Kredit{0}}karta-oʻlchamli mikrosuyuqlik chipi qonning tiqilishida minglab kimyoviy reaksiyalarni amalga oshirishga moʻljallangan boʻlib, inson sochidan ham yupqaroq mikroskopik kanallar bilan oʻyilgan shaffof polimerning ikki qatlamidan qurilgan. Bu ikki qatlam doimiy ravishda bitta, oqish-bo'sh tanaga yopishtirilgan bo'lishi kerak. Jarayon nozik termal raqsdir: yuzalar shisha o'tish haroratiga qadar qizdiriladi-birlashadigan darajada yumshoq, lekin nanolitr{6}}o'lchovli murakkab xususiyatlarni oqishi va yiqitishi uchun etarlicha issiq emas. Bu bog'lanishni amalga oshiradigan qizdirilgan plastinkalar yumshoq, issiq dazmollar bo'lib, ular mikrosxemadagi-laboratoriyaning mayda suyuq yo'llarini-yopib qo'yadi.
Polimer mikrosuyuqlik chiplarini ishlab chiqarishda bog'lanish muammosi
Mikrosuyuq chiplar (chip qurilmalaridagi laboratoriya---chip qurilmalari) polimetil metakrilat (PMMA), polikarbonat (PC), siklik olefin kopolimeri (COC) yoki polidimetilsiloksan (PDMS) kabi polimerlardan ishlab chiqariladi. Ishlab chiqarish jarayoni quyidagilarni o'z ichiga oladi:
Mikrokanal naqshlari: Mikroskopik kanallar (kengligi 10–200 mkm, chuqurligi 5–50 mkm) bir yoki ikkala polimer qatlamida inyeksion kalıplama, issiq bo‘rttirma yoki lazer ablasyon yordamida yaratiladi.
Hizalama: Ikki naqshli qatlam (yoki naqshli qatlam va tekis qoplama qatlami) kanallar uzluksiz suyuqlik tarmoqlarini hosil qilish uchun aniq hizalanadi.
Bog'lanish: Hizalangan qatlamlar nozik kanallarni to'sib qo'ymasdan yoki buzib tashlamasdan-doimiy ravishda bitta, oqish o'tkazmaydigan qurilmaga birlashtiriladi.
Bog'lanish eng muhim va qiyin bosqichdir. Odatda yopishtiruvchi moddalardan qochish kerak, chunki ular kanallarga singib ketishi, sirt kimyosini o'zgartirishi yoki ifloslantiruvchi moddalarni biologik namunalarga yuvishi mumkin. Solvent bilan bog'lanish polimerni shishishi va kanal o'lchamlarini buzishi mumkin. Termal bog'lash (shuningdek, termal termoyadroviy bog'lanish deb ataladi) ko'plab polimer mikrosuyuqlik qurilmalari uchun afzal qilingan usuldir, chunki u faqat issiqlik va bosim yordamida toza, optik jihatdan tiniq va kimyoviy{3}}bardoshli muhr hosil qiladi.
Shu bilan birga, polimer mikrofluidik chiplarining termal bog'lanishi tor jarayon oynasiga ega. Harorat polimer zanjirlarining interfeys bo'ylab interdiffuziyasini rag'batlantirish, kuchli bog'lanishni yaratish uchun etarlicha yuqori bo'lishi kerak, ammo kanallarni yopadigan yopishqoq oqimning oldini olish uchun etarlicha past bo'lishi kerak. Plastinaning harorati butun chip maydoni bo'ylab (ko'pincha 25-100 sm²) bir darajaning bir qismiga teng bo'lishi kerak. Kanallarni ezib tashlamaslik uchun qo'llaniladigan bosim bir xil va past bo'lishi kerak.
Qanday qilib isitiladigan plitalar nozik termal bog'lanishni ta'minlaydi
Theisitiladigan plastinka polimer mikrofluidik chip bilan bog'lashjarayon nozik termal pressda amalga oshiriladi. Hizalangan polimer qatlamlari ikkita yuqori silliqlangan, parallel, qizdirilgan plastinka orasiga joylashtiriladi. Plitalar boshqariladigan kuch ostida birlashtiriladi va harorat ulanish nuqtasiga ko'tariladi.
