הליך ליטוגרפית רך לייצור מכשירים Microfluidic פלסטיק עם יציאות תצוגה שקוף לאור גלויים ולא אינפרא-אדום
Summary
פרוטוקול עבור הזיוף של התקנים microfluidic פלסטיק עם תצוגה שקוף-יציאות עבור הדמיה אור גלוי, אינפרא-אדום מתואר.
Abstract
אינפרא-אדום (IR) ספקטרו-מיקרוסקופיה של דגימות ביולוגיות החיים היא הקשו את הספיגה של המים בטווח אמצע-IR ועל ידי חוסר התקנים מתאימים microfluidic. כאן, הוכח פרוטוקול על הזיוף של התקני פלסטיק microfluidic, שבו שיטות ליטוגרפיה רך משמשים להטבעת שקוף סידן פלואורי (CaF2) תצוגה-יציאות בקשר תצפית chamber(s). השיטה מבוססת על הגישה הליהוק של עותק משוכפל, כאשר תבנית polydimethylsiloxane (PDMS) הוא מיוצר באמצעות הליכים ליטוגרפית סטנדרטיים ו ואז להשתמש בו כתבנית כדי לייצר התקן פלסטיק. המכשיר מפלסטיק כולל אולטרה סגול/גלויה/אינפרא-אדום (UV/מול/IR) – בחלונות שקופים גלוי של CaF2 כדי לאפשר התבוננות ישירה עם ואור אינפרא-אדום. היתרונות של השיטה המוצעת כוללים: צורך מופחת גישה מתקן מיקרו-ייצור בחדר נקי, נוף-ביציאות מרובות, חיבור קל ופסיביות למערכת השאיבה חיצוני דרך הגוף פלסטיק, הגמישות של העיצוב, למשל , פתוח/סגור ערוצים, ותצורה של אפשרות להוסיף תכונות מתוחכמות כגון ממברנות nanoporous.
Introduction
אינפרא אדום צורה פורייה ספקטרו-מיקרוסקופ (FTIR) יש כבר מנוצל בהרחבה כמו טכניקה הדמיה לא פולשנית, ללא תווית לספק מידע מפורט כימי של מדגם. דבר זה מאפשר הפקת מידע ביוכימי כדי ללמוד את הכימיה של דגימות ביולוגיות, עם כמות מינימלית של הכנה מאז ספקטרום הבליעה של הדגימה נושא מהותי טביעות אצבעות של ההרכב הכימי שלה1 , 2. לאחרונה, FTIR יותר ויותר הוחל במחקר של דגימות ביולוגיות בשידור חי, למשל, תאים3. עם זאת, המים, המהווה האמצעי עבור תאים חיים ברוב המקרים, מראה של ספיגת חזקה באזור אמצע-IR. אפילו בתור שכבה דקה, נוכחותו יכול להציף לחלוטין את המידע המבני החשוב של דגימות.
במשך שנים רבות, הגישה הנפוצה היה תיקון או ייבוש דגימות לשלול לחלוטין את האות ספיגת מים בספקטרום. עם זאת, גישה זו אינה מאפשרת למדידות בזמן אמת על תאים חיים, שהוא חיוני ללמוד את השינוי של ההרכב הכימי שלהם תהליכים תאיים עם הזמן. דרך אחת להשיג אמין ספקטרום הבליעה של דגימות ביולוגיות בשידור חי, היא להגביל את אורך נתיב אופטי הכולל במדיום של קרן IR פחות מ- 10 מיקרומטר4.
בגישה ומבוססת חי ניסויים התא היה כה, השתקפות הכולל הקלוש (ATR)-FTIR הדמיה, אשר מאפשרת מדידות עצמאי של העובי לדוגמה, המאפשר לתאים להתקיים בשכבה עבה של מדיום מימית. עם זאת, עומק החדירה של הגל evanescent קטן מגבילה מדידות של דגימות רק מיקרונים אחדים הראשון מפני השטח של קריסטל ATR5.
לחלופין, יש כבר עקפו המגבלה ספיגת מים עם הופעתה של מערכות microfluidic שונים, אשר מסווגים בדרך כלל שתי קבוצות גדולות: ערוץ (איפה אחת של נוזל משטחים חשופים האווירה) פתוחות וסגורות ערוץ (ובו שני חלונות שקופים IR מופרדים באמצעות כרווח עם עובי מוגדר).
