Summary
विलायक संबंध उच्च गुणवत्ता वाले बांड के साथ थर्माप्लास्टिक microfluidic उपकरणों fabricating के लिए एक सरल और बहुमुखी विधि है। हम जानते हैं कि microfeature विवरण के संरक्षण, दबाव, तापमान, एक उपयुक्त विलायक, और डिवाइस ज्यामिति के एक विवेकपूर्ण संयोजन से PMMA में मजबूत, ऑप्टिकली स्पष्ट बांड और पुलिस microfluidic उपकरणों को प्राप्त करने के लिए एक प्रोटोकॉल का वर्णन है।
Abstract
थर्माप्लास्टिक microfluidic उपकरणों सिलिकॉन elastomers से बने उन पर कई लाभ प्रदान करते हैं, लेकिन संबंध प्रक्रियाओं ब्याज की प्रत्येक थर्माप्लास्टिक के लिए विकसित किया जाना चाहिए। विलायक संबंध एक सरल और बहुमुखी तरीका है कि प्लास्टिक की एक किस्म से उपकरणों के निर्माण के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है। एक उपयुक्त विलायक दो डिवाइस परतों के बीच कहा बंधुआ हो, और गर्मी और दबाव के संबंध की सुविधा के लिए डिवाइस के लिए लागू कर रहे है। विलायक, प्लास्टिक, गर्मी, और दबाव का एक उचित संयोजन का उपयोग करके, इस उपकरण में एक उच्च गुणवत्ता वाले बांड के साथ सील किया जा सकता, उच्च बंधन कवरेज, बंधन शक्ति, ऑप्टिकल स्पष्टता, समय के साथ सहनशीलता, और कम विरूपण या नुकसान microfeature करने के लिए होने के रूप में होती ज्यामिति। हम संबंध है, जिसके परिणामस्वरूप बांड की गुणवत्ता को चिह्नित करने के दो लोकप्रिय thermoplastics, पाली (मिथाइल methacrylate) (PMMA), और cyclo-Olefin बहुलक (पुलिस), साथ ही तरीकों की एक किस्म से बने उपकरणों, और रणनीतियों के लिए प्रक्रिया का वर्णन Trou करने के लिएकम गुणवत्ता बांड bleshoot। इन विधियों अन्य प्लास्टिक विलायक सिस्टम के लिए नई विलायक संबंध प्रोटोकॉल विकसित करने के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है।
Introduction
4 - Microfluidics एक तकनीक अच्छी तरह से microscale 1 रसायन विज्ञान और भौतिक विज्ञान के अध्ययन के लिए अनुकूल है, और बढ़ती वादा काफी जीव विज्ञान अनुसंधान 2 में योगदान करने के साथ के रूप में पिछले बीस वर्षों में उभरा है। Microfluidic उपकरणों के बहुमत के ऐतिहासिक पाली (dimethylsiloxane) से बनाया गया है (PDMS), एक सिलिकॉन elastomer प्रयोग करने में आसान, सस्ती है, और उच्च गुणवत्ता सुविधा प्रतिकृति 5 प्रदान करता है। हालांकि, PDMS अच्छी तरह से प्रलेखित किया गया है कमियों और 6.7 प्रक्रियाओं उच्च मात्रा निर्माण के साथ असंगत है, और इस तरह के रूप में, वहाँ बड़े पैमाने पर विनिर्माण और इस तरह व्यावसायीकरण के लिए अपनी क्षमता की वजह से, थर्माप्लास्टिक सामग्री से microfluidic उपकरणों fabricating की ओर एक प्रवृत्ति बढ़ रही किया गया है।
प्लास्टिक microfabrication के व्यापक गोद लेने के लिए प्रमुख बाधाओं में से एक प्लास्टिक उपकरणों के लिए आसान है, उच्च गुणवत्ता के संबंध को प्राप्त किया गया है। वर्तमान रणनीतियों टी रोजगारhermal, चिपकने वाला, और विलायक संबंध तकनीक है, लेकिन कई महत्वपूर्ण चुनौतियों से ग्रस्त हैं। थर्मल संबंध autofluorescence 8 बढ़ जाती है और अक्सर microchannel geometries 9 विकृत - 11, जबकि चिपकने वाला तकनीक स्टेंसिल, सावधान संरेखण की आवश्यकता होती है, और अंततः microchannel 10 से अवगत कराया चिपकने की मोटाई छोड़ दें। 14 - विलायक संबंध अपनी सादगी, tunability, और कम लागत 10,12 के कारण आकर्षक है। विशेष रूप से, अपने tunability प्लास्टिक की एक किस्म है, जो संगत, उच्च गुणवत्ता के संबंध कि microfeatures 14 के विरूपण को कम करता उपज कर सकते हैं के लिए अनुकूलन सक्षम बनाता है।
विलायक संबंध के दौरान, विलायक जोखिम प्लास्टिक, जो संबंध इंटरफेस के पार चेन की अंतर-प्रसार में सक्षम बनाता है की सतह के पास बहुलक श्रृंखला की गतिशीलता बढ़ जाती है। इस diffusing चेन के यांत्रिक इंटरलाकिंग के माध्यम से उलझाव का कारण बनता है, और एपी में यह परिणामhysical बांड 10। थर्मल संबंध में एक समान तरीके से काम करता है, लेकिन अकेले ऊंचा तापमान पर निर्भर करता श्रृंखला गतिशीलता बढ़ाने के लिए। इस प्रकार, थर्मल तरीकों तापमान के पास या बहुलक का गिलास संक्रमण से ऊपर की आवश्यकता होती है, जबकि सॉल्वैंट्स का उपयोग काफी तापमान के संबंधों के लिए की जरूरत को कम कर सकते हैं, और इस तरह अवांछित विरूपण को कम।
