eng
Выпуск #5/2013
А.Нисан
Микрофлюидные модули: области применения и технологии производства
Микрофлюидные модули: области применения и технологии производства
Просмотры: 3690
Одно из перспективных направлений развития МЭМС – лаборатории на чипе (lab-on-a-chip). Их основой являются так называемые микрофлюидные модули, в которых происходит множество операций подготовки и транспортировки биологических проб. Применение микрофлюидных модулей в медицине, биологии, фармацевтике, промышленности и в других областях открывает новые возможности снижения стоимости, сложности и сроков проведения анализов, исследований, контроля.
Первый микрофлюидный модуль – хроматографическая колонка – был изготовлен в Стэндфордском университете в 70-х годах прошлого столетия. В 1990-х годах появились концепции миниатюрных аналитических платформ, направленные на повышение производительности и снижение стоимости анализа.
Преимущества и недостатки микрофлюидных модулей обусловлены их существенно меньшими размерами по сравнению с традиционными устройствами с аналогичными функциями. Выделяют следующие преимущества микрофлюидных модулей:
малый объем образца и низкий расход реагентов;
высокая точность управления смешиванием и нагревом/охлаждением жидкостей;
быстрая передача тепла благодаря высокому значению отношения площади поверхности к объему;
высокая точность и повторяемость результатов;
высокая чувствительность;
уменьшение длительности и снижение стоимости анализа, исследования;
широкие возможности интеграции различных компонентов (в том числе оптических и электронных) в одном устройстве;
меньшие габариты и масса устройств;
более высокая безопасность.
Вместе с тем, микрофлюидным модулям присущ ряд недостатков:
из-за малых размеров модулей на результаты исследований существенно влияют паразитные физические и химические явления (связанные с капиллярными силами, шероховатостью поверхности, химическими реакциями между жидкостями и материалом модуля);
применение "стандартных" методов детектирования к малым объемам может приводить к низкому отношению сигнал/шум;
хотя в абсолютном значении погрешности изготовления малы, в относительном значении они хуже, чем в точном машиностроении.
Рассмотрим области применения и технологии изготовления микрофлюидных модулей.
Области применения
Микрофлюидные устройства могут применяться в самых разных областях (рис.1) (в приведенную классификацию не включены печатающие головки для струйных принтеров, так как это отдельное, уже давно развивающееся направление). Приведем несколько типичных примеров микрофлюидных модулей.
По данным Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ) в 2011 году в мире насчитывалось 34 млн. ВИЧ-инфицированных людей, причем 2,5 млн. из них было инфицировано в 2011 году. Для мониторинга иммунодепрессии, вызванной ВИЧ, и определения начала противоретровирусной терапии необходимо знать точное количество Т-лимфоцитов (CD4+) в крови. По данным ВОЗ противоретровирусную терапию получают лишь 56% тех, кому она жизненно необходима. Сделать мониторинг иммунодепрессии дешевле и доступнее могут портативные тестеры Т-лимфоцитов, не требующие специальных лабораторных условий для проведения анализа, ручной подготовки образца, особых условий хранения реагентов (рис.2). Образец капиллярной крови в количестве 0,025 мл забирается с помощью одноразового картриджа на основе микрофлюидного модуля, содержащего все необходимые реагенты. Картридж устанавливается в тестер, который через 20 мин выдает результаты измерений.
Еще один пример применения микрофлюидных модулей в области устройств для анализов по месту лечения – биохимический анализатор крови (рис.3). Образец крови в количестве 0,1 мл помещается в микрофлюидный модуль, размещенный на диске, диск устанавливается в анализатор, который через 12 мин выдает результаты анализа. Под разные виды анализов разработаны специальные диски, а всего устройство способно выполнить 24 вида анализов крови, включая анализы на ферменты печени, липиды, глюкозу.
