PL209455B1 - Sposób wytwarzania planarnych mikrostruktur przepływowych z materiałów polimerowych - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób wytwarzania planarnych mikrostruktur przepływowych z materiałów polimerowych do analizy mediów wieloskładnikowych.

Miniaturowe systemy analityczne do analizy mediów wieloskładnikowych są obecnie jedną z najdynamiczniej rozwijających się dziedzin nowoczesnej chemii analitycznej. W porównaniu z konwencjonalnymi analizatorami, zintegrowane systemy miniaturowe wykazują wiele zalet i nowych możliwości m.in.: niewielkie wymiary, szybkość i wydajność analizy przy niewielkiej ilości analizowanej próbki i minimalnym zużyciu odczynników chemicznych.

Pierwsze konstrukcje zminiaturyzowanych układów analitycznych projektowane były z wykorzystaniem krzemu lub szkła jako materiału do wytwarzania mikrokanałów. Stosowano przy tym techniki głębokiego trawienia dobrze znane z technologii obróbki półprzewodników. Poważną wadą zarówno szkła jak i krzemu jest bardzo wysoki koszt jednostkowy wytworzenia nowej struktury. W związku z tym obecnie coraz częściej mikrostruktury wykonuje się z różnego rodzaju materiałów polimerowych. Jednym z takich materiałów jest poli(dimetylosiloksan) (PDMS).

Podstawowym problemem w opracowaniu mikrostruktury przepływowej jest uzyskanie szczelnego mikrokanału, przez który transportowany będzie analit. Znanych jest kilka metod prowadzących do wytworzenia mikrokanału. Jedną z nich jest technika grawerowania laserowego. Płaskorównoległą płytkę z polidimetylosiloksanu poddaje się obróbce promieniem lasera CO2. W innej technice przygotowuje się odpowiednią formę (tzw. pieczątkę), którą oblewa się ciekłym PDMS-em. Do wytworzenia pieczątki wykorzystuje się fotorezyst grubowarstwowy (SU8) naniesiony na podłoże szklane lub krzemowe. Warstwa fotorezystu jest naświetlana przez maskę odwzorowującą kształt kanału. Po usunięciu nienaświetlonych obszarów na podłożu pozostaje „negatyw mikrokanału. Technologia ta umożliwia uzyskanie głębokości rowków w strukturze polimerowej w zakresie nawet do 100 nm. Końcowym etapem wytworzenia mikrostruktury jest przykrycie mikrorowka płaską płytką polimerową lub szklaną.

Technika grawerowania laserowego charakteryzuje się poważnymi wadami wynikającymi z charakteru oddziaływania promieniowania laserowego z materiałem. Wypalony rowek ma przekrój trójkątny, o głębokości zależnej od mocy i zjustowania lasera, przy czym ściany boczne mikrokanału nie są gładkie. Wprowadzać to może dodatkowe opory przepływu cieczy. Podczas grawerowania laserowego materiał jest usuwany metodą termiczną i przed użyciem z uzyskanego mikrorowka należy usunąć pozostałe zwęglenia i okruchy materiału. Ponadto niedokładności w prowadzeniu wiązki laserowej mogą być przyczyną powstania dodatkowego mikrokanału, co ogranicza zastosowania uzyskanej struktury w praktycznych badaniach chemicznych. Dobór mocy lasera, jego zogniskowania oraz szybkości przesuwania wiązki odbywa się na drodze doświadczalnej - przy każdej zmianie materiału bazowego służącego do wykonania mikrostruktury konieczne są wstępne badania optymalizujące parametry pracy lasera tak, aby uzyskać żądane rozmiary mikrokanału. Cały zestaw do grawerowania laserowego jest bardzo drogi i tylko nieliczne placówki naukowo-badawcze dysponują odpowiednim oprzyrządowaniem.

