Polimerowe Lab-on-a-Chip

Polimerowe Lab-on-a-Chip

Wykład„Funkcjonalne Materiały Polimerowe”

2006/2007

Miniaturyzacja

µlmlJednorazowe urządzenia

System modułowy

korpus

nośnik

meandermikropompy

podłoże z mikrokanalikami

optycznydetektor

próbka

czujniki

kalibracja

System warstwowy

IDEA:Miniaturyzacja

iintegracja

wszystkich etapów analizy

w jednym urządzeniu

Materiały do wytwarzania mikrostruktur

Krzem

Szkło

Polimetakrylan

Poliwęglan

Poli(dimetylosiloksan) (PDMS)

PDMS - poly(dimethylsiloxane)

transparent

stable from – 50 to + 200°C

chemically neutral

low cost

simple technology

easy binding with other

materials

Własności PDMS

Elastomer

Możliwość odwzorowania kształtu

z dokładnością 0.1um

Dobry izolator elektryczny

Korzystne własności optyczne, n=1.43

Własności PDMS

200 400 600 800 1000

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

PDMS "nowy" PDMS "stary"

Abs

orba

ncja

Długośc fa li [nm]

Polimerowe elementy mikroukładów analitycznych – technologia PDMS

forma z "negatywem"

mikrokanału

usunięcie formy

polimeryzacja

płaska płytka PDMS

grawerowanie

laserowe

grawerowanie

laserowe

grawerowanie

laserowe

prepolimer odczynnik sieciujący

Grawerowanie laserowe

Etapy procesu:

Projekt mikrokanału (AutoCAD, COREL)

Optymalizacja parametrów grawerowania

Grawerowanie mikrokanału

Czyszczenie struktury

Polimerowe elementy mikroukładów analitycznych – mikrokanały

150 µmmikrokanały

płytka PDMS

Polimerowe LabChip - technologia PDMS

maska fotorezyst naświetlanie

lampa Hg

wywołanieformausunięcie PDMS

bonding

Spin coating

Polimerowe LabChip - bonding PDMS

plazma tlenowa

Ostateczna struktura mikroprzepływowa

płaska płytka PDMSpłytka PDMS z mikrokanałem

plazma tlenowa

Ostateczna struktura mikroprzepływowa

płaska płytka PDMS

plazma tlenowa

Ostateczna struktura mikroprzepływowa

płaska płytka PDMSpłytka PDMS z mikrokanałem

15

Polimerowe LabChip - technologia PDMS

Polimerowe LabChip - bonding PDMS

Si Si Si

Si Si Si

O O

O O

O OPDMS

PDMS

Możliwość łączenia różnych materiałów

PDMS można łączyć z:

PDMS-em

Szkłem

Krzemem

Azotkiem krzemu

Innymi polimerami

Modyfikacje powierzchni PDMS

Chemiczna modyfikacjaAPTS – 3-aminopropyl triethoxysilane

110°

niemodyfikowany PDMS

86°

PDMS po modyfikacji(10% APTS, 80°C, 2h)

Modifications of PDMS surface

Electroless Ag/Au deposition

Polimerowe elementy mikroukładów analitycznych – technologia PDMS

prepolimer zw. sieciujący

mieszanina dopolimeryzacji

10 1

gładka płytkaPDMS

forma z wypukłymwzorem kanałów

laserowegrawerowanie

usunięcieformy

plazma O2, bonding

trwale zamkniętastruktura PDMS/PDMS

21

Polimerowe LabChip - technologia PDMS

Polymer platform Lab-on-a-Chip

70 mm

PolimeroweLab-on-a-Chip

Miniaturowe detektory polimerowe

PolimeroweLab-on-a-Chip

Miniaturowe detektory polimerowe

Wykład„Funkcjonalne Materiały Polimerowe”

2006/2007

Światłowód włóknisty

Moc optyczna

transmitowanan1 n2pokrycie

rdzeńzanikająca

płaszcz

Sprzęgacz światłowodowy

rdzeń

Moc optyczna

zanikająca

transmitowana

Światłowodowy sprzęgacz chemiczny

Moc optyczna

Światłowodowy sprzęgacz chemiczny

Moc optycznainlet outlet

inputoutput

Światłowodowy sprzęgacz chemicznyukład pomiarowy

LabVIEW

outlet

LED

peristaltic pump

sample

optical fibre optical fibrespectrometermicrofluidic

structure

LabVIEW

outlet

LEDLED

peristaltic pump

sample

optical fibre optical fibrespectrometermicrofluidic

structure

Światłowodowy sprzęgacz chemicznyoznaczanie glukozy

0 5 10 15 20 25 30 35 400,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1,0

1,1

air

water

40 % glucose

water

air

Sig

nal/a

.u.