Haroratni nazorat qilish: Shisha o'tish oynasi
Har bir polimer shishasimon, qattiq holatdan rezina, yumshatilgan holatga o'tadigan nuqtada shisha o'tish haroratiga (Tg) - ega. Termal bog'lanish odatda Tg dan 5-20 daraja yuqori haroratda, lekin erish nuqtasidan (yarim kristalli polimerlar uchun) yoki parchalanish haroratidan ancha pastda amalga oshiriladi. Umumiy mikrosuyuq polimerlar uchun:
| Polimer | Shisha o'tish harorati (Tg) | Odatda ulanish harorati |
|---|---|---|
| PMMA (akril) | 105 daraja | 110-120 daraja |
| Polikarbonat (kompyuter) | 145 daraja | 150-160 daraja |
| COC (siklik olefin kopolimeri) | 80-140 daraja (sinfga bog'liq) | Tg + 10–15 daraja |
| PS (polistirol) | 100 daraja | 105-115 daraja |
Bog'lanish oynasi tor. Agar harorat juda past bo'lsa, polimer zanjirlari etarlicha o'zaro ta'sir qilmaydi, natijada zaif bog'lanish va oqish paydo bo'ladi. Agar harorat juda yuqori bo'lsa, polimer haddan tashqari yumshaydi va qo'llaniladigan bosim kanal devorlarining cho'kishi yoki qulashiga olib keladi, bu esa qurilmani doimiy ravishda blokirovka qiladi. Isitilgan plastinkalar belgilangan nuqtani butun plastinka yuzasi bo'ylab ± 0,5 daraja yoki undan yuqori aniqlikda ushlab turishi kerak.
Haroratning bir xilligi: Mahalliy kanalning qulashini oldini olish
Bog'lanish nuqsonlarining asosiy sababi-bir tekis bo'lmagan plastinka haroratidir. Belgilangan qiymatdan hatto 2-3 daraja yuqori bo'lgan issiq nuqta mahalliy kanalning qulashiga olib kelishi mumkin, bir xil kattalikdagi sovuq nuqta esa ish paytida oqadigan zaif bog'lanish hosil qiladi.
Mikrosuyuqlik bilan bog'lanish uchun yuqori-sifatli isitiladigan plastinkalar haroratning bir xilligiga erishadi± 0,3 darajayoki ish joyi bo'ylab yaxshiroq. Bunga quyidagilar orqali erishiladi:
Ko'p zonali isitish.-: Plitalar mustaqil ravishda boshqariladigan zonalarga bo'lingan (masalan, 3×3 panjara), har birida o'z kartrijli isitgich va termojuft mavjud.
Yuqori{0}}issiqlik-o‘tkazuvchanlikdagi materiallar: Alyuminiy yoki mis plastinalar mukammal issiqlik tarqalishini ta'minlaydi, ammo ularning yuqori termal kengayish koeffitsienti (CTE) harorat bilan tekislikning o'zgarishiga olib kelishi mumkin. Muhim ilovalar uchun,past-kengaytiruvchi qotishmalar(masalan, CTE < 1,5 ppm/daraja bilan Invar®) yokikeramika(masalan, alyuminiy nitridi yoki makor) ishlatiladi. Ushbu materiallar butun harorat oralig'ida tekisligini va parallelligini saqlaydi.
Faol chekka kompensatsiyasi: Plitaning chetlari markazdan tezroq issiqlikni yo'qotadi. Chet isitgichlar yoki mustaqil ravishda boshqariladigan chekka zonalar bu yo'qotishni qoplaydi.
Plastinka yumshoq, juda issiq va ajoyib tekis qo'l bo'lib, bitta, mo'rt kapillyarni ezib tashlamasdan, laboratoriyaning mikroskopik tomirlarini{0}}chipga-yopib qo'yadi.
Bosim nazorati: yumshoq, bir xil va parallel
Plitalar tomonidan qo'llaniladigan bosim quyidagicha bo'lishi kerak:
Past: Odatda polimerga qarab 0,1–1,0 MPa (15–150 psi). Issiqlik bilan bog'lanish uchun yuqori bosim talab qilinmaydi va kanalning qulashi xavfini oshiradi.
Uniforma: Plitalar bir necha mikrometrga parallel bo'lishi kerak. Har qanday egilish chipning bir chetiga bosimni to'playdi, bu esa bu maydonning yiqilib ketishiga olib keladi, qarama-qarshi tomoni esa bog'lanmagan bo'lib qoladi.