हम दोनों PMMA और पुलिस उपकरणों संबंधों के लिए एक विशिष्ट प्रोटोकॉल प्रदान करते हैं। हालांकि, इस प्रोटोकॉल और विधि थर्माप्लास्टिक microfluidic उपकरणों की विलायक संबंध है कि अन्य प्लास्टिक सामग्री, सॉल्वैंट्स, और उपलब्ध उपकरणों के लिए सिलवाया जा सकता है के लिए एक सरल, सामान्य दृष्टिकोण का वर्णन है। हम बांड की गुणवत्ता का आकलन करने के लिए कई विधियों का वर्णन (जैसे, बंधन कवरेज, बंधन शक्ति, बंधन स्थायित्व, और microfeature geometries के विकार), और इन आम चुनौतियों का सामना करने के लिए समस्या निवारण दृष्टिकोण प्रदान करते हैं।
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Protocol
ध्यान दें कि नीचे वर्णित सभी चरणों के लिए विकसित किया गया है और एक गैर cleanroom वातावरण में प्रदर्शन किया। विलायक संबंध कदम निश्चित रूप से यदि उपलब्ध हो तो, एक cleanroom में किया जा सकता है, लेकिन यह जरूरी नहीं है।
1. थर्माप्लास्टिक Microfluidic डिवाइस परतों की तैयारी
- डिजाइन और पसंद के थर्माप्लास्टिक से microfluidic युक्ति परतों बनाना, एक उपयुक्त निर्माण विधि का उपयोग कर (जैसे, micromilling 15, 16 embossing - 18, इंजेक्शन मोल्डिंग)।
- नेत्रहीन डिवाइस परतों का निरीक्षण सुनिश्चित करने के लिए कि किनारों "साफ" कर रहे हैं (यानी, कोई burrs या निर्माण की प्रक्रिया से बचे हुए माल की लकीरें)। सर्वोत्तम परिणामों के लिए, एक ऑप्टिकल माइक्रोस्कोप के तहत डिवाइस के बाहर के किनारों के अलावा सभी मशीनीकृत सूक्ष्म सुविधा किनारों की जाँच करें।
- बचे हुए माल दृश्य निरीक्षण के दौरान पाया जाता है, तो एक रेजर ब्लेड का उपयोग करें, या छुरी ध्यान से किसी भी चटाई दूर करने के लिएerial कि एक के खिलाफ फ्लैट झूठ बोल दूसरे से डिवाइस परतों को रोकता है तो यह है कि परतों के इंटरफेस conformal संपर्क में आते हैं।
- स्वच्छ डिवाइस प्रयोगशाला साबुन और पानी और संपीड़ित हवा के साथ सूखे के साथ सतहों। 2 मिनट के लिए 2-propanol में डिवाइस परतों डूब और संपीड़ित हवा के साथ सूखी।
2. विलायक संबंध
- (PMMA के लिए) गर्म प्रेस या hotplate (पुलिस के लिए) तैयार करें।
- PMMA (एक्रिलिक डाली, ~ 100-110 डिग्री सेल्सियस के कांच संक्रमण तापमान) 18 पहले से गरम प्रेस करने के लिए 70 डिग्री सेल्सियस, और के लिए तापमान को स्थिर करने की अनुमति देते हैं।
- पुलिस (102 डिग्री सेल्सियस के कांच संक्रमण तापमान, निर्माता से) के लिए, 25 डिग्री सेल्सियस के लिए पहले से गरम hotplate, और तापमान को स्थिर करने की अनुमति देते हैं।
- संबंध प्रक्रिया के लिए विलायक तैयार करें।
- PMMA के लिए, संबंध क्षेत्र के वर्ग इंच प्रति इथेनॉल के 0.5 मिलीलीटर उपाय।
- पुलिस के लिए, 2-propanol और cyclohexane, बुद्धि का एक मिश्रण तैयार 65:35संबंधों में क्षेत्र के वर्ग इंच प्रति मिश्रण के 0.5 मिलीलीटर की हा कुल मात्रा।
नोट: पुलिस के लिए, कांच pipettes और कंटेनरों का उपयोग के रूप में cyclohexane आम polypropylene Labware भंग होगा। , सभी मिश्रण और एक धूआं हुड में संबंध प्रदर्शन के रूप में cyclohexane विषैला होता है।
- साफ प्लास्टिक परतों के बीच संबंध क्षेत्र के वर्ग इंच प्रति विलायक के 0.1 मिलीलीटर बांटना और परतों को एक साथ लाने के लिए। नेत्रहीन संबंध इंटरफेस में हवा के बुलबुले, जो आम हैं, और जितना संभव हो उतना हटाया जाना चाहिए के लिए निरीक्षण किया।
नोट: यह जल्दी से काम एक बार विलायक तिरस्कृत कर दिया गया है, के रूप में अस्थिर सॉल्वैंट्स लुप्त हो जाना शुरू हो जाएगा (और इसलिए, विलायक मिश्रण संरचना में बदल जाएगा) के लिए फायदेमंद है।- बुलबुले मौजूद हैं, तो संबंध इंटरफेस के साथ दो प्लास्टिक की परतों स्लाइड इतना है कि वे लगभग अलावा आने (लेकिन संपर्क में रहते हैं), और फिर उन्हें वापस एक साथ स्लाइड।
- संरेखण पिन के साथ डिवाइस की परतों पंक्ति,एक कस्टम जिग, या बस हाथ से (अधिक जानकारी के लिए चर्चा अनुभाग देखें)।
- संरेखण पिन का उपयोग करते हैं, तो पिन के लिए छेद संरेखित, और डिवाइस ढेर में पिन डालने।
- एक कस्टम जिग का उपयोग करते हैं, जिग में डिवाइस ढेर डालने और डिवाइस के आसपास कस लें।
- हाथ से संरेखित, तो डिवाइस के बाहरी किनारों के लिए पंक्ति में उंगलियों का उपयोग करें।
- विलायक के साथ डिवाइस (PMMA के लिए) या पूर्व गर्म hotplate (पुलिस के लिए) पर पूर्व गर्म प्रेस में रखें।
