PDMS e Retire cuidadosamente a réplica PDMS fora o molde de silicone; o padrão resultante de microfluidic sobre este molde secundário é uma saliência, que é a polaridade oposta do (molde primário Figura 2 c).
  3. silanização da réplica de PDMS (mesmo como na etapa 1.2)
    1. tratar o molde PDMS com plasma de oxigênio a 60 W por 30 s 20 SCCM de fluxo de oxigênio. Ajustar a pressão de câmara de 1-10 mbar durante o processo.
    2. Lugar o molde em um vácuo do frasco com 50 µ l de silano e deixar o frasco no estado de vácuo (1-10 mbar) pelo menos 2 h.

3. Elaboração de modelos de PDMS

Nota: para padronizar a forma eo tamanho dos dispositivos finais e para facilitar o alinhamento das principais características nas duas metades, foram utilizados dois modelos separados de PDMS, que definem a geometria do dispositivo, a colocação da janela transparente e as conexões em e out let. O primeiro modelo de PDMS auxilia a fabricação da metade do aparelho, enquanto a segunda ajuda a aliviar a fabricação da parte plana do dispositivo modelada.

  1. Desenha os modelos usando um software de desenho (CAD) auxiliado por computador. Figura 3 um mostra o lay-out e dimensões do modelo usado para fabricar a metade estampada do dispositivo. Para fabricar a parte plana do dispositivo, remova os furos de 1,5 mm de diâmetro do design.
  2. Adquirir os modelos de um provedor externo ou através de uma oficina mecânica interna, se disponível.
    Nota: O acrílico foi usado como o modelo de material devido à facilidade de fabricação e baixo custo viável em qualquer oficina padrão. Existem opções alternativas, como a impressão 3D.
  3. Misturar o elastômero PDMS e agente de cura 10:1; não se esqueça de preparar uma quantidade suficiente de PDMS para submergir inteiramente os modelos.
  4. Após a mistura completa, desgaseificar a mistura deixando-o em um frasco de vácuo no estado de vácuo (1-10 mbar) por aproximadamente 15 min ou até que não há nenhuma bolha visível (se esta for posterior); isto é remover todo o ar aprisionado dentro da mistura.
  5. Despeje a mistura PDMS em modelos de acrílico, até que sua superfície mais alto está submersa cerca de 1 mm abaixo da superfície líquida. Desgaseifica o PDMS novamente para remover qualquer ar aprisionado com as mesmas configurações como em 3.4. Isto aquecer a 60 ° C, durante 2 h em uma chapa quente nivelada para curar a mistura.
  6. Remover o PDMS curado da placa quente e deixe esfriar até a temperatura de quarto. Com uma lâmina de barbear, cortar o PDMS ao longo das bordas dos modelos de acrílico.
  7. Com um par de pinças, beliscar um canto do corte PDMS e Retire cuidadosamente o PDMS fora os modelos de acrílico.
    Nota: Figura 3 b mostra o lay-out e dimensões da réplica PDMS usado para fabricar a metade estampada do dispositivo.
  8. Prepare a segunda réplica PDMS para fabricar o apartamento metade do dispositivo, repetindo os passos de 3.3 a 3.7 mas usando o modelo de acrílico sem os furos de diâmetro de 1,5 mm.

