Mjuk litografiskt förfarande för att producera plast mikroflödessystem enheter med Visa-portar Transparent för synligt och infrarött ljus
Summary
Ett protokoll för tillverkning av plast mikroflödessystem enheter med transparent vy-portar för synligt och infrarött ljus avbildning beskrivs.
Abstract
Infraröd (IR) spectro-mikroskopi av levande biologiska prover hämmas av att absorptionen av vatten i intervallet mitten-IR och av bristen på lämplig mikroflödessystem enheter. Här demonstreras ett protokoll för tillverkning av plast mikroflödessystem enheter, där mjuka litografiska tekniker används för att bädda in transparent kalciumfluorid (CaF2) Visa-portar i samband med observation chamber(s). Metoden är baserad på en replika gjutning strategi, där ett Polydimetylsiloxan (PDMS) mögel produceras genom litografiska standardförfaranden och används sedan som mall för att producera en plast enhet. Plast enheten har Ultraviolett/synligt/infraröda (UV/Vis/IR) – transparenta fönster gjorda av CaF2 för direkt observation med synliga och IR ljus. Fördelarna med den föreslagna metoden är: ett minskat behov för åtkomst till en anläggning för mikro-tillverkning av rena rum, flera Visa-portar, en lätt och mångsidig anslutning till en extern pumpsystemets genom plast kroppen, flexibiliteten i utformningen, t.ex. , öppen/stängd kanaler konfiguration och möjlighet att lägga till sofistikerade funktioner såsom nanoporösa membran.
Introduction
Fourier Transform infraröd Spectro-mikroskopi (FTIR) har använts flitigt som en etikett-fri och icke-invasiv imaging teknik att ge detaljerad kemisk information av ett urval. Detta möjliggör utvinning av biokemiska information att studera kemi av biologiska prover, med ett minimum av förberedelser eftersom absorptionsspektrum av exemplaret bär inneboende fingeravtryck på dess kemiska sammansättning1 , 2. nyligen, FTIR alltmer kopplats till studiet av levande biologiska prover, t.ex., celler3. Vatten, vilket är mediet för levande celler i de flesta fall, visar dock en stark absorbansen i regionen mid-IR. Även som ett tunt skikt, kan dess närvaro helt överväldiga den viktiga strukturella informationen av exemplar.
Under många år var den gemensamma strategin fastställande eller torkning prover för att helt utesluta vatten absorption signalen i spektrumet. Dock tillåter detta tillvägagångssätt inte realtid mätningar på levande celler, vilket är viktigt att studera förändringen av deras kemiska sammansättning och cellulära processer med tiden. Ett sätt att erhålla tillförlitlig Absorptionsspektra från levande biologiska prover, är att begränsa den totala optiska ljuspassagelängden medium för IR-strålen till mindre än 10 µm4.
En väl etablerad metod i levande cell experiment har varit hittills, försvagade Total reflektion (ATR)-FTIR imaging, som möjliggör mätningar oberoende av provets tjocklek, vilket gör att cellerna att upprätthållas i ett tjockare lager av vattenhaltigt medium. Dock begränsar små djup penetration av flyktig wave mätningar av prover till endast de första några mikrometer från ytan av ATR crystal5.
Alternativt, vatten absorption begränsningen har kringgåtts med uppkomsten av olika mikroflödessystem system, som delas generellt in i två stora grupper: Öppna kanalen (där en av vätska ytorna utsätts för atmosfären) och stängd kanal (där två IR-genomskinliga fönster är åtskilda med ett mellanlägg med en definierad tjocklek).
Loutherback et al. utvecklat en öppna-kanal membran enhet som möjliggör lång sikt kontinuerliga IR mätningar av levande celler för upp till 7 dagar6. Metoden kräver hög luftfuktighet i miljön för att förhindra avdunstning av medium från cellytan. Systemet fungerar bäst med celler som växer naturligt på luft-vätska gränssnitt, till exempel epitelial vävnader i hud, lunga, och ögon, eller mikrobiell biofilmer7.
En stängd-kanal konfiguration syftar till att skapa en enhetlig, tunna lager mellan två parallella IR-transparenta fönster, där cellerna bibehålls i sin vattenmedium. Tjockleken på denna hålighet är sådan att vatten absorption signalen är nedanför mättnad. Vatten bakgrund kan sedan subtraheras för att få den rätta prov spectra. De flesta av stängd-kanal metoder använda en Plastdistans separera de två fönstren för att bilda en demonterbar vätskekammaren3,8,9. En fördel med denna metod är att det inte kräver mikrofabrikation; strukturer som är mer komplex än en mätkammaren med in – och ut – let kanaler är dock mycket svårt att realisera i tunn mellanlägget. Det finns också ett problem med reproducerbarheten av sökvägen längd mellan IR mätningar på grund av beroendet av mekanisk fastspänning. För att uppnå en mer exakt kontroll av avståndet för en mer tillförlitlig spektrum förvärv, har optisk litografi metoder genomförts till mönster fotoresist ovanpå IR substratet att definiera de spacer9,10 , 11 , 12. även om detta gör det möjligt för mer komplexa strukturer definieras i distansen, metoden kräver tillgång till en mikrofabrikation anläggning för att producera mönstret på varje substrat.
I detta papper presentera vi en enkel fabrication teknik av en IR-kompatibel mikroflödessystem enhet, med syftet att minska tillverkning kosta och kravet på att öppna en mikrofabrikation anläggning. Metoden presenteras här (se figur 1) använder en etablerad process som kallas mjuka litografi. Två formar krävs i detta fall. Den primära formen är tillverkad av en 4-tums kisel wafer med en standard UV litografi process. Sekundära mögel är dess replik av PDMS, som har en polvändning av mönstret i silicon primära mögel och fungerar som master mögel för efterföljande enhet fabrication.