- PMMA के लिए, 2 मिनट के लिए दबाव की 2,300 किलो पास्कल लागू होते हैं।
- पुलिस के लिए, दबाव के 350 किलो पास्कल लागू होते हैं। 5 डिग्री सेल्सियस / मिनट की दर से 70 डिग्री सेल्सियस से 25 डिग्री सेल्सियस से तापमान में वृद्धि। एक अतिरिक्त 15 मिनट के लिए 70 डिग्री सेल्सियस (9 मिनट के बाद), बंधन तक पहुँचने के बाद।
- चिमटी का प्रयोग सुरक्षित रूप से निरीक्षण के लिए गर्म डिवाइस हटा दें। संबंध अब पूरा हो गया है।
- (Microchannels या अन्य featur में डिवाइस में किसी भी शेष तरल निकालेंते)।
- PMMA के लिए, संपीड़ित हवा के साथ किसी भी शेष तरल हटा दें। पुलिस के लिए 24 घंटे के लिए 45 डिग्री सेल्सियस पर hotplate और सेंकना पर बंधुआ डिवाइस जगह किसी भी शेष cyclohexane हटा दें।
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Representative Results
सामान्य विलायक संबंध प्रक्रिया का एक योजनाबद्ध चित्र 1 में दिखाया गया है। बंधन गुणवत्ता का आकलन करने के लिए सबसे आसान तरीका नेत्रहीन, बांड कवरेज का निरीक्षण करने के बाद से गरीब बंधन कवरेज unbonded प्लास्टिक के क्षेत्रों के रूप में आसानी से दिखाई देता है, और कमजोर संबंध का संकेत है। ऐसे क्षेत्रों में आम तौर पर निकट मुक्त किनारों (जैसे, डिवाइस की परिधि, या खुले बंदरगाहों या microchannels के पास) कर रहे हैं, और यह भी अक्सर संबंध इंटरफेस में गंदगी या धूल के कणों किसी भी चारों ओर दिखाई दे सकता है। कमजोर संबंधों के कारण गरीब बंधन कवरेज आम तौर पर, इससे पहले कि इष्टतम विलायक रचना और संबंधों की स्थिति पाया गया है प्रोटोकॉल के विकास के चरण के दौरान देखा जाता है, और उदाहरण चित्रा 2A में दिखाया जाता है। (I) एक और अधिक आक्रामक विलायक (यानी, एक उच्च एकाग्रता समाधान है, या एक अलग विलायक), (ii) एक उच्च संबंध तापमान, और (iii) एक उच्च संबंध पीआर: आमतौर पर, कमजोर संबंध से एक या अधिक के लिए एक की जरूरत का सुझावessure।
इसके विपरीत, पीढ़ी आक्रामक संबंध की स्थिति उच्च बंधन शक्ति के साथ उत्कृष्ट बंधन कवरेज को जन्म दे सकता है, लेकिन के रूप में चित्रा 2 बी में दिखाया भी क्षतिग्रस्त या सील microfeatures। यह हालांकि उच्च तापमान (प्लास्टिक के गिलास संक्रमण तापमान के करीब पहुंच) ने भी महत्वपूर्ण विरूपण पैदा कर सकता है, विलायक भी आक्रामक होने की वजह से सबसे अधिक बार है।
एक उच्च गुणवत्ता, अच्छी तरह से बंधुआ डिवाइस के रूप में चित्रा -2 में दिखाया गया है, दोनों अच्छी बांड कवरेज और microfeatures के कम से कम विरूपण है। विलायक और पसंद के तापमान पर निर्भर करता है, यह डिवाइस से मुक्त किनारों के पास अच्छी बांड कवरेज प्राप्त करने के लिए मुश्किल हो सकता है अगर विलायक बहुत अस्थिर है और इस तरह जल्दी से evaporates। इन स्थितियों में, डिवाइस के डिजाइन करने के लिए छोटे microgrooves जोड़ने ब्याज के किनारों के साथ मदद कर सकते हैं विलायक वाष्पीकरण को कम करने और इस प्रकारके रूप में चित्रा 2 डी में दिखाया गया है, बंधन कवरेज में सुधार होगा। हम आम तौर पर, 500 x 500 माइक्रोन के पार के अनुभागीय आयामों के साथ खांचे का उपयोग किनारे से 300 माइक्रोन रखा। 14
बांड कवरेज के सामान्य दृश्य निरीक्षण करने के अलावा, दोनों विनाशकारी और गैर विनाशकारी परीक्षण आगे बंधन गुणवत्ता और microfeature नुकसान की जांच करने के लिए इस्तेमाल किया जाना चाहिए। दो विनाशकारी परीक्षण है कि प्रोटोकॉल के विकास के चरण के दौरान उपयोगी होते हैं (i) पार सेक्शनिंग और कर रहे हैं (द्वितीय) के अलावा बंधुआ उपकरणों wedging, microfeature ज्यामिति और बंधन शक्ति क्रमश: आकलन करने के लिए। हम अपने उपकरणों अनुभाग के लिए micromilling का उपयोग कर पसंद करते हैं, के रूप में हम इस सुविधा, सटीकता, और अपेक्षाकृत साफ सतहों का एक अच्छा संयोजन प्रदान करता है खोजने के लिए। एक मिलिंग मशीन के अभाव में अन्य तरीकों का इस्तेमाल किया जा सकता है, हालांकि वे विभिन्न चुनौतियों को पेश करेंगे। उदाहरण एक हीरा देखा या बैंड देखा (किसी न किसी तरह की सतहों को छोड़ देता है) के साथ काटने में शामिल है, ध्यान से तड़करन बनाए लाइनों के साथ एक डिवाइस (मोटाई के कारण मुश्किल हो सकता है, और कतरनी तनाव डिवाइस delaminate करने के लिए कारण हो सकता है), या बस डिवाइस (समय लेने वाली) का हिस्सा दूर sanding। काटने से किसी न किसी सतह sanding के साथ smoothed जा सकता है।