. Loutherback et al. פיתחה מכשיר ערוץ פתוח ממברנה המאפשרת זמן לטווח רציף IR מדידות של תאים חיים עד 7 ימים6. השיטה מחייבת לחות גבוהה בסביבה כדי למנוע אידוי של המדיום מפני השטח של התא. המערכת פועלת באופן הטוב ביותר עם תאים שגדלים באופן טבעי-ממשקי אוויר נוזלי, כגון רקמות אפיתל של העור, הריאות, ואת העיניים או חיידקים פתוגנים המועברים במזון7.
תצורה בערוץ סגור שואפת ליצור שכבה אחידה, דק בין שני חלונות שקופים IR מקביל, שבו תאים נשמרים בתקשורת מימית שלהם. העובי של חלל זה הוא האות ספיגת מים הוא מתחת רוויה. רקע מים ואז ניתן להפחית להשגת ספקטרום המדגם הנכון. רוב השיטות בערוץ סגור לנצל כרווח פלסטיק להפריד את שני חלונות כדי ליצור תא נוזלי מתקפל3,8,9. היתרון בשיטה זו הוא כי הוא אינו דורש מיקרו-מלאכותית; עם זאת, מבנים מורכבים יותר מאשר תא מדידה עם ערוצים, – ו -out – let קשים מאוד להבין, מרווח דק. יש גם בעיה עם הפארמצבטית אורך הנתיב בין מדידות IR בשל הסתמכותו על מחבר חובק למעקה מכני. על מנת להשיג שליטה מדויקת יותר של המרווח עבור רכישת אמין יותר הספקטרום, ליתוגרפיה אופטי שיטות יושמו במטרה דפוס photoresist על גבי המצע IR כדי להגדיר את מרווח9,10 , 11 , 12. אף-על-פי זה עושה את זה אפשרי עבור מבנים מורכבים יותר להגדיר את מרווח, השיטה דורשת גישה למתקן מיקרו-מלאכותית כדי לייצר את התבנית על כל המצע.
בנייר זה, אנו מציגים טכניקה פשוטה פבריקציה נוספת של התקן התואם ל- IR microfluidic, ועם במטרה להפחית את ייצור עלתה הדרישה של גישה מתקן מיקרו-מלאכותית. השיטה המוצגת כאן שימושים (ראה איור 1) תהליך הוקמה המכונה ליתוגרפיה רך. שתי תבניות נדרשות במקרה זה. כייר הראשי עשוי רקיק 4 אינץ סיליקון באמצעות תהליך רגיל של ליתוגרפיה UV. כייר המשני הוא משוכפל שלה עשוי PDMS, אשר יש של קוטביות הפוכה של התבנית כייר העיקרי סיליקון ומשמש, התבנית בסיס ייצור ההתקן הבאים.
למכשיר יש שתי שכבות נפרדות: שכבה ראשונה עם הפריסה microfluidic (אשר במקרה הציג מורכב של התעלה microfluidic, ב- / out תרשה תא תצפית עם אשנב2 CaF), שכבה נוספת עם (משטח שטוח אשר מורכב רק אשנב2 CaF).
כאן דבק אופטי UV-לריפוי, Norland אופטי דבק 73 (NOA73, באופן מקוצר כנועה מעתה ואילך), משמש כדי ליצור את הגוף פלסטיק העיקרי של המכשיר. ישנם מספר יתרונות של שימוש זה דבק אופטי: עלות ייצור נמוכה, קלות קישוריות עם מערכות חיצוניות, שקיפות אופטית טובה, צמיגות נמוכה, והכי חשוב, הביו13. CaF2 היא בחירה מתאימה כמו האשנב בשל התאימות שלה IR-שקיפות מעולה14.
עם גישה חדשה זו, גישה למתקן מיקרו-מלאכותית נדרשת אך ורק רק הזיוף של העובש העיקרי. תהליכי ייצור עוקבות עבור ההתקן microfluidic פלסטיק יכול להתבצע במעבדה כל מצויד עם מקור UV-תאורה.
Protocol
Representative Results
Discussion
על מנת להעריך ולמטב את פרוטוקול פבריקציה נוספת, השתמשנו פריסה פשוטה את דפוס microfluidic עם חדר מלבני גדול (5 מ”מ x 2.5 מ”מ גודל) במרכז, שני תאים מלבני קטן (גודל 5.5 מ”מ x 0.75 מ”מ) הופרדו המעגל הראשי על הצדדים עליון ותחתון, ועד 300 מיקרומטר רחב בתן/out-let ערוצים. החדר המרכזי משמש את זריעה, תצפית של התאים, בעוד הת?…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
המחברים להכיר בהכרת תודה תמיכה כספית MBI.
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).
