2. Измерение профиля каналов микрофлюидных чипов полученных разными методами

С целью изучения влияния технологических погрешностей, возникающих при изготовлении МФЧ, на его аналитические характеристики были проведены измерения профилей каналов микрофлюидных чипов для электрофоретического разделения пробы, полученных методом лазерной абляции поверхности полимера, а также методом фотолитографии и кислотного травления стеклянной подложки.

На рис. 17 представлены изображения сечения каналов стеклянно-кремниевого МФЧ, полученные с помощью микроскопа Carl Zeiss Axio Observer D1.

Рис. 17. Изображения сечения каналов стеклянно-кремниевого МФЧ

(Микроскоп Carl Zeiss Axio Observer D1), полученного методом фотолитографии и травления.

Изображения свидетельствуют о симметричности профиля сечения каналов. Предположив, что длина дозируемого участка составляет 200 мкм, что является вполне обоснованным, если используются варианты электрокинетического дозирования (электроосмотические потоки), то основываясь на полученных размерах каналов, можно провести расчет погрешности дозируемой пробы. Для данного чипа объем дозируемой пробы составляет (178,8±7,6)∙10^-6 мм³, то есть максимальная погрешность дозирования – порядка 8%. Т.к. на погрешность дозирования, связанной с площадью сечения, влияет отклонение глубины и ширины канала, то также необходимо оценить эти величины. Полученное значение глубины канала составляет (28±1)∙10^-3 мм. Размеры нижнего и верхнего оснований трапеции - (11,1±1,3)∙10^-3 мм и (51,9±0,8)∙10^-3 мм соответственно. На основании этих результатов можно сделать вывод, что изготовления стеклянно-кремниевого МФЧ методом фотолитографии и травления дает хорошо воспроизводимые значения размеров каналов с приемлемой точностью для выполнения аналитических действий с пробой.

На рис. 18 представлены изображения сечения каналов полимерного (ПММА) МФЧ, полученные с помощью микроскопа Carl Zeiss Axio Observer D1. Были определены размеры каналов полимерного МФЧ, сформированные методом лазерной абляции: глубина канала (272,1±9,8)∙10^-3 мм, ширина – (233,5±2,6)∙10^-3 мм. Если предположить, что длина дозируемого участка также составляет 200 мкм, то можно вычислить объем вводимой пробы: (6,4±0,2)∙10^-9 мм³, то есть максимальная погрешность дозирования – порядка 8%.

Таким образом, применение метода лазерной абляции для формирования структур приводит к аналогичной погрешности дозирования. В данном случае глубина каналов воспроизводится с более существенным разбросом размеров.

.

Рис. 18. Изображения сечения каналов полимерного (ПММА) МФЧ

(Микроскоп Carl Zeiss Axio Observer D1), полученного методом лазерной абляции.

3. Измерения контактных углов после физической обработки поверхности

Для реализации различных процессов на базе МФЧ (например, разделение пробы) требуются оптимальные свойства смачиваемости поверхности для конкретного случая. Получить необходимые свойства образцов можно путем их модификации различной физической обработкой: ультрафиолетовое излучение (высокоэнергетическое воздействие), плазменная обработка, нанесение покрытий (Au).

Наиболее важной особенностью процесса плазмохимической модификации полимерных материалов является то, что изменениям подвергается только обрабатываемая поверхность материала и очень тонкий приповерхностный слой. Основная же масса полимера не изменяется, сохраняя механические, физико-химические и электрофизические свойства модифицируемого материала.

Как правило, улучшение адгезионных свойств полимеров под воздействием плазмы связано не только с очисткой поверхности от различного рода загрязнений, но и с образованием гидрофильных групп различной химической природы, обеспечивающих высокие адгезионные свойства модифицированных поверхностей. Состав, структура и свойства таких полярных групп зависят как от природы полимера, так и от свойств плазмы и природы плазмообразующего газа. Если в качестве рабочего газа плазмы используется кислород или воздух, то на поверхности полимера образуются кислородсодержащие полярные группы (карбонильные, спиртовые, перекисные, простые и сложные эфирные, лактонные и т.п.). В случае применения аммиака или его смесей с водородом на поверхности возникают азотсодержащие группы (амино–, амидо–, имидо–, имино– и т.п.). Воздействие разряда в атмосфере инертных газов приводит к образованию активных свободных радикалов, которые на воздухе превращаются в гидроперекисные и перекисные, а затем – в стабильные кислородсодержащие полярные группы.