4. Fabricação de dispositivos microfluídicos

s
  1. fabricação da metade estampada do dispositivo (ou seja, com layout de dispositivo)
    1. tratar da CaF 2 janela com plasma de oxigênio a 60 W para 30 20 SCCM de fluxo de oxigênio. Isso é feito para melhorar o fluxo de NOA durante a fabricação seguir.
      Nota: Este passo não é obrigatório.
    2. Lugar cuidadosamente o primeiro PDMS modelo (um com os pilares de diâmetro 1.5 mm) em uma superfície plana, por exemplo, uma cal sodada placa ( Figura 4 a). Colocar uma janela de 2 CaF centralizada em cima do plug PDMS e pressione suavemente a janela que está no bom contato com o plugue ( Figura 4 b).
    3. Tirar o molde PDMS feito na etapa 2 e colocar uma placa fina de UV transparente (no caso, uma placa de quartzo, 500 µm de espessura e 1,5 x 1,5 cm em tamanho) na parte traseira do molde, alinhado com a localização da câmara central ( Figura 4 c). Verifique se a placa de quartzo está em bom contato com o molde PDMS.
      Nota: Thplaca de quartzo e impede que a área não desejada do molde facilmente entrando em contato com a CaF 2 janela.
    4. Coloque suavemente esta cara de molde PDMS para baixo em direção a CaF 2 janela com câmara de fluídico, alinhada ao centro da janela 2 CaF. Certifique-se de que todos os elementos (modelo, molde e janela) estão em bom contato e alinhados ( Figura 4 c-4 d).
    5. , Gradualmente, dispense gotas de NOA em-let do modelo PDMS e deixá-lo lentamente preencher a cavidade. Uma vez que a resina entra em contato com a borda da janela, o fluxo capilar encherá a abertura de fina (~ 10 µm) entre o molde PDMS e CaF 2 janela ( Figura 4 e-4f).
    6. Após a cavidade é preenchida completamente, curar a NOA pela exposição à luz UV (por exemplo, com um sistema de exposição UV-LED, Figura 4 g).
      Nota: O tempo de exposição pode variar de acordo com a energia da fonte de UV. O sistema de exposição UV-LED, que proporciona uma densidade de potência de 24 mW/cm 2, requer cerca de 90 s 100% de energia e modo de exposição contínua.
    7. Com cuidado, retire a placa de quartzo fino na parte de trás do molde de PDMS e então, descasque delicadamente o molde PDMS da parte superior da camada de NOA ( Figura 4 h). Finalmente, retire a camada NOA do modelo ( Figura 4 eu) PDMS.
      Nota: O layout resultante de dispositivo sobre a NOA curado, teria a mesma polaridade do padrão no molde silicone primária.
  2. Fabricação da parte plana do dispositivo (ou seja, sem layout do dispositivo)
    1. tratar a CaF 2 janela com plasma de oxigênio a 60 W por 30 s 20 SCCM de fluxo de oxigênio.
      Nota: Este passo não é obrigatório.
    2. Coloque cuidadosamente o segundo modelo PDMS (um sem os pilares de diâmetro 1.5 mm) sobre uma superfície plana, por exemplo, um prato de cal sodada. Colocar uma janela de 2 CaF centralizada em cima do plug PDMS e pressione suavemente a janela que seja em bom contato com o plugue.
    3. Coloque uma folha PDMS espessura de 1 mm com tamanho de 5 cm x 3,5 cm no topo da janela 2 CaF, com a folha PDMS alinhada com o centro do modelo de PDMS. Certifique-se de que a folha PDMS é em bom contato com a janela.
    4. Gradualmente dispensar gotas de NOA em-let do modelo PDMS e deixá-lo lentamente preencher a cavidade.
    5. Após a cavidade é preenchida completamente, curar a NOA pela exposição à luz UV (por exemplo, com um sistema de exposição UV-LED).
      Nota: O tempo de exposição pode variar de acordo com a fonte de energia UV. Com o sistema de exposição UV-LED, que proporciona uma densidade de potência de 24 mW/cm 2, isso requer cerca de 50 s 100% de energia e modo de exposição contínua.
    6. Casca folha de PDMS da parte superior da camada de NOA e cuidadosamente retire a camada NOA curada do modelo PDMS.
  3. De ligação das duas metades do dispositivo
    1. alinhar as duas metades do dispositivo tal que ambas as janelas de 2 CaF estão alinhadas. Delicadamente dedo pressione ambas as metades no canto das camadas NOA tal que a posição das duas metades são fixadas.
    2. Cortar dois discos circulares fora de uma folha 1 mm espessura PDMS usando um 8mm diâmetro perfurador ( Figura 5 a).
    3. Corte dois retângulos com o mesmo tamanho do aparelho (4 x 2,5 cm) de uma folha PDMS espessura de 1 mm. Em ambos os retângulos PDMS, cortar aberturas correspondentes para os canais e o em-deixe/out-let do dispositivo.
      Nota: As aberturas pre-cortadas os retângulos PDMS destinam-se a impedir que os canais em colapso durante a prensagem.
    4. Pilha na seguinte ordem de baixo: um retângulo PDMS com aberturas pré-cortada, um disco PDMS (em contato com a janela de baixo, cortar na etapa 4.3.2), as duas metades de dedo prensado do dispositivo, o segundo disco PDMS (sentado no topo da janela) e por último o segundo retângulo PDMS com orifícios pré-cortados ( Figura 5 b).
    5. Colocar este conjunto na configuração da imprensa vácuo tal que ele é imprensado entre 2 placas e feche o saco de plástico ( Figura 5 c). Ligue a bomba de vácuo e evacuar a assembleia. Deixe a bomba de vácuo chegar sua pressão de base ou aplicar o vácuo durante pelo menos 10 min.
      Nota: A pressão base alcançada depende da bomba de vácuo utilizado e qualidade do fecho do saco plástico.
    6. Expor o assembly evacuado para UV com uma lâmpada de gás do Hg de banda larga em 270 W durante 15 min. vez desligar a bomba de vácuo e deixar o assembly exalar lentamente à pressão atmosférica antes de remover o dispositivo final da Assembleia.