Активно развивается направление "цифровых" микрофлюидных модулей, основанных на эффекте электросмачивания (рис.4). Его суть в том, что угол смачивания электролитом поверхности зависит от электрического напряжения между ними. При отсутствии напряжения на электроде капля водного раствора не смачивает гидрофобное покрытие, а при приложении напряжения к электроду – смачивает. "Цифровой" микрофлюидный модуль состоит из матрицы электродов, в которой для перемещения капли напряжение снимается с текущего электрода и прикладывается к следующему. Такие модули могут применяться в клинической диагностике и молекулярной биологии для исследования белков, секвенирования ДНК, количественного анализа ДНК и РНК, подготовки образцов.
Примером использования микрофлюидных модулей в аналитических устройствах могут служить колонки для газовой хроматографии, проходя через которые исследуемый газ разделяется на компоненты, затем поступающие на детектор. Хроматографическая колонка состоит из двух стеклянных пластин (рис.5). В них вытравливали каналы с сечением в форме полукруга, в одной из пластин сверлили отверстия для подачи газа, после чего пластины диффузионно соединяли без использования клея. Такие хроматографические колонки могут применяться для оперативного контроля состояния окружающей среды.
Микрофлюидные модули используются также в химии в качестве микрореакторов, например, для синтеза веществ или изучения кинетики реакций. Выпускаются стандартные микрореакторы из стекла с объемом реакционной зоны 62,5 мкл, 250 мкл, 1 мл, длиной каналов 1,8–2,5 м, выдерживающие давление до 30 бар и рабочую температуру до 150°С (рис.6).
Мировой рынок микрофлюидных модулей в последние годы активно растет (рис.7). Прогнозируется, что с 2010 по 2016 год объем рынка увеличится примерно в четыре раза и составит порядка 4 млрд. долл. Почти половина организаций, активно работающих в области микрофлюидных модулей, сосредоточена в Северной Америке, около 40% – в Европе, преимущественно в Германии, Франции, Великобритании, Нидерландах (рис.8).
Материалы
Микрофлюидные модули производятся преимущественно из полимеров, реже из стекла и кремния, иногда из металлов и керамики (рис.9). В число наиболее часто используемых полимеров входят полиметилметакрилат, циклоолефиновый сополимер, полиметилсилоксан, полиэфирэфиркетон. Материал существенно влияет на параметры модулей (табл.1).
Технологии
Набор технологий, которые могут быть использованы для изготовления микрофлюидных модулей, достаточно широк (рис.10). В качестве примера рассмотрим несколько наиболее распространенных технологий.
Формообразование
Микролитье. Для формирования дна и боковых стенок микроканалов полимер, например полидиметилсилоксан (PDMS), и вещество, образующее поперечные связи между макромолекулами для отверждения полимера, заливаются в литьевую форму и помещаются в печь (рис.11). После извлечения заготовки из литьевой формы в ней сверлятся или пробиваются отверстия под трубки для подачи и отвода жидкостей или газов. Затем сторона заготовки с микроканалами и стеклянная крышка подвергаются плазменной обработке и соединяются, герметизируя микроканалы.
Горячая штамповка. В этой технологии штамп и основание из полимера, в котором необходимо сформировать каналы, нагреваются до температуры, близкой к температуре стеклования полимера (рис.12). Штамп прижимается к основанию с усилием от нескольких ньютонов до нескольких килоньютонов, в зависимости от материала основания и формируемого рисунка. Дальше, как и в технологии микролитья, делаются отверстия и проводится герметизация каналов. Как правило, в качестве оснований используются полиметилметакрилат, циклоолефиновый сополимер и поликарбонат. Для формирования каналов субмикронной ширины могут применяться штампы, изготовленные из кремния методом глубокого реактивного ионного травления (рис.13) [1].
Изготовление вставок в литьевые формы и штампов. Метод 1. На предварительно очищенный металлический диск наносится центрифугированием толстый фоторезист, экспонируется через фотошаблон УФ-излучением и проявляется (рис.14) [2]. После этого проводится активация открытой поверхности металла для удаления остатков фоторезиста и оксидного слоя. Затем в гальванической ванне осаждается никель до толщины чуть меньше, чем у фоторезиста. В конце фоторезист снимается.
