Summary
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
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
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
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).
- Definizione del modello
- Spin cappotto un wafer di silicio da 4 pollici con il photoresist negativo SU-8 3010 a 2.300 giri/min per 30 s.
- Soft-cuocia il photoresist su un piatto caldo a 65 ° C per 2 min e poi a 95 ° C per 8 min.
- 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.
- Rimuovere la cialda e applicare un post esposizione cuocere a 65 ° C per 1 min e poi a 95 ° C per 2 min.
- 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.
- Silanizzazione della muffa del silicone
- 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.
- 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
- PDMS miscelazione
- 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.
- 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.
- Replica di stampo
- 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.
- 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.
- 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).
- silanizzazione della replica PDMS (lo stesso come descritto al punto 1.2)
- 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.
- 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.
- 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.
- 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. - Mescolare il PDMS elastomero e agente indurente 10:1; Assicurarsi di preparare una quantità sufficiente di PDMS per sommergere completamente i modelli.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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. - 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
- fabbricazione della fantasia metà del dispositivo (cioè, con layout periferica)
- 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. - 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).
- 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. - 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).
- 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).
- 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. - 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.
- 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.
- Fabbricazione della metà piatta del dispositivo (cioè, senza layout periferica)
- 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. - 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.
- 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.
- Gradualmente versare gocce di NOA presso la delusione del modello PDMS e lasciarlo lentamente riempire la cavità.
- 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. - Peel off il foglio PDMS dalla parte superiore dello strato NOA e attentamente rimuovere lo strato NOA curato dal modello PDMS.
- trattare finestra 2 CaF con plasma ad ossigeno a 60 W per 30 s con 20 sccm di flusso di ossigeno.
- Incollaggio delle due metà del dispositivo
- 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.
- Tagliare due dischi circolari da un foglio PDMS spesso 1 mm utilizzando un perforatore di diametro di 8 mm ( Figura 5 a).
- 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. - 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).
- 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. - 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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Representative Results
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 che l'approccio di fabbricazione presentato qui non alterare la trasparenza della CaF2 in gamma media IR.
Figura 7 una Mostra un esempio di buona replica a NOA dello stampo con il lay-out di microfluidica secondario PDMS. La struttura in cima alla finestra di2 CaF è ben formata a causa del peeling pulito dello strato NOA dallo stampo PDMS dopo è parzialmente UV-cured. Nessun NOA dovrebbe rimanere sullo stampo o sulla superficie della finestra, a contatto con le sporgenze di muffa. Qualsiasi NOA attaccato allo stampo si traduce in struttura NOA sulla finestra, che causerebbe perdite durante gli esperimenti di flusso del dispositivo finale mancante. Inoltre, per ottenere la buona tenuta delle due metà, NOA dovrebbe ancora essere cattivo gusto dopo esposizione ai raggi UV degli strati mezza. NOA è eccessivamente curata se è non-cattivo gusto. La dose di esposizione dovrebbe essere ottimizzata per ottenere tale risultato.
Figura 7 b Mostra invece esito negativo replica in NOA dove il modello nella finestra2 CaF non è definito correttamente. È principalmente causata da insufficiente dose di esposizione UV, cioè, indurimento di NOA. In tali casi, NOA è ancora un po ' bagnato, causando alcuni di aderire allo stampo PDMS. Tuttavia, se NOA si attacca ancora alla PDMS muffa anche se sia stata somministrata la dose di esposizione corretta, questo può essere un sintomo di silano rivestimento (cioè, strato antiaderente) essendo degradato nel corso del tempo. Come PDMS è uno stampo morbido, non è così lunga durata come lo stampo di silicone primario. Deve essere sostituito dopo un certo numero di usi.
