Luottokortin-kokoinen-mikrofluidisiru, joka on suunniteltu suorittamaan tuhat kemiallista reaktiota verenpistossa, on rakennettu kahdesta kerroksesta läpinäkyvää polymeeriä, joihin on kaiverrettu mikroskooppisia kanavia, jotka ovat ohuempia kuin ihmisen hiukset. Nämä kaksi kerrosta on liitettävä pysyvästi yhdeksi, vuotamattomaksi-rungoksi. Prosessi on herkkä lämpötanssi: pinnat kuumennetaan juuri niiden lasittumislämpötilaan-riittävän pehmeiksi sulautuakseen, mutta eivät tarpeeksi kuumia virtaamaan ja romahtamaan monimutkaisia, nanolitra{6}}mittakaavallisia piirteitä. Kuumennetut levyt, jotka suorittavat tämän liitoksen, ovat hellävaraiset, kuumat raudat, jotka tiivistävät laboratorion pienet nestemäiset väylät---sirulle.
Liimaushaaste polymeerimikrofluidisirujen valmistuksessa
Mikrofluidisirut (laboratorio-on-a--sirulaitteet) valmistetaan polymeereistä, kuten polymetyylimetakrylaatista (PMMA), polykarbonaatista (PC), syklisestä olefiinikopolymeeristä (COC) tai polydimetyylisiloksaanista (PDMS). Valmistusprosessi sisältää:
Mikrokanavakuviointi: Mikroskooppiset kanavat (leveydet 10–200 µm, syvyydet 5–50 µm) luodaan yhdelle tai molemmille polymeerikerroille käyttämällä ruiskupuristusta, kuumakohokuviointia tai laserablaatiota.
Tasaus: Kaksi kuviollista kerrosta (tai kuviollinen kerros ja tasainen peitekerros) on kohdistettu tarkasti siten, että kanavat muodostavat jatkuvia fluidiverkkoja.
Liimaus: Tasaiset kerrokset liitetään pysyvästi yhdeksi vuototiiviiksi{0}}laitteeksi tukkimatta tai vääristämättä herkkiä kanavia.
Liimaus on kriittisin ja haastavin vaihe. Liimoja yleensä vältetään, koska ne voivat imeytyä kanaviin, muuttaa pinnan kemiaa tai liuottaa epäpuhtauksia biologisiin näytteisiin. Liuotinsidonta voi turvottaa polymeeriä ja vääristää kanavan mittoja. Lämpösidonta (kutsutaan myös lämpöfuusioliitokseksi) on suositeltu menetelmä monille polymeerimikrofluidilaitteille, koska se tuottaa puhtaan, optisesti kirkkaan ja kemikaaleja kestävän-tiivisteen käyttämällä vain lämpöä ja painetta.
Polymeerimikrofluidilastujen lämpösidoksella on kuitenkin kapea prosessiikkuna. Lämpötilan on oltava riittävän korkea edistämään polymeeriketjujen diffuusiota rajapinnan poikki luoden vahvan sidoksen, mutta riittävän alhainen estämään viskoosin virtauksen, joka sulkeisi kanavat. Levyn lämpötilan tulee olla tasainen asteen murto-osaan koko lastun alueella (usein 25–100 cm²). Käytettävän paineen on oltava tasainen ja alhainen, jotta vältetään kanavien puristuminen.
Kuinka lämmitetyt levyt mahdollistavat tarkan lämpöliitoksen
Thelämmitetty levypolymeeri mikrofluidinen siruliitosprosessi suoritetaan tarkkuuslämpöpuristimessa. Kohdistetut polymeerikerrokset asetetaan kahden erittäin kiillotetun, yhdensuuntaisen, kuumennetun levyn väliin. Levyt tuodaan yhteen hallitulla voimalla ja lämpötila nostetaan liimauksen asetusarvoon.