Метод 2. На предварительно очищенную, оксидированную кремниевую пластину напыляется конденсацией из паровой фазы 5-нанометровый слой титана или хрома, а поверх него – 50-нанометровый слой золота (рис.15) [2]. На следующей операции центрифугированием наносится толстый фоторезист, экспонируется в УФ-излучении и проявляется. Затем выполняется плазменная очистка, после которой возможны два варианта. В варианте 2а проводится гальваническое осаждение никеля до толщины чуть меньше, чем у фоторезиста. Для придания проводящих свойств верхней поверхности на нее последовательно напыляется титан/золото или хром/золото. После этого продолжается гальваническое осаждение никеля до толщины 2–3 мм. В завершение поверхность никеля обрабатывается до нужной шероховатости, стравливаются кремний и золото, удаляется фоторезист. В варианте 2б гальваническое осаждение никеля просто не прерывается при заполнении свободных от фоторезиста участков, а проводится до образования сплошного слоя толщиной 2–3 мм.
Метод 3. В отличие от рассмотренных выше методов этот метод основан на субтрактивной микрообработке поверхности при помощи реактивного ионного травления (рис.16) [2]. Рисунок формируется УФ-литографией с использованием тонкого фоторезиста, также наносимого центрифугированием, и последующим травлением материала маски (как правило, оксида или нитрида кремния). Принципиальное различие двух вариантов реализации этого метода в том, что в варианте 3б формообразующие выступы штампа выполняются из кремния, в то время как в варианте 3а кремниевая пластина используется лишь для формирования выступов из никеля.
Метод 4. В этом методе необходимые формообразующие выступы формируются микрообработкой поверхности: фрезерованием, лазерной абляцией или электроэрозионной обработкой (рис.17) [2]. В варианте 4а микрообработкой из полимера или мягкого металла создается шаблон для гальванического осаждения никеля. Если основание изготовлено из непроводящего материала, то перед осаждением никеля выполняется химическая активация поверхности или напыление подслоя металла. В варианте 4б формообразующие выступы изготавливаются непосредственно микрообработкой, после которой требуется только очистка и полировка. Вариант 4в отличается от 4б осаждением меди, никеля или хрома для увеличения износостойкости.
Формы и штампы, получаемые разными методами, накладывают те или иные ограничения на характеристики изготавливаемых с их помощью микрофлюидных модулей (табл.2) [2]. Так, несмотря на высокую точность размеров и положения структур, обеспечиваемую тремя первыми методами, их возможности в части получаемых сечений каналов микрофлюидных модулей (формообразующих выступов вставок в литьевые формы и штампов) сильно ограничены близкими к прямоугольнику формами. Метод 4 позволяет получить каналы с переменным углом наклона стенок, но не обеспечивает высокую точность и минимальные размеры структур, характерные для методов 1–3.
Фотолитография
Фотолитография используется для изготовления микрофлюидных модулей из стекла (рис.18). На предварительно очищенную стеклянную пластину наносятся хром и фоторезист. Фоторезист экспонируется в УФ-излучении через фотошаблон и проявляется. Травление стекла выполняется плавиковой кислотой. После удаления хрома и фоторезиста в пластине сверлятся отверстия для подведения жидкостей или газов в будущем микрофлюидном модуле. На следующем этапе пластины разделяются на отдельные модули, которые затем герметизируются крышками.
"Мягкая" литография (микропечать)
В одной из реализаций этого метода (рис.19а) [3] маска из 1-гексадекантиола наносится на штамп, а затем переводится с него на стеклянное основание с предварительно осажденным 100-нанометровым слоем золота по 10-нанометровому подслою хрома. После отделения штампа проводится травление золота и хрома в водном растворе на основе феррицианида при температуре 60˚C в течение 2–5 мин. Затем выполняется удаление 1-гексадекантиола.
В другом варианте этого метода (рис.19б) на поверхности стекла формируется токопроводящий рисунок из палладия, на который химически осаждается медь. Для этого частицы палладия со средним диаметром несколько нанометров смешиваются с толуолом (1,5 г/л) и наносятся на штамп, с которого затем переводятся на стеклянное основание.
Микропечать может использоваться для изготовления "цифровых" микрофлюидных устройств, в которых необходим токопроводящий рисунок для управления отдельными каплями жидкостей.