जो भी विधि का इस्तेमाल किया, उपकरणों ब्याज की microfeatures को सीधा sectioned किया जाना चाहिए, और नेत्रहीन एक ऑप्टिकल माइक्रोस्कोप का उपयोग कर निरीक्षण किया जा सकता है। आकार और microfeature पार वर्गों के आकार का संकेत होगा कि कितना विरूपण संबंध के कारण हुई है। कम आक्रामक सॉल्वैंट्स, और कम तापमान और दबाव, बेहतर, तेज कोनों और सीधे दीवारों को बनाए रखने, जबकि अधिक आक्रामक शर्तों कोनों और दीवारों की गोलाई, साथ ही बहुलक सूजन के कारण पार के अनुभागीय क्षेत्र में कमी का कारण होगा। ठेठ परिणामों की छवियाँ 3 चित्र में दिखाया गया है।
बॉण्ड शक्ति आंशिक द्वारा मापा जा सकता हैLy एक शिम के साथ बंधुआ परतों के अलावा wedging और delamination क्षेत्र के किनारे करने के लिए शिम के किनारे से दूरी मापने। बंधन शक्ति इस दूरी, परतों और शिम की मोटाई, और प्लास्टिक की लोचदार मापांक से गणना की जा सकती है। 14,19 तो विशिष्ट ताकत बंधन मूल्य महत्वपूर्ण नहीं है, परतों wedging अलावा आकलन है कि बांड विशिष्ट बलों और युक्ति से निपटने के प्रयोगों के दौरान मुठभेड़ जाएगा के लिए काफी मजबूत है एक गुणात्मक तरीका प्रदान करता है।
Nondestructive परीक्षण के एक उपकरण की गुणवत्ता की पुष्टि करते हुए इसे अपने इच्छित उद्देश्य के लिए प्रयोग करने योग्य छोड़ने के लिए उपयोगी होते हैं। एक सरल और उपयोगी तरीका, माइक्रोस्कोपी के माध्यम से निरीक्षण microfeature किनारों के पास बांड कवरेज पर मुख्य रूप से ध्यान केंद्रित है, या छोटे संबंध क्षेत्रों पर है। Unbonded क्षेत्रों प्लास्टिक की परतों के बीच पतली हवा खाई के कारण बंधुआ क्षेत्रों की तुलना में थोड़ा गहरा दिखाई देते हैं, और के रूप में चित्रा 4 <में दिखाया गया है/ Strong>, एक खुर्दबीन के साथ सावधान निरीक्षण से ध्यान देने योग्य होना चाहिए। unbonded प्लास्टिक के क्षेत्रों ढूँढना स्थानीय संबंधों की एक दूसरी यात्रा प्रत्यक्ष उपयोग से पहले डिवाइस के महत्वपूर्ण भागों सील करने के लिए कर सकते हैं।
एक आक्रामक विलायक के साथ मजबूत संबंध को प्राप्त करने के लिए एक उपयोगी तकनीक है, लेकिन जब microchannels को होने वाले नुकसान को कम करने, (बजाय विलायक के साथ संबंध सतह बाढ़ का) डिवाइस डिजाइन करने के लिए उपयोग बंदरगाहों के साथ खांचे जोड़ने के लिए, और केवल खांचे को विलायक जोड़ना है। यह बहुत microchannel और तरल विलायक (वाष्प अभी भी microchannel प्रवेश करती है) के बीच संपर्क को कम कर देता है, और के रूप में चित्रा 5 में दिखाया गया फलस्वरूप विरूपण कम कर देता है।
इरादा डिवाइस आवेदन पर निर्भर करता है, लंबी अवधि के स्थायित्व परीक्षण की आवश्यकता हो सकती है। उदाहरण के लिए, हमारे उपकरणों के कई जैविक प्रयोगों के लिए इस्तेमाल कर रहे हैं, और एक सेल इनक्यूबेटर पर्यावरण में निवास कर सकते हैंपर्यावरण (37 डिग्री सेल्सियस, 100% नमी) कई सप्ताह तक के लिए। स्थायित्व के लिए आवश्यक अवधि के लिए आवश्यक परिस्थितियों में परीक्षण उपकरणों को रखने के द्वारा मूल्यांकन किया जा सकता है, और (डिवाइस के delamination) बांड कवरेज में एक दृश्य कमी के लिए बाद में निरीक्षण किया, या बंधन शक्ति उपकरण आसानी के अलावा अंकित करने की अनुमति देता है कि कमजोर हो गई। उदाहरण चित्रा 6 में दिखाया गया है, और उच्च बंधन शक्ति को प्राप्त करने के संबंध प्रक्रिया को संशोधित करने की आवश्यकता का संकेत कर रहे हैं।
चित्रा 1: संबंध प्रक्रिया के योजनाबद्ध। सामान्य विलायक संबंध प्रक्रिया दिखाया गया है। तरल विलायक दो थर्माप्लास्टिक डिवाइस परतों बंधुआ हो के बीच जोड़ा जाता है। परतों को एक साथ लाया जाता है और बुलबुले के संबंध इंटरफेस में तरल से हटा रहे हैं। दबाव और गर्मी आवश्यक अवधि के लिए डिवाइस के लिए लागू कर रहे हैं, और बंधुआ डिवाइस पूरा हो गया है। किसी भी फिर सेmaining तरल खुला बंदरगाहों से हटाया जा सकता है। यह आंकड़ा का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।