Процессы плазмохимической модификации полимеров осуществляют с использованием низкотемпературной плазмы, т.е. температура рабочего газа составляет примерно 300 К. Используют низкочастотные разряды (частота от 50 Гц), высокочастотные разряды (в основном,13.56 МГц) и СВЧ–разряды (обычно 2.45 ГГц), а также разряд постоянного тока. Активными в процессе модификации компонентами плазмы могут быть электроны, ионы, возбужденные атомы и молекулы, а также вакуумное ультрафиолетовое излучение. При модификации в плазме возможно протекание ряда физико-химических процессов, природа которых в значительной степени зависит как от состава газовой фазы разряда, так и от структуры и состава обрабатываемого полимера. Это, во-первых, травление поверхности, приводящее к разрушению поверхностного слоя и удалению образующихся при этом газообразных продуктов. Скорость травления зависит как от вида газа, в атмосфере которого оно проводится, так и от структуры и свойств полимера. Во-вторых, это окисление поверхностного слоя полимеров в плазме воздуха и кислорода, которое наблюдается для очень широкого круга полимерных материалов; оно приводит к гидрофилизации за счет образования полярных кислородсодержащих групп, существенно изменяющих энергетические свойства поверхности. Возникновение полярных групп под действием плазмы возможно и за счет разрыва связей в специфической структуре полимера, а также путем включения в его состав характерных групп или атомов из газовой фазы плазмы. Разряд в атмосфере инертных газов и воздуха может приводить к сшиванию поверхностного слоя для ряда полимерных материалов, изменяя его диффузионные характеристики.

При разработке новых технологий плазмохимической модификации выбирают вид разряда и тщательно определяют оптимальные условия его воздействия с целью получения у модифицируемого полимера необходимых характеристик. При переходе от лабораторных исследований к промышленному процессу эти данные оптимизируют и отрабатывают применительно к конкретной используемой установке.

В данном эксперименте изучались свойства смачиваемости образцов ПК и ПММА без модификации и после плазменной обработки и напыления слоя золота. С помощью цифрового USB микроскопа Prima Expert были получены фотографии капель. А использование специализированного ПО позволило измерить контактные углы. На подложку, предварительно очищенную в воде ультразвуком и высушенную, наносились капли воды объемом 20 микролитров. Проводилось по 8 измерений для каждого образца. На рис. 19 представлены результаты углов смачиваемости без обработки, сразу после воздействия плазмы, спустя 1 и 2 часа.

Модификация поверхности образцов плазмой в среде Ar показывает, что в стабильном состоянии система находится спустя 1 час после обработки, о чем свидетельствуют равные значения углов контакта.

Рис. 19. Гистограмма, иллюстрирующая величины контактных углов смачивания при взаимодействии с водой образцов после плазменной обработки в среде Ar (30 с).

Другим способом модификации поверхности образцов является нанесение слоя золота. В данном случае исследовались подложки: стекло К8, ПК, ПММА. На рис. 20 представлены результаты измерений углов смачиваемости без обработки, после напыления слоя Au 21 нм, 30 нм.

Рис. 20. Гистограмма, иллюстрирующая величины контактных углов смачивания при взаимодействии с водой образцов после напыления слоя золота (21 и 30 нм).

Напыления слоя золота толщиной в 21 нм не влияет на значение угла смачивания для ПК. Стекло меняет свои свойства на более гидрофобные. А ПММА приобретает меньший контактный угол.

При нанесении 30 нм слоя Au стекло также становится более гидрофобным. В случае с ПММА изменений не происходит. Для ПК происходит небольшое увеличения угла контакта.