Встраивание кристаллов в микрофлюидные модули
Перед встраиванием кристалла на его обратной и боковых сторонах необходимо сформировать слой полимера (рис.20) [4]. Для этого кристалл размещается на пластине активной стороной вниз, подается небольшое давление (порядка 35 кПа) для удержания его на пластине, а затем он заливается преполимером полидиметилсилоксана, который отверждается при температуре 80°С в течение 30 мин. Далее кристалл с полидиметилсилоксаном отделяется от пластины и подвергается плазменной обработке, как и микрофлюидный слой. Микрофлюидный слой и слой с кристаллом совмещаются и соединяются. После этого для формирования электрических соединений микрофлюидного модуля с кристаллом в определенные каналы заливается сплав галлия, индия и олова, находящийся в жидком состоянии при комнатной температуре.
* * *
В заключение можно сказать, что широкое внедрение устройств на основе микрофлюидных модулей способно существенно повысить качество жизни. Так, использование микрофлюидных устройств для анализа крови позволяет оперативно проводить исследования вне лабораторий, делая медицинскую помощь доступнее и качественнее в малых населенных пунктах, а также в развивающихся странах.
На рынке уже присутствуют десятки компаний, серийно выпускающих микрофлюидные модули. Больше ста исследовательских центров, университетов, институтов ведут работу в области микрофлюидных модулей, что позволяет надеяться на скорое широкое внедрение этой технологии.
Литература
Becker H., Dietz W., Dannberg P. Microfluidic manifolds by polymer hot embossing for µ-tas applications. – Proceedings of Micro Total Analysis Systems. D.J. Harrison, A. van den Berg (Eds.), Kluwer, 1998, p.253–256.
Bissacco G., Hansen H.N., Tang P.T., Fugl J. Precision manufacturing methods of inserts for injection molding of microfluidic systems. – www.aspe.net/publications/Spring_2005/05SPAbs/Bissacco-1676.pdf
Watson M.W.L., Abdelgawad M., Ye G. et al. Microcontact Printing-Based Fabrication of Digital Microfluidic Devices. – Analytical Chemistry, v.78, №22, p.7877–7885 (web.cecs.pdx.edu/~prasads/Soft%20Litho-Problem2.pdf)
Zhang B., Dong Q., Korman C.E. et al. Flexible packaging of solid-state integrated circuit chips with elastomeric microfluidics. – www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3551231/
Преимущества и недостатки микрофлюидных модулей обусловлены их существенно меньшими размерами по сравнению с традиционными устройствами с аналогичными функциями. Выделяют следующие преимущества микрофлюидных модулей:
малый объем образца и низкий расход реагентов;
высокая точность управления смешиванием и нагревом/охлаждением жидкостей;
быстрая передача тепла благодаря высокому значению отношения площади поверхности к объему;
высокая точность и повторяемость результатов;
высокая чувствительность;
уменьшение длительности и снижение стоимости анализа, исследования;
широкие возможности интеграции различных компонентов (в том числе оптических и электронных) в одном устройстве;
меньшие габариты и масса устройств;
более высокая безопасность.
Вместе с тем, микрофлюидным модулям присущ ряд недостатков:
из-за малых размеров модулей на результаты исследований существенно влияют паразитные физические и химические явления (связанные с капиллярными силами, шероховатостью поверхности, химическими реакциями между жидкостями и материалом модуля);
применение "стандартных" методов детектирования к малым объемам может приводить к низкому отношению сигнал/шум;
хотя в абсолютном значении погрешности изготовления малы, в относительном значении они хуже, чем в точном машиностроении.
Рассмотрим области применения и технологии изготовления микрофлюидных модулей.
Области применения
Микрофлюидные устройства могут применяться в самых разных областях (рис.1) (в приведенную классификацию не включены печатающие головки для струйных принтеров, так как это отдельное, уже давно развивающееся направление). Приведем несколько типичных примеров микрофлюидных модулей.