Lämpötilan säätö: Lasinsiirtoikkuna
Jokaisella polymeerillä on lasittumislämpötila (Tg) - piste, jossa se muuttuu lasimaisesta, jäykästä tilasta kumimaiseen, pehmennettyyn tilaan. Terminen sidos suoritetaan lämpötilassa, joka on tyypillisesti 5–20 astetta Tg:n yläpuolella, mutta selvästi sulamispisteen (puolikiteisille polymeereille) tai hajoamislämpötilan alapuolella. Tavallisille mikrofluidipolymeereille:
| Polymeeri | Lasin siirtymälämpötila (Tg) | Tyypillinen liimauslämpötila |
|---|---|---|
| PMMA (akryyli) | 105 astetta | 110-120 astetta |
| Polykarbonaatti (PC) | 145 astetta | 150-160 astetta |
| COC (syklinen olefiinikopolymeeri) | 80-140 astetta (laatusuhteesta riippuen) | Tg + 10–15 astetta |
| PS (polystyreeni) | 100 astetta | 105-115 astetta |
Liimausikkuna on kapea. Jos lämpötila on liian alhainen, polymeeriketjut eivät diffundoidu riittävästi, mikä johtaa heikkoon sitoutumiseen ja vuotamiseen. Jos lämpötila on liian korkea, polymeeri pehmenee liikaa ja kohdistettu paine aiheuttaa kanavan seinämien painumisen tai luhistumisen, mikä estää laitteen pysyvästi. Lämmitettyjen levyjen on säilytettävä asetuspiste ±0,5 asteen tarkkuudella tai paremmalla koko levypinnalla.
Lämpötilan tasaisuus: Paikallisen kanavan romahtamisen estäminen
Epätasainen levyn lämpötila- on liimausvirheiden ensisijainen syy. Jopa 2–3 astetta asetusarvon yläpuolella oleva kuuma piste voi aiheuttaa paikallisen kanavan romahtamisen, kun taas saman suuruinen kylmäpiste muodostaa heikon sidoksen, joka vuotaa käytön aikana.
Laadukkaat-lämmitetyt levyt mikrofluidisidosta varten takaavat tasaisen lämpötilan±0,3 astettatai paremmin koko työalueella. Tämä toteutetaan seuraavilla tavoilla:
Monivyöhykelämmitys: Levy on jaettu itsenäisesti ohjattuihin vyöhykkeisiin (esim. 3×3 ristikko), joista jokaisella on oma patruunalämmitin ja lämpöpari.
Korkean-lämmön-johtavuuden materiaalit: Alumiini- tai kuparilevyt tarjoavat erinomaisen lämmönlevityksen, mutta niiden korkea lämpölaajenemiskerroin (CTE) voi aiheuttaa tasaisuusmuutoksia lämpötilan mukaan. Kriittisiä sovelluksia vartenvähän{0}}laajenevia seoksia(esim. Invar®, jonka CTE < 1,5 ppm/aste) taikeramiikka(esim. alumiininitridi tai macor) käytetään. Nämä materiaalit säilyttävät tasaisuuden ja yhdensuuntaisuuden koko lämpötila-alueella.
Aktiivinen reunakompensointi: Levyn reunat menettävät lämpöä nopeammin kuin keskusta. Reunalämmittimet tai itsenäisesti ohjatut reunavyöhykkeet kompensoivat tämän häviön.
Levy on hellävarainen, täydellisen lämmin ja upean litteä käsipari, joka sulkee laboratorion mikroskooppiset suonet-suonet--sirulle murskaamatta ainuttakaan herkkää kapillaaria.
Paineensäätö: Hellävarainen, tasainen ja yhdensuuntainen
Levyjen kohdistaman paineen on oltava:
Matala: Tyypillisesti 0,1–1,0 MPa (15–150 psi), polymeeristä riippuen. Korkeampia paineita ei vaadita lämpöliittämiseen ja lisäävät kanavan romahtamisen riskiä.
Univormu: Levyjen on oltava yhdensuuntaisia muutaman mikrometrin tarkkuudella. Mikä tahansa kallistus keskittää paineen lastun yhteen reunaan, jolloin tämä alue romahtaa, kun taas vastakkainen reuna pysyy kiinnittymättömänä.
Ohjattu jäähdytyksen aikana: Painetta ylläpidetään, kun levyt jäähtyvät, mikä pitää lastun litteänä ja estää vääntymisen differentiaalisen lämpökutistumisen takia.