Figura 1: Processo di fabbricazione dei dispositivi microfluidici plastica: (a-e) Schema del processo di fabbricazione. (f) immagine di un dispositivo reale e schematica della sua sezione trasversale. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 2: Panoramica del photomask, silicio primario muffe e muffa secondaria PDMS replicati dallo stampo di silicone: (un) Photomask con polarità del campo luminoso (in alto a sinistra); Lay-out del modello, in strato di fotoresist (a destra), costituito da: in ingresso e out-let con diametri da 2 mm (1 e 2) e la distanza di 3cm tra di loro, canali con larghezza di 300 µm (3), due di riferimento chambers con 5,5 mm x 0.75 mm dimensioni (4), la camera centrale con 5 x 2,5 mm dimensioni ( 5), reticoli di diffrazione come guida visiva con ampia di linee 10 µm e 20 µm gap (6); Zoom-in lay-out della camera centrale mostrando il reticolo di diffrazione (basso a sinistra). (b) foto dello stampo silicio primario con il modello definito nel photoresist SU-8. (c) foto dello stampo PDMS secondario con l'inverso di polarità per quanto riguarda la muffa primaria. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 3: Gli strumenti di creazione di modelli preparati facilitare la fabbricazione di dispositivi: (un) acrilico modello: modello effettivo (in alto) e la sua vista a sezione trasversale schematica (in basso). (b) PDMS replica del modello acrilico: replica effettiva (in alto) e la vista di sezione trasversale schematica (in basso). Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 4: Diagrammi di flusso per la fabbricazione della fantasia metà del dispositivo: (un) posto il PDMS modello su una superficie piana. Qui, abbiamo usato il vetro a calce sodata. (b) CaF2 è posto centrato sopra la spina PDMS. (c-d) Muffa PDMS è piazzata a faccia giù verso il CaF2 con camera di fluidica allineata al centro della finestra. Assicurarsi che tutti gli elementi siano in buon contatto e allineati. (e-f) Casting di NOA tramite l'in-delusione e permettendogli di lentamente riempire la cavità. (g), NOA è guarito esponendolo alla luce UV. Dose di esposizione può variare in funzione dell'energia della sorgente UV utilizzata. (h) rimuovere con cautela il PDMS muffa e modello per rilasciare il NOA curata. (io) Completed dispositivo strato con strutture di microfluidica NOA. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 5 : Vuoto premere setup per premere le due metà del dispositivo per formare un dispositivo completo: (un) PDMS disco circolare (diametro 8mm) e PDMS rettangolo (4 x 2,5 cm) con aperture pre-tagliate. Entrambi sono tagliati da una lastra di PDMS spessore 1 mm. (b) Panoramica dello strato-stack prima della pressatura. (c) Panoramica della stampa vuoto. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 6 : Mid-IR t ransmittance spettri di un CaF nudo 2 finestra (rosso), un fantasia di metà del dispositivo (blu) e un dispositivo completo (giallo). Tutti gli spettri di tre mostrano eccellente trasparenza a metà IR con trasmittanza superiore a 80% Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 7: Modellato metà del dispositivo: (a) esempio di una struttura di microfluidica ben formati in NOA. Zona più scura della finestra Mostra una struttura ben definita, mostrando chiaramente la camera centrale, due camere di riferimento e i canali. (b) esempio di una struttura di microfluidica ben formata in NOA a causa di undercuring. C'è il riflusso di NOA come indicato dalle frecce rosse. Uno degli alloggiamenti riferimento manca anche (freccia verde). Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 8 : Jig microfluidica, collega il dispositivo fabbricato di circuiteria esterna fluidico. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 9: Muffa di posizionamento di PDMS durante la fabbricazione della fantasia metà del dispositivo: (a) esempio di buon posizionamento dello stampo PDMS sulla finestra2 CaF. La finestra è a contatto con la sporgenza solo lo stampo PDMS, mostrando chiaramente la camera centrale, due camere di riferimento e i canali (indicati dalla zona più scura). I reticoli di diffrazione intorno al dispositivo e al centro della camera centrale sono pensati per una guida visiva durante il posizionamento dello stampo PDMS. (b) esempio di un cattivo posizionamento dello stampo PDMS sulla finestra2 CaF. L'area più scura mostra che c'è anche un'area indesiderati dello stampo, che è a contatto con la finestra, come indicato dalle frecce rosse. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
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Discussion
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 aria durante FTIR esperimenti come una camera di riferimento, come descritto in una precedente pubblicazione13. Le in-let e out-let collegare la camera centrale al sistema fluidico esterno.