По данным Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ) в 2011 году в мире насчитывалось 34 млн. ВИЧ-инфицированных людей, причем 2,5 млн. из них было инфицировано в 2011 году. Для мониторинга иммунодепрессии, вызванной ВИЧ, и определения начала противоретровирусной терапии необходимо знать точное количество Т-лимфоцитов (CD4+) в крови. По данным ВОЗ противоретровирусную терапию получают лишь 56% тех, кому она жизненно необходима. Сделать мониторинг иммунодепрессии дешевле и доступнее могут портативные тестеры Т-лимфоцитов, не требующие специальных лабораторных условий для проведения анализа, ручной подготовки образца, особых условий хранения реагентов (рис.2). Образец капиллярной крови в количестве 0,025 мл забирается с помощью одноразового картриджа на основе микрофлюидного модуля, содержащего все необходимые реагенты. Картридж устанавливается в тестер, который через 20 мин выдает результаты измерений.
Еще один пример применения микрофлюидных модулей в области устройств для анализов по месту лечения – биохимический анализатор крови (рис.3). Образец крови в количестве 0,1 мл помещается в микрофлюидный модуль, размещенный на диске, диск устанавливается в анализатор, который через 12 мин выдает результаты анализа. Под разные виды анализов разработаны специальные диски, а всего устройство способно выполнить 24 вида анализов крови, включая анализы на ферменты печени, липиды, глюкозу.
Активно развивается направление "цифровых" микрофлюидных модулей, основанных на эффекте электросмачивания (рис.4). Его суть в том, что угол смачивания электролитом поверхности зависит от электрического напряжения между ними. При отсутствии напряжения на электроде капля водного раствора не смачивает гидрофобное покрытие, а при приложении напряжения к электроду – смачивает. "Цифровой" микрофлюидный модуль состоит из матрицы электродов, в которой для перемещения капли напряжение снимается с текущего электрода и прикладывается к следующему. Такие модули могут применяться в клинической диагностике и молекулярной биологии для исследования белков, секвенирования ДНК, количественного анализа ДНК и РНК, подготовки образцов.
Примером использования микрофлюидных модулей в аналитических устройствах могут служить колонки для газовой хроматографии, проходя через которые исследуемый газ разделяется на компоненты, затем поступающие на детектор. Хроматографическая колонка состоит из двух стеклянных пластин (рис.5). В них вытравливали каналы с сечением в форме полукруга, в одной из пластин сверлили отверстия для подачи газа, после чего пластины диффузионно соединяли без использования клея. Такие хроматографические колонки могут применяться для оперативного контроля состояния окружающей среды.
Микрофлюидные модули используются также в химии в качестве микрореакторов, например, для синтеза веществ или изучения кинетики реакций. Выпускаются стандартные микрореакторы из стекла с объемом реакционной зоны 62,5 мкл, 250 мкл, 1 мл, длиной каналов 1,8–2,5 м, выдерживающие давление до 30 бар и рабочую температуру до 150°С (рис.6).
Мировой рынок микрофлюидных модулей в последние годы активно растет (рис.7). Прогнозируется, что с 2010 по 2016 год объем рынка увеличится примерно в четыре раза и составит порядка 4 млрд. долл. Почти половина организаций, активно работающих в области микрофлюидных модулей, сосредоточена в Северной Америке, около 40% – в Европе, преимущественно в Германии, Франции, Великобритании, Нидерландах (рис.8).
Материалы
Микрофлюидные модули производятся преимущественно из полимеров, реже из стекла и кремния, иногда из металлов и керамики (рис.9). В число наиболее часто используемых полимеров входят полиметилметакрилат, циклоолефиновый сополимер, полиметилсилоксан, полиэфирэфиркетон. Материал существенно влияет на параметры модулей (табл.1).
Технологии
Набор технологий, которые могут быть использованы для изготовления микрофлюидных модулей, достаточно широк (рис.10). В качестве примера рассмотрим несколько наиболее распространенных технологий.
