Ċippa mikrofluwidika ta' daqs-karta-ta' kreditu, iddisinjata biex twettaq elf reazzjoni kimika fuq pikk ta' demm, hija mibnija minn żewġ saffi ta' polimeru trasparenti, imnaqqxa b'kanali mikroskopiċi irqaq minn xagħar uman. Dawn iż-żewġ saffi għandhom ikunu magħqudin b'mod permanenti f'korp wieħed mingħajr tnixxija-. Il-proċess huwa żfin termali delikat: l-uċuħ jissaħħnu biss għat-temperatura tat-transizzjoni tal-ħġieġ tagħhom-artab biżżejjed biex jingħaqdu, iżda mhux sħan biżżejjed biex jiċċirkolaw u jikkollassaw il-karatteristiċi kkomplikati ta' skala nanolitru-. Il-platens imsaħħna li jwettqu dan it-twaħħil huma l-mogħdija ġentili u sħan li jissiġillaw l-awtostradi likwidi minuskoli tal-laboratorju-fuq--ċippa.
L-Isfida tat-Tgħaqqid fil-Manifattura taċ-Ċippa Microfluidic Polimer
Ċipep mikrofluwidi (laboratorju-fuq-a-apparat taċ-ċippa) huma fabbrikati minn polimeri bħal polymethyl methacrylate (PMMA), polikarbonat (PC), cyclic olefin copolymer (COC), jew polydimethylsiloxane (PDMS). Il-proċess tal-manifattura jinvolvi:
Disinn ta' mikrokanali: Kanali mikroskopiċi (wisgħat ta '10–200 µm, fond ta' 5–50 µm) huma maħluqa fuq saffi polimeru wieħed jew iż-żewġ saffi bl-użu ta 'molding ta' injezzjoni, intaljar bis-sħana jew ablazzjoni bil-lejżer.
Allinjament: Iż-żewġ saffi disinji (jew saff disinjat u saff ta 'kopertura ċatta) huma allinjati b'mod preċiż sabiex il-kanali jiffurmaw netwerks fluwidi kontinwi.
Twaħħil: Is-saffi allinjati huma magħqudin b'mod permanenti f'apparat wieħed li jagħlaq-mingħajr ma jagħlqu jew jgħawġu l-kanali delikati.
It-twaħħil huwa l-aktar pass kritiku u ta’ sfida. L-adeżivi huma ġeneralment evitati minħabba li jistgħu wick fil-kanali, ibiddlu l-kimika tal-wiċċ, jew lissi kontaminanti f'kampjuni bijoloġiċi. It-twaħħil tas-solvent jista 'jitfa' l-polimeru u jgħawweġ id-dimensjonijiet tal-kanal. It-twaħħil termali (imsejjaħ ukoll it-twaħħil tal-fużjoni termali) huwa l-metodu preferut għal ħafna apparati mikrofluwidi tal-polimer minħabba li jipproduċi siġill nadif, ottikament ċar u reżistenti għall-kimika-bl-użu biss tas-sħana u l-pressjoni.
Madankollu, it-twaħħil termali taċ-ċipep mikrofluwidi tal-polimeru għandu tieqa tal-proċess dejqa. It-temperatura għandha tkun għolja biżżejjed biex tippromwovi interdiffusion tal-ktajjen tal-polimer madwar l-interface, u toħloq rabta qawwija, iżda baxxa biżżejjed biex tevita fluss viskuż li jagħlaq il-kanali. It-temperatura tal-platen għandha tkun uniformi sa frazzjoni ta' grad tul iż-żona kollha taċ-ċippa (spiss 25–100 cm²). Il-pressjoni applikata għandha tkun uniformi u baxxa biex tevita t-tgħaffiġ tal-kanali.
Kif il-Platens Imsaħħna Jippermettu Twaħħil Termali ta 'Preċiżjoni
Il-it-twaħħil taċ-ċippa microfluidic tal-polimeru tal-platen imsaħħanproċess jitwettaq fi pressa termali ta 'preċiżjoni. Is-saffi tal-polimeru allinjati huma mqiegħda bejn żewġ platens msaħħan, paralleli u illustrati ħafna. Il-platens jinġiebu flimkien taħt forza kkontrollata, u t-temperatura titla' sal-punt tas-sett tat-twaħħil.