चित्रा 2: अलग-अलग बॉन्ड गुणवत्ता के दृश्य उदाहरण। (ए) कई तरल विलायक संबंध दृष्टिकोण के साथ एक आम चुनौती यह है कि तेजी से वाष्पीकरण विलायक उतार-चढ़ाव के कारण गर्म संबंध चरण के दौरान डिवाइस से मुक्त किनारों के पास होता है। इस बार इन किनारों के पास unbonded सामग्री के क्षेत्रों की ओर जाता है, गरीब बंधन कवरेज, टपकाया microfluidic सुविधाओं, और कम समग्र ताकत बंधन में जिसके परिणामस्वरूप। इन क्षेत्रों में रंग का हस्तक्षेप किनारे (पीले तीर) के साथ हल्का पैच के रूप में दिखाई दे रहे हैं। (बी) के विपरीत, पीढ़ी आक्रामक विलायक संबंध पैदावार उत्कृष्ट बंधन कवरेज, लेकिन यह भी महत्वपूर्ण दामा पैदा कर सकता हैजीई microfeatures, जिससे विरूपण या डिवाइस चैनल (पीले तीर) बंद बंद करने के लिए। (सी) एक अनुकूलित विलायक प्लास्टिक प्रणाली अच्छी बांड कवरेज और शक्ति को प्राप्त होता है, और microfeatures को होने वाले नुकसान को कम करता है, जबकि अभी भी ठीक से उन्हें सील। (डी) कुछ मामलों में, विलायक प्रतिधारण जोड़ने डिवाइस किनारों (पीले तीर) के समानांतर खांचे बंधन कवरेज में सुधार और ठीक से microfeatures सील कर सकते हैं। यदि बेहतर बंधन कवरेज की आवश्यकता है खांचे जरूरत हो सकती है, लेकिन यह (microfeatures के परिणामस्वरूप वृद्धि हुई क्षति के कारण) विलायक ताकत बढ़ाने के लिए अवांछनीय है। स्केल सलाखों = 1 मिमी। यह आंकड़ा का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।
चित्रा 3: बंधुआ उपकरणों के पार वर्गों। विलायक संबंध प्रक्रिया CAn microfeatures ख़राब करता है, तो विलायक भी आक्रामक है, या अगर संबंध तापमान या दबाव बहुत अधिक हैं। निरीक्षण बंधुआ उपकरणों के पार वर्गों microfeature विरूपण की घटनाओं का खुलासा करेंगे। प्रत्येक विशिष्ट प्लास्टिक विलायक प्रणाली के लिए इस तरह के निरीक्षण प्रदर्शन वांछित microchannel गुणवत्ता प्राप्त करने के लिए इष्टतम मानकों को स्थापित करने में मदद कर सकते हैं। प्रतिनिधि छवियाँ एक 500 माइक्रोन वर्ग PMMA चैनल के पार वर्गों के साथ उचित (बाएं) और बंधुआ पीढ़ी आक्रामक (दाएं) विलायक मिश्रण के लिए दिखाए जाते हैं। विलायक प्रेरित विकृति की हद के दो संकेतक कोनों और सीधी दीवारों की गोलाई, और सतहों कि विलायक (पीले तीर) के साथ संपर्क में थे पर प्लास्टिक की एक विलायक अमीर परत की मोटाई हैं। स्केल बार = 200 माइक्रोन। यह आंकड़ा का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।
चित्रा 4: माइक्रोस्कोपी के माध्यम से गैर विनाशकारी निरीक्षण। एक ऑप्टिकल माइक्रोस्कोप के साथ विशेष रूप से सावधान निरीक्षण microfeature किनारों के पास unbonded प्लास्टिक के क्षेत्रों की पहचान कर सकते हैं, या छोटे संबंध क्षेत्रों पर। Unbonded क्षेत्रों (लाल तीर) प्लास्टिक की परतों के बीच पतली हवा खाई के कारण बंधुआ क्षेत्रों की तुलना में थोड़ा गहरा दिखाई देते हैं, और रंग का हस्तक्षेप किनारे कभी कभी भी इन क्षेत्रों में दिखाई दे रहे हैं। गरीब संबंधों के क्षेत्रों की पहचान करना, संबंध की एक दूसरी यात्रा के लिए की आवश्यकता का संकेत कर सकते विलायक के साथ स्थानीय स्तर पर मुसीबत स्पॉट के लिए कहा। स्केल बार = 1 मिमी।
चित्रा 5: केवल Grooves के लिए विलायक जोड़कर चैनलों को नुकसान को कम। माइक्रोस्कोप छवि दो खांचे से घिरा हुआ एक PMMA चैनल के एक पार अनुभाग से पता चलता है। विलायक groov करने के लिए जोड़ा जा सकता हैतों दो डिवाइस परतों के बजाय विलायक के साथ संबंध इंटरफेस में बाढ़ से एक साथ दबाया जाता है, जबकि। यह बहुत microchannel के अंदर के साथ विलायक संपर्क को कम करता है, और इस तरह विलायक प्रेरित विरूपण को कम करता है। एक आक्रामक विलायक उच्च बंधन शक्ति और कवरेज सुनिश्चित करने की जरूरत है, लेकिन विलायक और microchannels के बीच संपर्क को कम से कम करने की जरूरत है जब यह दृष्टिकोण से उपयोगी है। यह आंकड़ा का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।
चित्रा 6: स्थायित्व और (प्लाज्मा की मदद से) थर्मल संबंध के लिए तुलना करें। विलायक संबंध (ए) पैदावार प्लाज्मा की मदद से थर्मल संबंध (बी) या थर्मल संबंध (सी) तकनीक की तुलना में बेहतर बंधन गुणवत्ता, और सेल में भी बेहतर स्थायित्वइनक्यूबेटर की स्थिति (37 डिग्री सेल्सियस, 100% आर्द्रता)। दोनों थर्मल तकनीक नियमित रूप से चाय की मदद से थर्मल संबंध नियमित थर्मल संबंध की तुलना में बेहतर होने के साथ महत्वपूर्ण unbonded प्लास्टिक आसपास के microfeatures के "halos" छोड़ दें। ये बांड भी unbonded क्षेत्रों आकार में बढ़ के साथ समय पर नीचा दिखाना। विलायक बंधुआ पुलिस डिवाइस एक मशीन (ए), प्लाज्मा थर्मल बंधुआ डिवाइस delaminated पूरी तरह से (बी) में 48 घंटे से अधिक संबंध में कोई परिवर्तन नहीं दिखाई है। नियमित रूप से थर्मल बंधुआ डिवाइस (सी) के परिवेश की स्थिति में 10 मिनट के भीतर delaminate के लिए शुरू किया, और यह भी इनक्यूबेटर में पूरी तरह से delaminated। स्केल सलाखों = 5 मिमी। यह आंकड़ा का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।