Sovutish paytida nazorat qilinadi: Plitalar sovutilganda bosim saqlanib qoladi, chipni tekis ushlab turadi va differensial termal qisqarish tufayli burilishni oldini oladi.
Matbuot odatda aniq kuch o'tkazgich va parallel sozlash mexanizmlari (masalan, sferik podshipniklar yoki takoz tizimlari) bilan jihozlangan. Plitalarning o'zlari maydalanadi va ish maydoni bo'ylab 2 mkm dan kam yoki unga teng tekislikka tortiladi.
Yuzaki tugatish va bo'shatish qatlami
Polimer bilan aloqada bo'lgan plastinalar sirt pürüzlülüğünü chipga o'tkazmaslik uchun oynaga (Ra 0,1 mkm dan kam yoki unga teng) silliqlanadi. Bo'shatish qatlami yumshatilgan polimerning metall plitalarga yopishib qolishiga yo'l qo'ymaslik uchun zarurdir. Umumiy yechimlarga quyidagilar kiradi:
PTFE{0}}qoplamali plastinkalar: Plastinka yuzalariga yupqa, bardoshli PTFE yoki PFA qoplamasi qo'llaniladi. PTFE ning yopishmaslik xususiyati -birlashtirilgan chipni sovutgandan keyin osongina olib tashlash imkonini beradi.
Filmlarni chiqarish: Har bir plastinka va polimer chipi orasiga bir martalik ftorpolimer plyonka (masalan, FEP yoki PTFE varaq) qo'yiladi. Har bir yopishtirish siklidan keyin plyonka almashtiriladi, bu toza, ifloslanishdan xoli-yuzani ta'minlaydi.
Ultra{0}}toza ilovalar (masalan, tibbiy diagnostika) uchun PTFE{3}}qoplangan plastinkalar afzalroqdir, chunki ular sarflanadigan plyonka va tegishli zarrachalar hosil bo‘lishini yo‘q qiladi.
Termal bog'lanish aylanishi: bosqichma-bosqich
Yuqori{0}}hosil, nuqsonsiz-bog'lanishga erishish uchun to'liq bog'lanish sikli diqqat bilan nazorat qilinadi.
1-qadam: Yuklash va vakuum
Hizalangan polimer qatlamlari plitalar orasiga joylashtiriladi. Plitalar engil aloqa bosimiga yopiladi (qatlamlarni ushlab turish uchun etarli). Plastinkalarni o'rab turgan kamera (yoki butun matbuot korpusi) odatda 50-100 Pa (0,5-1,0 mbar) vakuumga evakuatsiya qilinadi. Vakuum havoni mikrokanallardan va ikki qatlam orasidagi interfeysdan olib tashlaydi.
Jarayonga eslatma: Havo pufakchalarining oldini olish uchun vakuumli muhit
Bog'lanish paytida mikrokanallarda ushlangan havo qizdirilganda kengayadi va pufakcha bo'lib qolishi (suyuqlik oqimini to'sib qo'yishi) yoki yumshatilgan polimerning yorilishi orqali chiqib ketishi mumkin. Ikkala natija ham qabul qilinishi mumkin emas. Shuning uchun mikrofluidik chiplarning termal bog'lanishi har doim vakuum ostida amalga oshiriladi. Vakuum, shuningdek, polimer yuzasidan uchuvchi qoldiqlarni olib tashlaydi, bu esa bog'lanish mustahkamligini oshiradi. Vakuum isitish, ho'llash va sovutish fazalarida saqlanadi.
2-qadam: isitish rampasi
Plitalar boshqariladigan rampa tezligida (odatda daqiqada 10-30 daraja) bog'lanish haroratiga qadar isitiladi. Rampa tezligi polimerni termal zarbasiz termal muvozanatga erishish uchun tanlanadi. Harorat sozlagichlari barcha zonalarda bir xillikni ta'minlaydi.
3-qadam: yopishtiruvchi ho'llash
Bog'lanish haroratiga erishilgandan so'ng, bosim oxirgi bog'lanish bosimiga (0,1-1,0 MPa) oshiriladi. Harorat 1-10 minut davomida doimiy ravishda ushlab turiladi, bu esa polimer zanjirining interfeys bo'ylab tarqalishiga imkon beradi. Kanal devorlarining haddan tashqari siljishini oldini olish uchun namlash vaqti minimallashtiriladi.