Puristin on tyypillisesti varustettu tarkkuusvoimaanturilla ja rinnakkaisilla säätömekanismeilla (esim. pallomaiset laakerit tai kiilajärjestelmät). Itse levyt hiotaan ja hiotaan tasaiseksi tai yhtä suuriksi kuin 2 µm työalueen yli.
Pinnan viimeistely ja irrotuskerros
Polymeerin kanssa kosketuksissa olevat levypinnat kiillotetaan peilipintaiseksi (Ra pienempi tai yhtä suuri kuin 0,1 µm), jotta pinnan karheutta ei siirry sirulle. Irrotuskerros on välttämätön, jotta pehmennetty polymeeri ei tartu metallilevyihin. Yleisiä ratkaisuja ovat:
PTFE{0}}pinnoitetut levyt: Ohut, kestävä PTFE- tai PFA-pinnoite levitetään levypinnoille. PTFE:n tarttumaton -ominaisuus mahdollistaa liimatun sirun helpon irrotuksen jäähdytyksen jälkeen.
Julkaise elokuvia: Kertakäyttöinen fluoripolymeerikalvo (esim. FEP- tai PTFE-levy) asetetaan jokaisen levyn ja polymeerisirun väliin. Kalvo vaihdetaan jokaisen liimausjakson jälkeen, mikä varmistaa koskemattoman, kontaminoitumattoman-pinnan.
Ultra-puhtaissa sovelluksissa (esim. lääketieteellinen diagnostiikka) PTFE-pinnoitettuja levyjä suositellaan, koska ne eliminoivat kuluvan irrokekalvon ja siihen liittyvän hiukkasten muodostumisen.
Terminen liimaussykli: askel askeleelta
Koko liimaussykliä valvotaan huolellisesti korkean -tuoton, virheetön-sidoksen saavuttamiseksi.
Vaihe 1: Lataaminen ja tyhjiö
Tasaiset polymeerikerrokset asetetaan levyjen väliin. Levyt suljetaan kevyellä kosketuspaineella (vain tarpeeksi pitämään kerrokset paikoillaan). Levyjä ympäröivä kammio (tai koko puristuskotelo) tyhjennetään tyypillisesti 50–100 Pa (0,5–1,0 mbar) tyhjiöön. Tyhjiö poistaa ilman mikrokanavista ja kahden kerroksen välisestä rajapinnasta.
Prosessihuomautus: Tyhjiöympäristö estää ilmakuplien jäämisen
Mikrokanaviin kiinnittymisen aikana loukkuun jäänyt ilma laajenee kuumennettaessa ja voi joko jäädä kuplana (estää nesteen virtauksen) tai poistua pakottamalla murtumaan pehmennettyyn polymeeriin. Molempia tuloksia ei voida hyväksyä. Siksi mikrofluidisirujen lämpösidonta suoritetaan aina tyhjiössä. Tyhjiö poistaa myös haihtuvat jäännökset polymeerin pinnalta, mikä parantaa sidoslujuutta. Tyhjiö ylläpidetään koko lämmitys-, liotus- ja jäähdytysvaiheen ajan.
Vaihe 2: Lämmitysramppi
Levyt kuumennetaan säädetyllä ramppinopeudella (tyypillisesti 10–30 astetta minuutissa) liimauslämpötilaan. Ramppinopeus valitaan sallimaan polymeerin saavuttaa lämpötasapaino ilman lämpöshokkia. Lämpötilan säätimet ylläpitävät tasaisuutta kaikilla vyöhykkeillä.
Vaihe 3: Liimausliotus
Kun sidoslämpötila on saavutettu, paine nostetaan lopulliseen liimauspaineeseen (0,1-1,0 MPa). Lämpötila pidetään vakiona 1–10 minuutin liotusjakson ajan, mikä mahdollistaa polymeeriketjujen diffuusion rajapinnan yli. Liottumisaika on minimoitu kanavan seinien liiallisen virumisen välttämiseksi.