Qui, strumenti di creazione di modelli (Vedi protocollo passo 3) sono stati introdotti per facilitare il processo di fabbricazione. In precedenza, era difficile porre costantemente le finestre2 CaF esattamente al centro del dispositivo finale, che ha causato problemi quando allineando le due metà del dispositivo. L'uso del modello fornisce una guida visiva per la finestra di immissione e assicura che la posizione è sempre simile. Come i requisiti geometrici per questi modelli non sono molto rigorosi, tecnologie di produzione standard e a buon mercato possono essere utilizzati. In questo caso, li abbiamo fatti fuori plastica acrilica attraverso la lavorazione in officina, ma un'alternativa altrettanto valida ed economica è la stampa 3D.
Il design dei modelli acrilici è tale che dispongono quanto segue (Figura 3un): (a) un modello è stato progettato con due piccoli fori su ogni lato, mentre il secondo è senza fori; i fori sono di diametro 1,5 mm in dimensioni e 1,5 mm di profondità, (b) sia modelli hanno un foro circolare con diametro di 8 mm e 500 µm profondità nel centro, e (c) entrambi i modelli hanno una sporgenza rettangolare per definire la dimensione, forma e spessore del dispositivo mezza; il rettangolo è 4 x 2,5 cm di lunghezza/larghezza e 1,5 mm di spessore.
I modelli PDMS risultanti replicati dai modelli acrilici avrà la polarità opposta (Figura 3b): (a) un modello avrà due pilastri su ogni lato con diametro di 1,5 mm e 1,5 mm di altezza per formare la delusione in e out-let della metà del dispositivo modellato dopo la fusione di NOA; il secondo modello sarà senza pilastri, (b) entrambi i modelli hanno un pilastro alto 500 µm al centro per facilitare il posizionamento delle finestre2 CaF; Questa funzione deve essere indicata come "PDMS spina", e (c) entrambi i modelli sono con una cavità, che definisce la forma finale e le dimensioni di ciascuna metà del dispositivo: un rettangolo forma con 4 x 2,5 cm dimensioni e 1,5 mm di spessore in questo caso.
Per facilitare ulteriormente il processo di fabbricazione, reticoli di diffrazione sono state incorporate nella progettazione di fotomaschere per lo stampo di silicio primario. Nella replica di PDMS di questo stampo di silicone, le sporgenze poco profonde (che sono meno di 10 µm in altezza) sono difficili da vedere a causa della trasparenza ottica di PDMS. Tuttavia, poco profonde sporgenze se disposti in un reticolo di linee larghe di 10 µm con 20 µm gap generano un pattern di interferenza facilmente visibile16. Questo modello di interferenza è stato sfruttato come guida visiva per definire la posizione del lay-out microfluidici nello stampo PDMS. La progettazione dello stampo incorpora un telaio della griglia per definire la geometria complessiva del dispositivo. Un'altra grata è stato ulteriormente aggiunto al centro della camera centrale del layout microfluidici per facilitare l'allineamento con la finestra di2 CaF. Vale la pena notare che la griglia nella camera centrale di non essere riprodotti nel dispositivo finale come si compone di una serie di cavità breve che non sono collegate al bordo della camera centrale. Di conseguenza, il NOA che scorre non sarebbe in grado di accedere a queste cavità.