Znacznie lepsze rezultaty można osiągnąć z wykorzystaniem fotorezystu SU8. Niezwykle istotny jest jednak dobór i przygotowanie odpowiedniego podłoża. Typowa fotolitografia, jaka jest stosowana w tym procesie, może być prowadzona z wykorzystaniem płytek szklanych lub podłoży krzemowych. W przypadku podłoża szklanego o końcowym sukcesie decyduje gatunek szkła. Najlepsze rezultaty osiąga się używając szkło boro-krzemowe. Jeśli płytka szklana, na której jest rozprowadzany fotorezyst, jest z nieodpowiedniego szkła mogą nastąpić odwarstwienia fotorezystu i uszkodzeniu ulega cała pieczątka. W technologii tej, o jakości uzyskanego mikrokanału decyduje maska, przez którą naświetlany jest fotorezyst. Najlepsze efekty daje zastosowanie tzw. maski chromowej (płytki szklanej pokrytej warstwą metalu, na której w procesie elektrolitografii wytworzono odpowiedni wzór). Cały proces fotolitografii, podobnie jak grawerowanie laserowe, jest skomplikowany i wymaga użycia specjalistycznego oprzyrządowania. Tego typu procesy prowadzone są w laboratoriach mikroelektronicznych, które dysponują pomieszczeniami o wysokiej czystości, wirówką do rozprowadzania fotorezystu oraz zestawem do naświetlania z lampą rtęciową o regulowanej energii promieniowania.

Sposób wytwarzania planarnych mikrostruktur przepływowych z materiałów polimerowych według wynalazku stanowi alternatywną technologię wytwarzania mikrostruktur przepływowych. Sposób wytwarzania planarnych mikrostruktur przepływowych z materiałów polimerowych polegający na wykonaniu mikrokanałów na powierzchni płytki z polimeru a następnie uszczelnieniu powstałych mikrokanałów drugą płytką ze szkła, polega na tym, że w formie o płaskim dnie na dnie umieszcza się odPL 209 455 B1 cinki rurek lub prętów metalowych w formie meandra, następnie wlewa się roztwór prepolimeru ze środkiem sieciującym. Po zakończeniu procesu sieciowania odcinki te usuwa się bez uszkodzenia polimeru. Powstała po nich przestrzeń tworzy mikrokanał przepływowy na powierzchni płytki z tworzywa. Mikrokanały następnie uszczelnia się drugą płytką z polimeru lub szkła.

Technologia ta umożliwia uzyskanie kanałów przepływowych o przekroju kołowym o średnicach zależnych od zatapianych a następnie wyciąganych z polimeru rurkach lub prętach metalowych. Podstawową zaletą sposobu według wynalazku jest możliwość taniego i szybkiego wytworzenia mikrokanału o gładkich powierzchniach bocznych, odwzorowujących meandryczny zatapiany kształtownik. Można uzyskać mikrokanały o dowolnym kształcie.

P r z y k ł a d

Na spodzie naczynia o płaskim dnie umieszczono pręt metalowy o średnicy 1 mm ukształtowany w formie meandra. Następnie do naczynia wlano roztwór prepolimeru dimetylosiloksanu ze środkiem sieciującym. Po usieciowaniu polimer usunięto z naczynia. Na powierzchni płytki polimerowej pozostał zatopiony odcinek pręta metalowego, który wyciągnięto z polimeru. Po wyciągnięciu pręta na powierzchni płytki polimerowej utworzony został mikrorowek o średnicy i długości odpowiadającej wymiarom geometrycznym pręta. Mikrorowek tworzył mikrokanał po przykryciu go płaskorównoległą płytką szklaną.

Claims (1)

1. Sposób wytwarzania planarnych mikrostruktur przepływowych z materiałów polimerowych polegający na wykonaniu mikrokanałów na powierzchni płytki z polimeru a następnie uszczelnieniu powstałych mikrokanałów drugą płytką z polimeru lub szkła, znamienny tym, że w formie o płaskim dnie na dnie umieszcza się odcinki rurek lub prętów metalowych w formie meandra, następnie wlewa się roztwór prepolimeru ze środkiem sieciującym a następnie po procesie sieciowania polimeru odcinki te usuwa się.