Enheten har två separata lager: en första lagret med mikroflödessystem layout (som i presenterade fall består av mikrofabricerade kanalen, i-låt/out-låt och en observation kammare med en CaF2 vyport) och ett andra lager med en plan yta ( som består av endast en CaF2 vyport).
Här används en UV-härdande optiska adhesiv Norland optiska självhäftande 73 (NOA73, förkortat NOA hädanefter), att bilda plast huvuddelen av enheten. Det finns flera fördelar med att använda detta optiska bindemedel: låg fabrication kostnad, enkel anslutning till externa system, bra optisk transparens, låg viskositet och viktigast av allt, biokompatibilitet13. CaF2 är ett lämpligt val som visningsområdet på grund av dess biokompatibilitet och utmärkt IR-öppenhet14.
Med detta nya tillvägagångssätt krävs tillgång till en mikrofabrikation anläggning strikt endast för tillverkning av primära mögel. Efterföljande tillverkning processer för plast mikroflödessystem enheten kan utföras i ett laboratorium som är utrustad med en UV-belysning källa.
Protocol
Representative Results
Discussion
För att bedöma och optimera fabrication protokollet, vi använde en enkel layout för mikroflödessystem mönster med en stor rektangulär kammare (5 x 2,5 mm storlek) på center, två små rektangulära kammare (5,5 x 0,75 mm storlek) separeras från den stora kretsen på den övre och nedre sidorna och 300 µm breda i-låt/ut-let kanaler. Den centrala kammaren används för odling och observation av cellerna, medan de två separerade mindre kammarna används för att mäta luft bakgrunden under FTIR experiment som en…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Författarna erkänner tacksamt MBI ekonomiskt stöd.
Materials
| 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 |
Referências
- Holman, H. -. Y. N., et al. Synchrotron infrared spectromicroscopy as a novel bioanalytical microprobe for individual living cells: cytotoxicity considerations. BIOMEDO. 7 (3), 417-424 (2002).
- Liu, K. Z., Xu, M., Scott, D. A. Biomolecular characterisation of leucocytes by infrared spectroscopy. Br J Haematol. 136 (5), 713-722 (2007).
- Moss, D. A., Keese, M., Pepperkok, R. IR microspectroscopy of live cells. Vibrational Spectroscopy. 38 (1-2), 185-191 (2005).
- Rahmelow, K., Hubner, W. Infrared Spectroscopy in Aqueous Solution: Difficulties and Accuracy of Water Subtraction. Appl Spectrosc. 51 (2), 160-170 (1997).
- Kazarian, S. G., Chan, K. L. ATR-FTIR spectroscopic imaging: recent advances and applications to biological systems. Analyst. 138 (7), 1940-1951 (2013).
- Loutherback, K., Chen, L., Holman, H. Y. Open-channel microfluidic membrane device for long-term FT-IR spectromicroscopy of live adherent cells. Anal Chem. 87 (9), 4601-4606 (2015).
- Loutherback, K., Birarda, G., Chen, L., Holman, H. -. Y. Microfluidic approaches to synchrotron radiation-based Fourier transform infrared (SR-FTIR) spectral microscopy of living biosystems. Protein Pept Lett. 23 (3), 273-282 (2016).
- Dousseau, F., Therrien, M., Pézolet, M. On the Spectral Subtraction of Water from the FT-IR Spectra of Aqueous Solutions of Proteins. Appl Spectrosc. 43 (3), 538-542 (1989).
- Tobin, M. J., et al. FTIR spectroscopy of single live cells in aqueous media by synchrotron IR microscopy using microfabricated sample holders. Vibrational Spectroscopy. 53 (1), 34-38 (2010).
- Birarda, G., et al. Infrared microspectroscopy of biochemical response of living cells in microfabricated devices. Vibrational Spectroscopy. 53 (1), 6-11 (2010).
- Vaccari, L., Birarda, G., Businaro, L., Pacor, S., Grenci, G. Infrared microspectroscopy of live cells in microfluidic devices (MD-IRMS): toward a powerful label-free cell-based assay. Anal Chem. 84 (11), 4768-4775 (2012).
- Mitri, E., et al. SU-8 bonding protocol for the fabrication of microfluidic devices dedicated to FTIR microspectroscopy of live cells. Lab Chip. 14 (1), 210-218 (2014).
- Birarda, G., et al. IR-Live: fabrication of a low-cost plastic microfluidic device for infrared spectromicroscopy of living cells. Lab Chip. 16 (9), 1644-1651 (2016).
- Wehbe, K., Filik, J., Frogley, M. D., Cinque, G. The effect of optical substrates on micro-FTIR analysis of single mammalian cells. Anal Bioanal Chem. 405 (4), 1311-1324 (2013).
- Helmut, S., et al. Controlled co-evaporation of silanes for nanoimprint stamps. Nanotechnology. 16 (5), 171 (2005).
- Loewen, E. G., Popov, E. . Diffraction Gratings and Applications. , (1997).
- . Technical Note: Optical Materials Available from: https://www.newport.com/n/optical-materials (2017)
- Cai, D., Neyer, A., Kuckuk, R., Heise, H. M. Raman, mid-infrared, near-infrared and ultraviolet-visible spectroscopy of PDMS silicone rubber for characterization of polymer optical waveguide materials. J Mol Struc. 976 (1-3), 274-281 (2010).