Per l'iniezione di cellule e cambio medio, ogni dispositivo ha bisogno di sua in-let e out-let perforato manualmente prima della sigillatura. Ciò ha provocato non riproducibili posizionamento dei fori. Questo non ha limitato il funzionamento di ogni dispositivo, poiché la connessione è stata realizzata incollando un piccolo perno metallico a una delle aperture ed allegando un serbatoio in plastica all'estremità opposta come un raccoglitore. Di conseguenza, variando la posizione dei fori non è di preoccupazione se non a costo di uno schema più complesso di fabbricazione. Per semplificare e standardizzare l'utilizzo finale e di test di ogni dispositivo, un jig fluidico su misura con postazioni fisse in-let/out let sono introdotto (Vedi Figura 8), eliminando la necessità di collegare il pin e il serbatoio. Quindi, in-let/out let fori con posizioni incoerenti presenterebbe un problema qui. Incorporando due fori di diametro 1,5 mm nel modello fabbricato acrilico (passaggio 3 di protocollo), che diventeranno pilastri nello stampo PDMS, la necessità di perforare manualmente i fori alle estremità dei canali microfluidici viene rimosso. Inoltre, la loro posizione è fissa e lo stesso per ogni dispositivo.
L'assenza di perdite nel dispositivo può essere controllato con la stessa procedura come discusso altrove13 cioè, alimentando il dispositivo con una soluzione di fluorescina in acqua deionizzata.
Fasi critiche nel protocollo
Durante la fabbricazione della fantasia metà del dispositivo, posizionamento dello stampo PDMS in cima alla finestra di2 CaF deve essere accuratamente effettuato. Le uniche strutture sullo stampo che sono autorizzate a contattare la finestra sono le 10 µm elevate sporgenze. Ogni volta che c'è un'area di contatto indesiderata, il passo di posizionamento di stampo dovrebbe essere rifatto. Per illustrare, Figura 9una Mostra posizionamento accurato dello stampo sulla finestra, mentre Figura 9b Mostra un esempio di posizionamento povero, dove un'area indesiderati dello stampo è a contatto con la finestra. Figura 9 b si tradurrebbe in una struttura NOA mancante sulla finestra. La piastra piccola quarzo menzionata nel protocollo (punto 4.1.3, Figura 2c) aiuta il posizionamento di muffa come impedisce l'area indesiderati dello stampo facilmente entrare in contatto con la finestra di2 CaF. PDMS stampo sia il piatto del quarzo sono anche sottili affinché siano sufficientemente leggero e trasparente agli UV17,18.
Trovare la corretta dose di esposizione UV per gli strati di mezzo è anche cruciale per il processo di fabbricazione. Quando NOA è esposto con una dose insufficiente, il NOA non polimerizzato sarà riflusso durante il peeling off, causando una perdita di definizione della struttura e possibilmente traboccante sulla superficie2 CaF. D'altra parte, troppo alta di un risultati di dose di esposizione in over-polimerizzazione di NOA, trasformando NOA in uno stato non di cattivo gusto. Successivo incollaggio delle due metà avrebbe sofferto perché NOA non di cattivo gusto sul livello mezza fantasia sarebbe non lega con finestra2 CaF sul piatto metà livello. Idealmente, la dose corretta dovrebbe essere l'esposizione più brevedose che permette NOA di replicare in modo affidabile la struttura mantenendo comunque il suo stato di cattivo gusto. Oltre a determinare la dose di esposizione corretta, incollaggio delle due metà dovrebbe essere fatto più presto, entro 30 minuti, come la viscosità di NOA diminuisce gradualmente con il tempo fino a quando non è più possibile per l'incollaggio.
Altri punti da notare sono quando si utilizza il sistema di pressa a vuoto per l'incollaggio. I livelli di conformità (cioè, sottili fogli PDMS sandwiching il dispositivo) dovrebbero avere uno spessore relativamente uniforme per la distribuzione uniforme della pressione sul dispositivo. Per questo scopo, un jig acrilico su misura con uno spessore definito distanziatore è stato utilizzato per lanciare tali fogli PDMS. I fogli di conformità dovrebbero anche essere puliti per evitare l'introduzione di pressione locale, soprattutto su finestra2 CaF fragile.