Формообразование
Микролитье. Для формирования дна и боковых стенок микроканалов полимер, например полидиметилсилоксан (PDMS), и вещество, образующее поперечные связи между макромолекулами для отверждения полимера, заливаются в литьевую форму и помещаются в печь (рис.11). После извлечения заготовки из литьевой формы в ней сверлятся или пробиваются отверстия под трубки для подачи и отвода жидкостей или газов. Затем сторона заготовки с микроканалами и стеклянная крышка подвергаются плазменной обработке и соединяются, герметизируя микроканалы.
Горячая штамповка. В этой технологии штамп и основание из полимера, в котором необходимо сформировать каналы, нагреваются до температуры, близкой к температуре стеклования полимера (рис.12). Штамп прижимается к основанию с усилием от нескольких ньютонов до нескольких килоньютонов, в зависимости от материала основания и формируемого рисунка. Дальше, как и в технологии микролитья, делаются отверстия и проводится герметизация каналов. Как правило, в качестве оснований используются полиметилметакрилат, циклоолефиновый сополимер и поликарбонат. Для формирования каналов субмикронной ширины могут применяться штампы, изготовленные из кремния методом глубокого реактивного ионного травления (рис.13) [1].
Изготовление вставок в литьевые формы и штампов. Метод 1. На предварительно очищенный металлический диск наносится центрифугированием толстый фоторезист, экспонируется через фотошаблон УФ-излучением и проявляется (рис.14) [2]. После этого проводится активация открытой поверхности металла для удаления остатков фоторезиста и оксидного слоя. Затем в гальванической ванне осаждается никель до толщины чуть меньше, чем у фоторезиста. В конце фоторезист снимается.
Метод 2. На предварительно очищенную, оксидированную кремниевую пластину напыляется конденсацией из паровой фазы 5-нанометровый слой титана или хрома, а поверх него – 50-нанометровый слой золота (рис.15) [2]. На следующей операции центрифугированием наносится толстый фоторезист, экспонируется в УФ-излучении и проявляется. Затем выполняется плазменная очистка, после которой возможны два варианта. В варианте 2а проводится гальваническое осаждение никеля до толщины чуть меньше, чем у фоторезиста. Для придания проводящих свойств верхней поверхности на нее последовательно напыляется титан/золото или хром/золото. После этого продолжается гальваническое осаждение никеля до толщины 2–3 мм. В завершение поверхность никеля обрабатывается до нужной шероховатости, стравливаются кремний и золото, удаляется фоторезист. В варианте 2б гальваническое осаждение никеля просто не прерывается при заполнении свободных от фоторезиста участков, а проводится до образования сплошного слоя толщиной 2–3 мм.
Метод 3. В отличие от рассмотренных выше методов этот метод основан на субтрактивной микрообработке поверхности при помощи реактивного ионного травления (рис.16) [2]. Рисунок формируется УФ-литографией с использованием тонкого фоторезиста, также наносимого центрифугированием, и последующим травлением материала маски (как правило, оксида или нитрида кремния). Принципиальное различие двух вариантов реализации этого метода в том, что в варианте 3б формообразующие выступы штампа выполняются из кремния, в то время как в варианте 3а кремниевая пластина используется лишь для формирования выступов из никеля.
Метод 4. В этом методе необходимые формообразующие выступы формируются микрообработкой поверхности: фрезерованием, лазерной абляцией или электроэрозионной обработкой (рис.17) [2]. В варианте 4а микрообработкой из полимера или мягкого металла создается шаблон для гальванического осаждения никеля. Если основание изготовлено из непроводящего материала, то перед осаждением никеля выполняется химическая активация поверхности или напыление подслоя металла. В варианте 4б формообразующие выступы изготавливаются непосредственно микрообработкой, после которой требуется только очистка и полировка. Вариант 4в отличается от 4б осаждением меди, никеля или хрома для увеличения износостойкости.
Формы и штампы, получаемые разными методами, накладывают те или иные ограничения на характеристики изготавливаемых с их помощью микрофлюидных модулей (табл.2) [2]. Так, несмотря на высокую точность размеров и положения структур, обеспечиваемую тремя первыми методами, их возможности в части получаемых сечений каналов микрофлюидных модулей (формообразующих выступов вставок в литьевые формы и штампов) сильно ограничены близкими к прямоугольнику формами. Метод 4 позволяет получить каналы с переменным углом наклона стенок, но не обеспечивает высокую точность и минимальные размеры структур, характерные для методов 1–3.