Time/min0 10 20 30 40

0,75

0,80

0,85

0,90

0,95

1,00

Sig

nal/a

.u.

Concentration (%)

concentration: increase decrease

Mikrodetektory polimerowe- etapy technologii PULL OUT

• montaż rurki w formie• zalanie formy ciekłą mieszaniną PDMS• sieciowanie polimeru

Mikrodetektory polimerowe- etapy technologii PULL OUT

• usunięcie rurki z bloku PDMS• wyjęcie usieciowanego polimeru z formy

Mikrodetektory polimerowe- etapy technologii PULL OUT

• wykonanie otworów wlotowych• montaż króćców

Mikrodetektory polimerowe- etapy technologii PULL OUT

• montaż światłowodów

światłowody PMMA

MINIATUROWY MODUŁDETEKTORA

światłowód 1

światłowód 2

światłowód 3

obj.4 ml

pomiar fluorescencjiświatłowód 1 i 3

pomiar absorbancjiświatłowód 1 i 2

obj. 7,5 µl obj. 0,75 µl

Fluorescencyjne oznaczanie chininy

0 10 20 30 40

0

2

4

6

8

10

12

14

16

0.0 µg/ml

0.1 µg/ml

1 µg/ml

2.5 µg/ml

5 µg/ml

7.5 µg/ml

10 µg/mlFl

oure

scen

ce in

tens

ity [c

ps]

Time [min]

0 2 4 6 8 10

Concentration [µg/ml]

λex= 350 nm

λem= 450 nm

Polimerowe Lab-on-a-Chip

mikrotechnologie polimerowe

Polimerowe Lab-on-a-Chip

mikrotechnologie polimerowe

Wykład„Funkcjonalne Materiały Polimerowe”

2006/2007

Fotolitografia

Fotorezyst SU-8 50 opis procesu (1AD/50):

Podłoże – płytka szklana (szkło borokrzemowe), średnica 50 mm, grubość 1.1 mmGrubość warstwy fotorezystu – 50 µm

1. Czyszczenie podłożaa. myjka ultradźwiękowa: stężony H2SO4, czas 30 min lub H2SO4 + H2O2b. płukanie: woda dejonizowanac. suszenie: azot

2. Dehydratacja a. hotplate: 200 oC, czas: 5 minb. ochłodzić do temperatury pokojowej

3. Spin coatinga. objętość SU8: 3 mlb. obroty: 500 rpm (przyspieszenie 100 rpm/s), czas łącznie z przyspieszaniem: 10 s c. obroty: 2000 rpm (przyspieszenie 300 rpm/s), czas łącznie z przyspieszaniem: 30 s

Fotolitografia

4. Soft bakea. włączona hotplate: 65 oC, czas: 6 minb. hotplate: 95 oC, czas: 20 minc. wyłączyć hotplate, ochłodzić do temperatury pokojowej

5. Naświetlaniea. i-linia (365 nm), energia: 200 mJ/cm2, czas: 90 s

6. Post exposure bakea. włączona hotplate: 65 oC, czas: 3 minb. hotplate: 95 oC, czas: 10 minc. wyłączyć hotplate, ochłodzić do temperatury pokojowej

7. Wywoływaniea. wywoływacz Microchem, czas: 6 min, roztwór powinien być mieszany

8. Obróbka końcowaa. płytkę przemyć alkoholem izopropylowym a następnie wodą destylowanąb. suszenie w delikatnym strumieniu powietrza

POLIMERY FOTOREAKTYWNE

- Żywice ulegające sieciowaniu pod wpływem promieniowania

(farby drukarskie, fotorezysty negatywne, stereolitografia,produkcja dysków wizyjnych CD)

- Polimery ulegające degradacji

(rezysty pozytywne)

- Polimery ulegające izomeryzacji

(efekty fotochromowe, wskaźniki fototermiczne, nieliniowe materiały optyczne, zapis informacji)