Kontroll tat-Temperatura: It-Tieqa tat-Tranżizzjoni tal-Ħġieġ
Kull polimeru għandu temperatura ta' transizzjoni tal-ħġieġ (Tg) - il-punt li fih tinbidel minn stat tal-ħġieġ u riġidu għal stat tal-gomma u mrattab. It-twaħħil termali jitwettaq f'temperatura tipikament 5-20 grad 'il fuq mit-Tg, iżda sew taħt il-punt tat-tidwib (għall-polimeri semikristallini) jew it-temperatura tad-dekompożizzjoni. Għal polimeri mikrofluwidiċi komuni:
| Polimeru | Temperatura ta' Transizzjoni tal-Ħġieġ (Tg) | Temperatura Tipika tat-Tgħaqqid |
|---|---|---|
| PMMA (akriliku) | 105 grad | 110-120 grad |
| Polikarbonat (PC) | 145 grad | 150-160 grad |
| COC (kopolimeru olefin ċikliku) | 80–140 grad (dipendenti mill-grad) | Tg + 10–15-il grad |
| PS (polistirene) | 100 grad | 105–115 grad |
It-tieqa tat-twaħħil hija dejqa. Jekk it-temperatura tkun baxxa wisq, il-ktajjen tal-polimeru ma jinxterdux biżżejjed, u dan jirriżulta f'twaħħil dgħajjef u tnixxijiet. Jekk it-temperatura tkun għolja wisq, il-polimeru jirtab b'mod eċċessiv, u l-pressjoni applikata tikkawża li l-ħitan tal-kanal jinżlu jew kollass, u b'mod permanenti jimblokka l-apparat. Il-platens imsaħħna għandhom iżommu s-setpoint bi preċiżjoni ta' ±0.5 grad jew aħjar fuq il-wiċċ kollu tal-platen.
Uniformità tat-Temperatura: Prevenzjoni tal-Kollass tal-Kanal Lokali
Temperatura tal-platen mhux-uniformi hija l-kawża ewlenija tad-difetti tat-twaħħil. Post sħun ta 'anke 2-3 gradi 'l fuq mill-punt tas-sett jista' jikkawża kollass tal-kanal lokalizzat, filwaqt li post kiesaħ tal-istess kobor jipproduċi rabta dgħajfa li se tnixxi waqt it-tħaddim.
Platens imsaħħna ta' kwalità-għoli għal twaħħil mikrofluwidi jiksbu uniformità tat-temperatura ta '± 0.3 gradjew aħjar madwar iż-żona tax-xogħol. Dan jitwettaq permezz ta’:
Tisħin b'ħafna -żoni: Il-platen huwa maqsum f'żoni kkontrollati b'mod indipendenti (eż., grilja 3 × 3), kull waħda bil-heater tal-iskartoċċ u t-termokoppja tagħha stess.
Materjali ta' konduttività-termali-għoli: Il-platens ta 'l-aluminju jew tar-ram joffru tixrid eċċellenti tas-sħana, iżda l-koeffiċjent għoli ta' espansjoni termali tagħhom (CTE) jista 'jikkawża bidliet ta' flatness mat-temperatura. Għal applikazzjonijiet kritiċi,ligi ta'-espansjoni baxxa(eż., Invar® b'CTE < 1.5 ppm/ grad ) jewċeramika(eż., nitrur tal-aluminju jew macor) huma użati. Dawn il-materjali jżommu l-flatness u l-paralleliżmu tagħhom fil-firxa kollha tat-temperatura.
Kumpens tarf attiv: It-truf tal-platen jitilfu s-sħana aktar malajr miċ-ċentru. Ħiters tat-tarf jew żoni tat-tarf ikkontrollati b'mod indipendenti jikkumpensaw għal dan it-telf.
Il-platen huwa par ta' idejn ġentili, sħan perfettament, u exquisitely ċatti, li jissiġillaw il-vini mikroskopiċi tal-laboratorju-fuq--ċippa mingħajr ma tfarrak kapillari wieħed u fraġli.
Kontroll tal-Pressjoni: Ġentili, Uniformi, u Parallel
Il-pressjoni applikata mill-platens għandha tkun:
Baxx: Tipikament 0.1–1.0 MPa (15–150 psi), skont il-polimeru. Pressjonijiet ogħla mhumiex meħtieġa għat-twaħħil termali u jżidu r-riskju ta 'kollass tal-kanal.
Uniformi: Il-platens għandhom ikunu paralleli għal fi ftit mikrometri. Kwalunkwe tilt tikkonċentra l-pressjoni fuq tarf wieħed taċ-ċippa, u tikkawża li dik iż-żona tikkollassa filwaqt li t-tarf oppost jibqa 'mhux marbut.
Ikkontrollat waqt it-tkessiħ: Il-pressjoni tinżamm hekk kif il-platens jitkessħu, iżżomm iċ-ċippa ċatta u tevita t-tgħawwiġ minħabba kontrazzjoni termali differenzjali.