Vaihe 4: Jäähdytys paineen alla
Liotuksen jälkeen levyt jäähdytetään (tyypillisesti kierrättämällä vettä tai paineilmaa sisäisten jäähdytyskanavien kautta) samalla kun täysi sidospaine säilyy. Jäähdytysnopeutta säädetään (tyypillisesti 10–20 astetta minuutissa) lämpörasituksen ja vääntymisen estämiseksi. Kun lämpötila laskee alle polymeerin Tg:n (tyypillisesti 50–70 astetta), paine vapautetaan, tyhjiö tuuletetaan ja sidottu lastu poistetaan. Siru on nyt yksi, monoliittinen laite, jossa on täysin suljetut mikromittakaavaiset kanavat.
Tekninen tarkkuus: Materiaalin valinta levyille
Lämpötilan tasaisuuden ja tasaisuuden vaativat vaatimukset ohjaavat levymateriaalien valintaa. Tavalliset työkaluteräs- tai alumiinilevyt läpikäyvät merkittävän lämpölaajenemisen (CTE 12–23 ppm/aste). 20 astetta 150 asteeseen lämmitetty 100 mm levy laajenee 0,15-0,35 mm, mikä voidaan kompensoida suunnittelulla. Ongelmallisempaa on kuitenkin tasaisuuden muutos: lämmitetyn pinnan ja viileämmän takapinnan välinen laajenemisero voi saada levyn taipumaan (bimetallivaikutus).
Mikrofluidisidosta varten levyt valmistetaan usein:
Invar 36(rauta-nikkeliseos, CTE ≈ 1,2 ppm/aste ): Säilyttää lähes -vakiot mitat yli lämpötilan. Käytetään korkean-tarkkuuden, kohtalaisen-lämpötilan liimaukseen (jopa 200 astetta). Korkeat materiaalikustannukset.
Super Invar(rauta-nikkeli-koboltti, CTE ≈ 0,5 ppm/aste ): Vielä pienempi laajeneminen, mutta kalliimpi ja vaikeampi työstää.
Keramiikka (alumiinioksidi, alumiininitridi, Macor): Matala CTE (4–8 ppm/aste), korkea kovuus, erinomainen lämmönjohtavuus (alumiininitridille). Macor on koneistettavaa lasi-keramiikkaa. Keramiikka on hauras ja vaatii huolellista käsittelyä.
Matala-laajenemisteräs (esim. H13-työkaluteräs): Pienemmille tarkkuusvaatimuksille paksu teräslevy aktiivisella monivyöhykeohjauksella voi saavuttaa hyväksyttävän tasaisuuden.
Useimmissa tuotannon mikrofluidisissa liimauksissa suositeltavina ovat Invar- tai alumiininitridikeramiikkalevyt, joissa on PTFE-pinnoite.
Johtopäätös: Mikroskooppisten nestemäisten valtateiden sulkeminen
Kuumennettu levy on tarkka, hellävarainen lämpötyökalu, joka yhdistää mikrofluidisirun monimutkaisen, mikroskooppisen maailman, prosessin, joka vaatii äärimmäistä lämpötilan tasaisuutta ja paineen hallintaa. Kuumentamalla polymeerikerrokset tarkasti niiden lasittumislämpötilan yläpuolelle -tyypillisesti 50–150 astetta ±0,3 asteen tasaisesti-levyt pehmentävät pintoja riittävästi polymeeriketjujen välistä diffuusiota varten samalla kun ne kohdistavat lempeän, tasaisen paineen, joka estää nanolitran -mittakaavakanavien romahtamisen. Tyhjiöympäristö estää ilmakuplien sisään jäämistä, kun taas vähän -laajenevat materiaalit (Invar tai keraamiset) ja PTFE-irrokepinnoitteet varmistavat tasaisuuden ja tarttumattoman toiminnan. Tuloksena on täydellisesti tiivis, optisesti kirkas, täysin toimiva laboratorio-sirulla-.
Lääketieteellisen diagnostiikan tulevaisuus on sinetöity täysin tasaisella, lämpimällä levyllä. Jokaisessa-hoitotestissä, jossa verinäyte ajetaan mikroskooppisen kanavien sokkelon läpi, sidos, joka pitää labyrintin koossa, muodostui kuumennetusta levystä-, joka on hiljainen, tarkka ja lempeä lämpökäsipari.