- Układy polimerowe generujące ładunek elektryczny

PODSTAWY FOTOLITOGRAFII

rezyst

substratpokrywanie

Zapis przez maskę lub bezpośredniekspozycja

wywołanie Polimer jest usuwanyz miejsc naświetlonych

fotorezystynp. drukowanie

chipówprzekazanie wzoru

żywice fotoutwardzalnenp. drukowanie

pozytyw negatyw

Polimer pozostajew miejscach naświetlonych

etap trawienie

usunięcie rezystu

REZYSTY POZYTYWOWEWZROST ROZPUSZCZALNOŚCI PO NAŚWIETLENIU

OH

CH2O H+/H2O

OH

CH2

ON2

R

R

C

O

R

COOH

R

COO

O

R

+ N2

H2O

Chinone diazide (DNQ)Oleofilowy, inhibitor rozpuszczania

hν

Ketocarbon

Przegrupowanie Wolffa

H2O, pH 12-13

Wywołanie

Keten

Indene carbonic acidRozpuszczalny w wodnych

roztworach alkalicznychPromotor rozpuszczania

Nowolak

Rezyst pozytywowyŻywica nowolakowa nie zmieniona pod wpływem napromieniowania.

DNQ pełni funkcję inhibitora rozpuszczania lub (po ekspozycji) promotora rozpuszczania.

R=H: używane w druku offsetowym; R=z.B. SO3Ar: używane w mikrolitografii (lampa Hg)

KLASYCZNE ŻYWICE FOTOUTWARDZALNE/REZYSTY NEGATYWOWE (FOTODIMERYZACJA)

Rezyst negatywowy

Kwas cynamonowy przyłączany jest do PVA

Obszary naświetlone stają się nierozpuszczalne na skutek sieciowania

Cykloaddycja [2π+2π]

Problem: potrzeba używania rozpuszczalników organicznych

Absorpcja kwasu cynamonowego bez fotouczulacza 290 nmz fotouczulaczem 360 nm dobre do naświetlania lampą Hg UV

Cl

O

OO

nPVA

OO

OO

hν

Usieciowany, nierozpuszczalny

STEREOLITOGRAFIA

A soft-imprint technique for submicron-scale patterns using a PDMS mold

W.M. Choi, Microel. Engineering, 2004, 178-183

45

Polimerowe LabChip - technologia PDMS

Microcontact printing using a PDMS mold

PDMSpour onPDMS

cure &peel off

stamp

soak with ink

master

gold

monolayer

printing

thiol or thioether inksubstrate

wet etching

Y. Xia, G.M. Whitesides, Angew. Chem. Int. Ed. 1998, 37, 550

47

48

49

Polimerowe LabChip - technologia PDMS

Hot embossing

Hot embossing

Hot embossing

Hot embossing

Hot embossing

Hot embossing

Mikroforma

Injection molding

Lab-on-a-Chip, 2004, p. 27

58

Polimerowe LabChip - technologia PDMS

59

62

63

64

szkło

szkłoszkłoSU

-8

SU-8

SU-8

SU-8

PDMS

PDMS PDMS

Fabrication of carbon microelectrodes with micromolding technique ......

PDMS microchannel (130 µm wide, 100 µm deep, 2 cm long

M.L. Kovarik, Analyst, 129 (2004) 400-405

Fabrication of carbon microelectrodes with micromolding technique ......

Final el. was 6 µm in height

Continuous pumping of fluorescein through the flow channel

M.L. Kovarik, Analyst, 129 (2004) 400-405

Fabrication of carbon microelectrodes with micromolding technique ......

500 µm of catechol, injection volume 500 nLVarying amounts of catechol

M.L. Kovarik, Analyst, 129 (2004) 400-405

Fabrication of carbon microelectrodes with micromolding technique ......

Nafion-coated carbon microelectrode

response of dopamine (100 µm)

response of ascorbic acid (100 µm)

response of ascorbic acid (100 µmusing non-modified electrode

M.L. Kovarik, Analyst, 129 (2004) 400-405

Polimerowe układy analityczne – mikrokanały 100µm, fotorezyst SU-8

szkło

SU-8

szkło

SU-8

szkło

SU-8

PDMS

SU-8

PDMS PDMS

Polyimide and SU-8 microfluidic devices manufactured by heat-depolymerizable

safricicial material technique

PPC – poly(propylene) carbonate, PEC – poly(ethylene) carbonate

Ph. Renaud, LabChip, 2004, 114-120

Polymer membrane formation inside microchannel

Lab-on-a-Chip, 2004, p. 300

Polymer membrane formation inside microchannel

Lab-on-a-Chip, 2004, p. 301

Polimerowe Lab-on-a-Chip

przykłady rozwiązań

Polimerowe Lab-on-a-Chip

przykłady rozwiązań

Wykład„Funkcjonalne Materiały Polimerowe”

2006/2007