L-istampa hija tipikament mgħammra bi transducer tal-forza ta 'preċiżjoni u mekkaniżmi ta' aġġustament paralleli (eż., berings sferiċi jew sistemi ta 'feles). Il-platens infushom huma mitħunin u magħquda għal flatness ta' Inqas minn jew ugwali għal 2 µm fuq iż-żona tax-xogħol.
Finish tal-wiċċ u Saff tar-Rilaxx
L-uċuħ tal-platen f'kuntatt mal-polimeru huma illustrati għal finitura mera (Ra Inqas minn jew ugwali għal 0.1 µm) biex jiġi evitat it-trasferiment tal-ħruxija tal-wiċċ għaċ-ċippa. Saff ta 'rilaxx huwa essenzjali biex jipprevjeni li l-polimeru imrattab milli jeħel mal-platens tal-metall. Soluzzjonijiet komuni jinkludu:
PTFE-platens miksija: Kisja rqiqa u durabbli ta 'PTFE jew PFA hija applikata fuq l-uċuħ tal-platen. Il-proprjetà li ma twaħħalx-PTFE tippermetti li ċ-ċippa magħquda titneħħa faċilment wara t-tkessiħ.
Ħruġ films: Film tal-fluworopolimeru li jintremew (eż. folja FEP jew PTFE) jitqiegħed bejn kull platen u ċ-ċippa polimeru. Il-film jinbidel wara kull ċiklu ta' twaħħil, u jiżgura wiċċ verġni u ħieles mill-kontaminazzjoni-.
Għal applikazzjonijiet ultra-nodfa (eż., dijanjostiċi mediċi), il-platens miksija b'PTFE- huma preferuti minħabba li jeliminaw il-film li joħroġ konsumabbli u l-ġenerazzjoni tal-partiċelli assoċjati.
Iċ-Ċiklu tat-Tgħaqqid Termali: Pass pass
Iċ-ċiklu komplet tat-twaħħil huwa kkontrollat bir-reqqa biex jinkiseb bond ta'-rendiment għoli, mingħajr difetti-.
Pass 1: Tagħbija u Vakwu
Is-saffi tal-polimeru allinjati huma mqiegħda bejn il-platens. Il-platens huma magħluqa għal pressjoni ta 'kuntatt ħafifa (biss biżżejjed biex iżommu s-saffi f'posthom). Il-kamra ta' madwar il-platens (jew l-egħluq kollu tal-istampa) tiġi evakwata għal vakwu ta' tipikament 50–100 Pa (0.5–1.0 mbar). Il-vakwu jneħħi l-arja mill-mikrokanali u mill-interface bejn iż-żewġ saffi.
Nota tal-Proċess: Ambjent tal-vakwu biex jipprevjeni l-bżieżaq tal-arja maqbuda
L-arja maqbuda fil-mikrokanali waqt it-twaħħil tespandi meta tissaħħan u tista 'jew tibqa' bħala bużżieqa (imblukkar tal-fluss tal-fluwidu) jew taħrab billi tisforza qsim fil-polimeru imrattab. Iż-żewġ riżultati huma inaċċettabbli. Għalhekk, it-twaħħil termali taċ-ċipep mikrofluwidi dejjem isir taħt vakwu. Il-vakwu jneħħi wkoll ir-residwi volatili mill-wiċċ tal-polimeru, u jtejjeb is-saħħa tal-irbit. Il-vakwu jinżamm matul il-fażijiet tat-tisħin, tat-tixrib u tat-tkessiħ.
Pass 2: Rampa tat-Tisħin
Il-platens jissaħħnu b'rata ta' rampa kkontrollata (tipikament 10-30 grad kull minuta) għat-temperatura tat-twaħħil. Ir-rata tar-rampa hija magħżula biex tippermetti lill-polimeru jilħaq ekwilibriju termali mingħajr xokk termali. Il-kontrolluri tat-temperatura jżommu l-uniformità fiż-żoni kollha.
Pass 3: Bonding Xarrab
Ladarba tintlaħaq it-temperatura tat-twaħħil, il-pressjoni tiżdied għall-pressjoni finali tat-twaħħil (0.1-1.0 MPa). It-temperatura tinżamm kostanti għal perjodu ta 'tixrib ta' 1-10 minuti, li tippermetti interdiffużjoni tal-katina tal-polimeru madwar l-interface. Il-ħin tat-tixrib huwa minimizzat biex jiġi evitat it-tkaxkir eċċessiv tal-ħitan tal-kanal.