| प्लास्टिक | विलायक | | दबाव (केपीए) | अवधि (मिनट) | टिप्पणियाँ | | ||
| PMMA | 100% इथेनॉल | 70 | 2300 | 2 | सबसे अच्छा विकल्प है, तो एक गर्म प्रेस उपलब्ध है (उच्च दबाव के लिए आवश्यक)। लगातार उत्कृष्ट बंधन कवरेज (विलायक प्रतिधारण खांचे के उपयोग के बिना), microfeatures के कम विरूपण के साथ अर्जित करता है। बहुत कम विलायक आवश्यकता है, और उच्च दबाव के कारण संबंध इंटरफेस में बुलबुले और धूल / गंदगी के लिए बहुत असंवेदनशील है। | ||
| PMMA | 75% एसीटोन / 25% पानी | 40 | 30 | 20 | उपरोक्त विधि से हीन स्थिरता और अब लगता है, लेकिन गर्म प्रेस की आवश्यकता नहीं है (hotplate और मुक्त वजन के साथ किया जा सकता है)। बॉन्ड कवरेज बहुत विलायक प्रतिधारण खांचे के उपयोग के द्वारा सहायता प्राप्त है। | ||
| पुलिस 35% cyclohexane / 65% 2-propanol | 25 -> 70 * | 350 | 15 * | हमने पाया है कि पूर्व हीटिंग hotplate बहुत ज्यादा प्रारंभिक वाष्पीकरण का कारण बनता है, और यह भी प्लास्टिक के दांत की ओर जाता है। इसके बजाय, हम एक कमरे के तापमान hotplate पर डिवाइस जगह और फिर 70 डिग्री सेल्सियस (5 डिग्री सेल्सियस / मिनट की रैंप दर) के तापमान में वृद्धि। तापमान एक अतिरिक्त 15 मिनट के लिए 70 डिग्री सेल्सियस (9 मिनट में), हम बांड पर स्थिर होने के बाद इस तापमान पर। | |||
तालिका 1: विलायक संबंध पैरामीटर। के प्लास्टिक, सॉल्वैंट्स, तापमान, और PMMA और पुलिस विलायक संबंध प्रोटोकॉल के लिए दबाव के संयोजन का सारांश।
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Discussion
संभावित संबंध रणनीतियों की व्यवहार्यता उपलब्ध उपकरणों पर निर्भर करता है। जबकि हॉट प्लेट अपेक्षाकृत आम हैं और मुक्त वजन सस्ते में खरीदा जा सकता है, उच्च दबाव रणनीतियों एक गर्म प्रेस के उपयोग की आवश्यकता होगी। उदाहरण के लिए, हमारे इष्टतम PMMA संबंध नुस्खा इथेनॉल (1 टेबल देखें) के साथ बांड के लिए उच्च दबाव की आवश्यकता है, और आवश्यक दबाव ठेठ डिवाइस आकार मुक्त वजन प्रयोग करने के लिए प्राप्य नहीं है। इस प्रकार, यदि केवल एक hotplate और वजन में उपलब्ध हैं, PMMA बजाय एक अलग विलायक (पानी में 75% एसीटोन) के साथ बंधुआ जा सकता है। इसके अतिरिक्त, सॉल्वैंट्स कि एक धूआं हुड की आवश्यकता भी व्यवहार्यता सीमित कर सकता है, खासकर अगर उच्च दबाव की जरूरत है, का उपयोग इस तरह की रणनीतियों दोनों एक गर्म प्रेस के उपयोग और एक धूआं हुड के अंदर प्रेस फिट करने की जरूरत की आवश्यकता होगी के रूप में। इन कारणों से मदद कर सकते हैं विलायक विकल्प मार्गदर्शन जब नए विलायक प्लास्टिक प्रणाली विकसित करने, कम हानिकारक सॉल्वैंट्स और कम दबाव को दिया वरीयता के साथकि अभी भी उच्च गुणवत्ता के संबंध प्रदान करते हैं।
बाद एक विलायक संबंध विधि एक विशिष्ट प्लास्टिक के लिए अनुकूलित किया गया है, वहाँ डिवाइस किनारों के पास गरीब बंधन कवरेज के साथ शेष चुनौतियों, संबंध प्रक्रिया के दौरान वाष्पीकरण प्रभाव के कारण हो सकता है। के रूप में प्रतिनिधि परिणाम अनुभाग में उल्लेख किया है, एक रणनीति है कि इन मुद्दों को कम कर सकते हैं एक विलायक प्रतिधारण नाली के अलावा है कि ब्याज की किनारों (के समानांतर चलता है यानी, डिवाइस के बाहरी छोर, और किसी भी चैनल या बंदरगाहों कि आम तौर पर दिखा रहे हैं साथ संबंधों में कठिनाई)। इसके अतिरिक्त, दो या अधिक के माध्यम से छेद बंदरगाहों प्रत्येक नाली को जोड़ा जा सकता है (और / या खांचे कनेक्ट किया जा सकता है), ऐसा है कि विलायक एक विंदुक के साथ खांचे में सीधे जोड़ा जा सकता है। (I) विलायक के बजाय संबंध इंटरफेस है, जो बहुत विलायक और microchannels की दीवारों के बीच संपर्क (चित्रा 5) को कम करता बाढ़ के खांचे में जोड़ा जा सकता: यह दो क्षमता का उपयोग करता हैऔर (ii) यदि संबंध में प्रारंभिक प्रयास गरीब बंधन कवरेज के साथ कुछ क्षेत्रों को छोड़ देता है, और अधिक विलायक स्थानीय स्तर पर संबंधों का एक दूसरा दौर है, जो अक्सर microfeatures के आसपास किसी भी शेष महत्वपूर्ण क्षेत्रों जवानों के लिए जोड़ा जा सकता है। ऐसा नहीं है कि खांचे निर्माण समय को जोड़ सकते हैं, और तब से वे डिवाइस पर जगह ले, कुछ उच्च घनत्व डिजाइन करने के लिए उत्तरदायी नहीं हो सकता है ध्यान देने योग्य है।