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Resultados

A Figura 6 apresenta os espectros de transmitância de uma nova marca CaF2 janela, a metade estampada do dispositivo e o aparelho completo. Todos os três espectros apresentam excelente transparência para meados IR com maior que 80% de transmitância. O padrão de interferência visível no espectro do dispositivo completo (curva amarelo na figura) é causado pelo entreferro na faixa de 9-10 µm entre as duas janelas. Estes espectros demonstram que a abord...

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Discussão

A fim de avaliar e otimizar o protocolo de fabricação, utilizamos um layout simples para o padrão microfluidic com uma câmara retangular grande (tamanho 5 x 2,5 mm) no centro, duas pequenas câmaras retangulares (tamanho 5,5 x 0,75 mm) separado do circuito principal sobre o os lados superiores e inferiores e 300 µm largamente em-deixe/out-let canais. A câmara central é usada para a propagação e observação das células, enquanto as duas câmaras menores separadas são usadas para medir o fundo do ar durante FTIR dos experimen...

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Divulgações

Os autores não têm nada para divulgar.

Agradecimentos

Os autores reconhecem com gratidão apoio financeiro MBI.

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Materiais

Lista de materiais utilizados neste artigo
NomeEmpresaNúmero de catálogoComentários
Químico
Tricloro (1H, 1H, 2H, 2H-perfluorooctil) silano 97%Sigma Aldrich448931-10G
Sylgard 184 Kit de Elastômero de SiliconeDow CorningPolidimetilsiloxano ou, em suma, Adesivo Óptico PDMS
Norland 73Norland Products Inc.7304
SU8 3010 fotorresistenteMicroChemY311060
SU8 desenvolvedorMicroChemY020100
Material
Silicon wafer, 4 polegadas, grau nobreBonda Technology Pte Ltd
CaF2 IR-grade windowsCrystran, UKCAFP10-110 mm de diâmetro, 1 mm espessura
ModelosCustom made
Equipment
UV-KUB 2 (sistema de exposição UV LED)KLOEEspectro de emissão 365nm ± 5nm
Newport lâmpada UVNewportModelo 6690250-500 Watt Hg lâmpada de arco
CEE Spin coaterBrewer ScienceModel 200x
Alinhador de máscara MJB4SUSS MicroTec
Precision placa quente digitalHarry Gestigkeit GmbH2860SR
Tecnologia de Superfície de PlasmaDiener Electronic GmbH + Co. KGPara tratamento de plasma O2
IDP-3 Bomba de vácuo de rolagem secaAgilent Technologiespressão final 3,3 x 10-1 mbar
Espectrômetro Bruker IFS 66v/s FTIR Bruker
de acrílico

Referências

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