Pass 4: Tkessiħ Taħt Pressjoni
Wara t-tixrib, il-platens jitkessħu (tipikament billi jiċċirkolaw l-ilma jew l-arja kkompressata permezz ta 'kanali ta' tkessiħ interni) filwaqt li tinżamm il-pressjoni sħiħa tat-twaħħil. Ir-rata tat-tkessiħ hija kkontrollata (tipikament 10-20 grad kull minuta) biex tevita stress termali u warping. Meta t-temperatura taqa 'taħt it-Tg tal-polimeru (tipikament 50-70 grad), il-pressjoni tiġi rilaxxata, il-vakwu jiġi ventilat, u ċ-ċippa magħquda titneħħa. Iċ-ċippa issa hija apparat wieħed u monolitiku b'kanali ta 'mikroskala kompletament issiġillati.
Preċiżjoni Teknika: Għażla tal-Materjal għal Platens
Ir-rekwiżiti eżiġenti tal-uniformità tat-temperatura u l-flatness imexxu l-għażla tal-materjali tal-platen. L-azzar tal-għodda standard jew il-platens tal-aluminju jgħaddu minn espansjoni termali sinifikanti (CTE ta '12-23 ppm / grad). Platen ta '100 mm imsaħħan minn 20 grad sa 150 grad jespandi b'0.15–0.35 mm, li jista' jiġi kkumpensat bid-disinn. Madankollu, aktar problematika hija l-bidla fil-flatness: espansjoni differenzjali bejn il-wiċċ imsaħħan u l-wiċċ ta 'wara li jkessaħ tista' tikkawża li l-platen jitbaxxa (effett bimetalliku).
Għal twaħħil mikrofluwidiku, il-platens ħafna drabi huma magħmula minn:
Invar 36(ħadid-liga tan-nikil, CTE ≈ 1.2 ppm/ grad ): Iżomm dimensjonijiet qrib-kostanti fuq it-temperatura. Użat għal rbit ta'-preċiżjoni għolja,-temperatura moderata (sa 200 grad). Spiża għolja tal-materjal.
Super Invar(ħadid-nikil-kobalt, CTE ≈ 0.5 ppm/ grad ): Espansjoni saħansitra aktar baxxa, iżda aktar għalja u aktar diffiċli għall-magni.
Ċeramika (alumina, nitrur tal-aluminju, Macor): CTE baxx (4–8 ppm/ grad), ebusija għolja, konduttività termali eċċellenti (għal nitrur tal-aluminju). Macor huwa taċ-ċeramika tal-ħġieġ-maċinabbli. Iċ-ċeramika hija fraġli u teħtieġ immaniġġjar bir-reqqa.
Azzar ta'-espansjoni baxxa (eż., azzar tal-għodda H13): Għal rekwiżiti ta 'preċiżjoni aktar baxxa, platen tal-azzar oħxon b'kontroll attiv ta' multi-żona jista 'jikseb uniformità aċċettabbli.
Għall-biċċa l-kbira tat-twaħħil mikrofluwidi tal-produzzjoni, Invar jew platens taċ-ċeramika tan-nitrur tal-aluminju b'kisja PTFE huma l-għażliet preferuti.
Konklużjoni: Issiġillar tal-Awtostradi Likwidu Mikroskopiku
Il-platen imsaħħan huwa l-għodda termali ta 'preċiżjoni u ġentili li tgħaqqad id-dinja kkomplikata u mikroskopika ta' ċippa mikrofluwidika, proċess li jeħtieġ l-aqwa fl-uniformità tat-temperatura u l-kontroll tal-pressjoni. Billi jsaħħnu s-saffi tal-polimeru għal punt preċiż eżatt fuq it-temperatura tagħhom ta' transizzjoni tal-ħġieġ-tipikament 50-150 grad b'uniformità ta' ±0.3 grad-il-platens ittaffi l-uċuħ biżżejjed għall-interdiffużjoni tal-katina tal-polimeru filwaqt li tapplika pressjoni ġentili u uniformi li tevita li l-kanali tan-nanolitri{6} jiġu mġarrfa. L-ambjent tal-vakwu jipprevjeni l-bżieżaq ta 'l-arja maqbuda, filwaqt li materjali ta' espansjoni baxxa{-(Invar jew taċ-ċeramika) u kisjiet ta 'rilaxx ta' PTFE jiżguraw flatness u tħaddim li ma twaħħalx. Ir-riżultat huwa ssiġillat perfettament, ottikament ċar, laboratorju kompletament funzjonali-fuq-ċippa-.
Il-futur tad-dijanjostika medika huwa ssiġillat minn pjanċa perfettament ċatta u sħuna. F'kull punt-ta'-test tal-kura li jgħaddi kampjun tad-demm minn labirint mikroskopiku ta' kanali, ir-rabta li żżomm dak il-labirint flimkien ġiet ssawwar minn platen imsaħħan-par ta' idejn termali siekta, preċiża u ġentili.