4-qadam: Bosim ostida sovutish
Namlashdan so'ng, plastinkalar sovutiladi (odatda ichki sovutish kanallari orqali aylanma suv yoki siqilgan havo orqali), to'liq bog'lanish bosimi saqlanadi. Sovutish tezligi nazorat qilinadi (odatda daqiqada 10-20 daraja), termal stress va burilishni oldini olish uchun. Harorat polimer Tg dan pastga tushganda (odatda 50-70 daraja), bosim chiqariladi, vakuum chiqariladi va yopishtirilgan chip chiqariladi. Chip endi to'liq muhrlangan, mikro o'lchovli kanallarga ega bo'lgan yagona, monolitik qurilma.
Texnik aniqlik: Plitalar uchun material tanlash
Haroratning bir xilligi va tekisligining talabchan talablari plastinka materiallarini tanlashga yordam beradi. Standart po'lat po'lat yoki alyuminiy plastinalar sezilarli issiqlik kengayishiga uchraydi (CTE 12-23 ppm / daraja). 20 darajadan 150 gradusgacha isitiladigan 100 mm plastinka 0,15-0,35 mm ga kengayadi, bu dizayn bilan qoplanishi mumkin. Biroq, tekislikning o'zgarishi yanada muammoli: qizdirilgan yuz va sovuqroq orqa yuz o'rtasidagi differentsial kengayish plastinkaning egilishiga olib kelishi mumkin (bimetalik effekt).
Mikrofluidik bog'lanish uchun plastinalar ko'pincha quyidagilardan tayyorlanadi:
Invar 36(temir-nikel qotishmasi, CTE ≈ 1,2 ppm/daraja ): Harorat ustidan-doimiy oʻlchamlarga yaqin turadi. Yuqori-aniqlik, oʻrtacha{5}}haroratda (200 darajagacha) bogʻlash uchun ishlatiladi. Yuqori material narxi.
Super Invar(temir-nikel-kobalt, CTE ≈ 0,5 ppm/daraja ): Bundan ham kamroq kengayish, lekin qimmatroq va ishlov berish qiyinroq.
Seramika (alyuminiy oksidi, alyuminiy nitridi, Macor): Past CTE (4–8 ppm/daraja), yuqori qattiqlik, mukammal issiqlik o'tkazuvchanligi (alyuminiy nitridi uchun). Macor ishlov beriladigan shisha{3}}keramika. Seramika mo'rt va ehtiyotkorlik bilan ishlashni talab qiladi.
Kam{0}}kengaytiruvchi po'lat (masalan, H13 asbob po'lati): Kamroq aniqlik talablari uchun faol koʻp zonali boshqaruvga ega qalin poʻlat plastinka maqbul bir xillikka erishishi mumkin.
Ko'pgina ishlab chiqarish mikrofluidik bog'lash uchun PTFE qoplamali Invar yoki alyuminiy nitridli keramik plitalar afzal qilingan tanlovdir.
Xulosa: Mikroskopik suyuqlik magistrallarini muhrlash
Isitilgan plastinka - bu mikrosuyuqlik chipining murakkab, mikroskopik dunyosini birlashtirgan nozik, yumshoq termal asbob bo'lib, bu jarayon haroratning bir xilligi va bosimni nazorat qilishni talab qiladi. Polimer qatlamlarini shisha o'tish haroratidan biroz yuqoriroq aniq nuqtaga qizdirish orqali{1}}odatda ±0,3 daraja bir xillik bilan 50–150 daraja-plitalar polimer zanjiri interdiffuziyasi uchun etarli darajada yumshoq va bir xil bosim o'tkazib, nanolitr kanallarining yiqilishiga yo'l qo'ymaydi{{6}. Vakuum muhiti havo pufakchalari tiqilib qolishining oldini oladi, past{8}}kengaytiruvchi materiallar (Invar yoki keramika) va PTFE qoplamalari esa tekislik va yopishmaslik-ishni ta'minlaydi. Natijada mukammal muhrlangan, optik jihatdan tiniq, chipda-to‘liq ishlaydigan--laboratoriya paydo bo‘ldi.
Tibbiy diagnostikaning kelajagi mukammal tekis, issiq plastinka bilan muhrlangan. Mikroskopik labirint kanallari orqali qon namunasini o'tkazadigan-parvoz tekshiruvining-har bir nuqtasida, bu labirintni bir-biriga bog'lab turuvchi bog'lanish qizdirilgan plastinka-bilan jim, aniq va yumshoq termal qo'llar bilan mustahkamlangan.