संबंध रणनीतियों के साथ एक आम चुनौती संबंध के दौरान डिवाइस परतों के संरेखण है। कई रणनीतियों संभव हो रहे हैं, सटीकता की आवश्यकताओं पर निर्भर करता है। यदि संरेखण महत्वपूर्ण है (यानी, अगर सब microfeatures एक परत है, जो एक फ्लैट अंतर्निहित सब्सट्रेट परत को बंधुआ है पर हैं) नहीं है, तो हाथ से मैनुअल संरेखण के लिए पर्याप्त है। अधिक की मांग संरेखण आवश्यकताओं के लिए, हाथ संरेखण अभी भी पर्याप्त हो सकता है, हालांकि इस व्यक्ति के शोधकर्ता के कौशल पर कुछ हद तक निर्भर करता है। हम नियमित रूप से 100 माइक्रोन के भीतर करने के लिए संरेखण सटीकता प्राप्त कर सकते हैं, और चालाक निर्णयोंडिवाइस में डिजाइन (डिवाइस के microfeatures में tolerances डिजाइन द्वारा यानी यदि संभव हो तो, ऐसी है कि मामूली misalignments डिवाइस के प्रदर्शन को प्रभावित नहीं करते) संरेखण सटीकता के लिए आवश्यकताओं को आराम कर सकते हैं। हाथ संरेखण के साथ मदद करने के लिए एक उपयोगी तकनीक संबंध सतह को कवर करने के लिए जितना संभव हो कम विलायक का उपयोग करने के लिए है। विलायक की अत्यधिक मात्रा के साथ, प्लास्टिक परतों तरल की पतली परत पर "नाव", और उनके संरेखण को बनाए रखने के लिए नहीं है डिवाइस hotplate या गर्म प्रेस को सौंप दिया है जब। इसके विपरीत, विलायक की एक बहुत पतली परत एक साथ "छड़ी" के लिए प्लास्टिक की परतों और संरेखण को बनाए रखने के बाद वे हाथ से समायोजित कर रहे हैं मदद करता है।
अधिक सटीक संरेखण के लिए आवश्यक है, तो संभव रणनीतियों डिवाइस के बाहर पर टेप का उपयोग परत की स्थिति, या कस्टम निर्मित जिग्स सुरक्षित करने के लिए, डिवाइस परतों को एक साथ पकड़ करने के लिए एल के आकार कोने कोष्ठक, संरेखण पिन है कि डिवाइस परतों के माध्यम से जाना भी शामिल है कि टी पकड़ कर सकते हैंवह संबंध चरण के दौरान डिवाइस। इन रणनीतियों में से सभी के लिए, ध्यान दें कि संरेखण हार्डवेयर डिवाइस आम तौर पर इस तरह की है कि दबाव संबंध के दौरान डिवाइस का सामना करने के लिए लागू किया जा सकता की कुल ढेर ऊंचाई की तुलना में कम होना चाहिए।
विलायक के संबंधों के लिए चुनौती आमतौर पर चौड़ाई नहीं है, लेकिन microchannels क्योंकि उथले microchannels एक पीढ़ी आक्रामक विलायक द्वारा या जरूरत से ज्यादा उच्च तापमान और दबाव से ढह जा सकता है की गहराई है। एक दिया गहराई के लिए, व्यापक चैनलों अधिक संकीर्ण चैनलों की तुलना में पतन के लिए अतिसंवेदनशील होते हैं। हालांकि हम चैनलों 50 माइक्रोन से नीचे चौड़ाई में (हमारे सीएनसी मिलिंग मशीन की सीमाओं कि कम से कम endmill व्यास हम उपयोग कर सकते हैं प्रतिबंधित करने के कारण) गढ़े नहीं किया है, हम नियमित चैनलों कि 25 माइक्रोन के आदेश पर दूरी से अलग हो रहे हैं बंधुआ है। गहराई के संदर्भ में, हम भी सफलतापूर्वक बहुत उथले चैनल (~ 15 माइक्रोन) इस पद्धति का उपयोग बंधुआ है।
अंत में, एक तुलनातरल चरण के दूसरे संबंध तकनीकों के लिए विलायक संबंध warranted है। तीन अन्य आम तकनीकों संबंध भाप चरण विलायक संबंध, थर्मल प्रसार संबंध, और प्लाज्मा की मदद से थर्मल प्रसार संबंध रहे हैं। भाप चरण विलायक संबंध शेयरों तरल चरण विलायक संबंध की विशेषताओं के कई है, लेकिन हमारे अनुभव में प्रदर्शन करने के लिए और कम ट्यून करने योग्य है, कम अनुरूप परिणाम के लिए अग्रणी अधिक कठिन है। भाप चरण में विलायक लागू करने के लिए या तो एक निर्वात चैम्बर या एक डिवाइस धारक के साथ एक भाप कक्ष की आवश्यकता है, और हम पाते प्रक्रिया तरल पदार्थ का उपयोग की तुलना में कम चलाया हुआ है। इसके अलावा, भाप चरण तकनीक, शायद ही कभी विलायक मिश्रण के साथ प्रयोग के लिए उत्तरदायी हैं, क्योंकि लगभग सभी मिश्रण गैर azeotropic हैं, और इस तरह गैस चरण के लिए तरल से उनकी संरचना बदल जाएगा, परिवेश के दबाव और तापमान पर निर्भर करता है।