Фотолитография
Фотолитография используется для изготовления микрофлюидных модулей из стекла (рис.18). На предварительно очищенную стеклянную пластину наносятся хром и фоторезист. Фоторезист экспонируется в УФ-излучении через фотошаблон и проявляется. Травление стекла выполняется плавиковой кислотой. После удаления хрома и фоторезиста в пластине сверлятся отверстия для подведения жидкостей или газов в будущем микрофлюидном модуле. На следующем этапе пластины разделяются на отдельные модули, которые затем герметизируются крышками.
"Мягкая" литография (микропечать)
В одной из реализаций этого метода (рис.19а) [3] маска из 1-гексадекантиола наносится на штамп, а затем переводится с него на стеклянное основание с предварительно осажденным 100-нанометровым слоем золота по 10-нанометровому подслою хрома. После отделения штампа проводится травление золота и хрома в водном растворе на основе феррицианида при температуре 60˚C в течение 2–5 мин. Затем выполняется удаление 1-гексадекантиола.
В другом варианте этого метода (рис.19б) на поверхности стекла формируется токопроводящий рисунок из палладия, на который химически осаждается медь. Для этого частицы палладия со средним диаметром несколько нанометров смешиваются с толуолом (1,5 г/л) и наносятся на штамп, с которого затем переводятся на стеклянное основание.
Микропечать может использоваться для изготовления "цифровых" микрофлюидных устройств, в которых необходим токопроводящий рисунок для управления отдельными каплями жидкостей.
Встраивание кристаллов в микрофлюидные модули
Перед встраиванием кристалла на его обратной и боковых сторонах необходимо сформировать слой полимера (рис.20) [4]. Для этого кристалл размещается на пластине активной стороной вниз, подается небольшое давление (порядка 35 кПа) для удержания его на пластине, а затем он заливается преполимером полидиметилсилоксана, который отверждается при температуре 80°С в течение 30 мин. Далее кристалл с полидиметилсилоксаном отделяется от пластины и подвергается плазменной обработке, как и микрофлюидный слой. Микрофлюидный слой и слой с кристаллом совмещаются и соединяются. После этого для формирования электрических соединений микрофлюидного модуля с кристаллом в определенные каналы заливается сплав галлия, индия и олова, находящийся в жидком состоянии при комнатной температуре.
* * *
В заключение можно сказать, что широкое внедрение устройств на основе микрофлюидных модулей способно существенно повысить качество жизни. Так, использование микрофлюидных устройств для анализа крови позволяет оперативно проводить исследования вне лабораторий, делая медицинскую помощь доступнее и качественнее в малых населенных пунктах, а также в развивающихся странах.
На рынке уже присутствуют десятки компаний, серийно выпускающих микрофлюидные модули. Больше ста исследовательских центров, университетов, институтов ведут работу в области микрофлюидных модулей, что позволяет надеяться на скорое широкое внедрение этой технологии.
Литература
Becker H., Dietz W., Dannberg P. Microfluidic manifolds by polymer hot embossing for µ-tas applications. – Proceedings of Micro Total Analysis Systems. D.J. Harrison, A. van den Berg (Eds.), Kluwer, 1998, p.253–256.
Bissacco G., Hansen H.N., Tang P.T., Fugl J. Precision manufacturing methods of inserts for injection molding of microfluidic systems. – www.aspe.net/publications/Spring_2005/05SPAbs/Bissacco-1676.pdf
Watson M.W.L., Abdelgawad M., Ye G. et al. Microcontact Printing-Based Fabrication of Digital Microfluidic Devices. – Analytical Chemistry, v.78, №22, p.7877–7885 (web.cecs.pdx.edu/~prasads/Soft%20Litho-Problem2.pdf)
Zhang B., Dong Q., Korman C.E. et al. Flexible packaging of solid-state integrated circuit chips with elastomeric microfluidics. – www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3551231/
Отзывы читателей