Vantaggi del metodo rispetto ai metodi esistenti
Il nostro approccio di fabbricazione ha dimostrato la produzione di un dispositivo di plastica compatibile con misure FTIR. Poiché la tecnica di micro-fabbricazione fornisce buon controllo sopra la dimensione della funzionalità, il controllo realizzabile sopra l'altezza dei canali microfluidici è molto più preciso di quello che può essere ottenuto con altri approcci di fabbricazione (ad es., distanziali in plastica).
Un vantaggio cruciale di questo protocollo è che si traduce in un dispositivo di plastica con vista trasparente UV-Vis-IR-porte; tutti i dispositivi microfluidici precedentemente dimostrata per FTIR sono state prodotte sulla cima di un grande substrato trasparente IR, che richiedono passaggi di Litografia per ogni dispositivo10,11,12. Nell'approccio attuale, il costo e la complessità di fabbricazione è ridotto dal momento che solo la produzione dello stampo Si richiede Litografia.
Infine, utilizzando un UV curabile della resina (NOA73 in questa dimostrazione) come il principale corpo di plastica facilita la connettività del dispositivo a un sistema di consegna liquido esterno, incollaggio o allegando le connessioni per il corpo di plastica oppure utilizzando un jig fluidico per una più rapida produzione del dispositivo o l'utilizzo.
Future applicazioni del metodo
Dei possibili miglioramenti e sviluppo che possa essere esplorato, due sono i più immediato e importante. In primo luogo, la trasparenza ottica a banda larga del viewport-suggerisce l'accoppiamento di FTIR con microscopia di fluorescenza ad alta risoluzione sulla stessa piattaforma. Questo può essere facilmente perseguito riducendo lo spessore di una delle finestre2 CaF al fine di soddisfare i requisiti di una distanza di lavoro con apertura numerica elevata e obiettivi ad alto ingrandimento. In secondo luogo, questo schema di fabbricazione può consentire per layout più complessi fluidico. Più osservazione chambers ed elementi funzionali collegandoli ad esempio miscelatori e sorter, può essere implementato come loro geometria definisce la cavità aperte sotto le finestre.
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Disclosures
Gli autori non hanno nulla a rivelare.
Acknowledgments
Gli autori riconoscono con gratitudine il sostegno finanziario di MBI.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Chemical | |||
| Trichloro(1H,1H,2H,2H-perfluorooctyl)silane 97% | Sigma Aldrich | 448931-10G | |
| Sylgard 184 Silicone Elastomer Kit | Dow Corning | Polydimethylsiloxane or in short, PDMS | |
| Norland Optical Adhesive 73 | Norland Products Inc. | 7304 | |
| SU8 3010 photoresist | MicroChem | Y311060 | |
| SU8 developer | MicroChem | Y020100 | |
| Material | |||
| Silicon wafer, 4 inch, prime grade | Bonda Technology Pte Ltd | ||
| CaF2 IR-grade windows | Crystran, UK | CAFP10-1 | 10 mm diameter, 1 mm thickness |
| Acrylic templates | Custom made | ||
| Equipment | |||
| UV-KUB 2 (UV LED exposure system) | KLOE | Emission spectrum 365nm ± 5nm | |
| Newport UV lamp | Newport | Model 66902 | 50-500 Watt Hg arc lamp |
| CEE Spin coater | Brewer Science | Model 200x | |
| MJB4 mask aligner | SUSS MicroTec | ||
| Precision digital hot plate | Harry Gestigkeit GmbH | 2860SR | |
| Plasma Surface Technology | Diener Electronic GmbH + Co. KG | For O2 plasma treatment | |
| IDP-3 Dry Scroll Vacuum Pump | Agilent Technologies | ultimate pressure 3.3 x 10-1 mbar | |
| Bruker IFS 66v/s FTIR Spectrometer | Bruker |
References
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