थर्मल प्रसार संबंध डिवाइस परतों कांच संक्रमण तापमान के पास ऊंचा तापमान पर एक साथ दबाने शामिल(टी जी) प्लास्टिक की। उच्च तापमान बहुलक श्रृंखला गतिशीलता बढ़ जाती है, चेन संबंध इंटरफेस के पार interdiffuse और एक बांड फार्म करने की इजाजत दी। 10 क्योंकि हालांकि, पूरे डिवाइस एक ही तापमान को गर्म किया जाता है, चेन गतिशीलता हर जगह बढ़ जाती है, और microfeatures विकृत हो और 9,10 गोल। इस प्रकार, बंधन शक्ति बढ़ रही है (उच्च संबंध तापमान के कारण) microfeatures को नुकसान की प्रत्यक्ष लागत पर आता है। थर्मल संबंध के लिए एक संशोधन के एक पूर्व संबंध ऑक्सीजन प्लाज्मा सतह के उपचार, जो स्थानीय बहुलक 20 का (सतह) टी जी को कम करती है का उपयोग है। यह प्लाज्मा की मदद से थर्मल संबंध इस प्रकार के संबंधों के लिए सक्षम बनाता है कम तापमान पर घटित करने के लिए, आगे थोक टी जी से दूर। इस microfeatures करने के लिए विरूपण की मात्रा को कम जब थर्मल संबंध की तुलना करता है, हमने पाया है कि प्रारंभिक बंधन कवरेज और ताकत अभी भी बहुत कम है जब संबंध विलायक की तुलना में कर रहे हैं, और importantly, बांड बाद के घंटे से अधिक नीचा। जैसा कि चित्र में दिखाया गया है 6, प्लाज्मा की मदद से थर्मल बंधुआ उपकरणों, एक सेल इनक्यूबेटर में 48 घंटे से अधिक बांड कवरेज के महत्वपूर्ण नुकसान दिखाया है, जबकि विलायक बंधुआ उपकरणों में कोई बदलाव नहीं दिखाया।
यहाँ, हम एक सरल, कुशल प्रोटोकॉल है कि तरल आधारित विलायक संबंध पर निर्भर करता है PMMA के लिए गुणवत्ता के बांड और पुलिस microfluidic उपकरणों को प्राप्त करने का वर्णन किया। हमारे परिणाम है कि PMMA और पुलिस के संबंधों के लिए विशेष कदम microfeatures के नगण्य विरूपण, और खांचे और संरेखण हार्डवेयर की है कि उपयोग विलायक संबंध प्रक्रिया के दौरान आम व्यावहारिक मुद्दों को दरकिनार कर सकते हैं के साथ मजबूत और ऑप्टिकली स्पष्ट बांड का नेतृत्व करेंगे प्रदर्शन किया। निर्माण की प्रक्रिया में इस विधि को शामिल PMMA और पुलिस आधारित microfluidic उपकरणों के विकास में तेजी लाने के लिए, और अधिक आसानी से अपने microfluidic युक्ति डिजाइन में thermoplastics को अपनाने के लिए शोधकर्ताओं सक्षम हो जाएगा।
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Disclosures
लेखकों घोषणा की कि वे कोई प्रतिस्पर्धा वित्तीय हितों की है कि।
Acknowledgments
हम प्राकृतिक विज्ञान और कनाडा (NSERC, # 436117-2013) के इंजीनियरिंग रिसर्च काउंसिल, कैंसर रिसर्च सोसायटी (सीआरएस, # 20172), Myeloma कनाडा, और चुनौतियां ग्रैंड कनाडा से वित्तीय सहायता स्वीकार करते हैं।
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| COP | Zeonor | 604Z1020R080 | 20 kg COP Pellets - 1020R. Multiple suppliers can be used, but may affect bonding characteristics. |
| PMMA | McMaster Carr | 8560K173 | 1.5 mm sheet thickness for our typical applications. Multiple suppliers can be used, but may affect bonding characteristics. |
| Cyclohexane | Sigma-Aldrich | 227048 | Cyclohexane, anhydrous, 99.5%. Multiple suppliers can be used. Toxic, requires fumehood. |
| Ethanol | Sigma-Aldrich | 24102 | Ethanol, absolute, ≥99.8% (GC). Multiple suppliers can be used. |
| Acetone | Sigma-Aldrich | 179124 | Acetone, ACS reagent, ≥99.5%. Multiple suppliers can be used. |
| 2-Propanol | Sigma-Aldrich | 278475 | 2-Propanol, anhydrous, 99.5%. Multiple suppliers can be used. |
| Hot plate(s) | Torrey Pines Scientific | HP60 | Fully programmable digital hotplate. Multiple suppliers can be used. |
| Free weights | Cap Barbell | RPG#2 | Standard cast iron plate. Multiple suppliers and different weights can be used. |
| Heated press | Carver | Auto CH | Auto series heated hydraulic press. Multiple suppliers can be used. A press that fits in a fumehood would allow the most flexibility (this model does not). |
| CNC Milling Machine | Tormach | PCNC 770 | 3 Axis CNC mill. Multiple suppliers can be used. |
| Endmills | Various | Various | Required sizes depend on designs. Multiple suppliers can be used. |
References
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