Какву улогу имају грејне плоче у термичком везивању микрофлуидних чипова?

Микрофлуидни чипови за медицинску дијагностику и лабораторију на уређајима са чипом укључују канале који су мањи од ширине људске косе. Праве се топљењем два стакла или пластике уз топлоту и притисак. Грејна плоча која врши везивање мора да пренесе своју топлоту са хируршком тачношћу, или се канали могу срушити или деформисати. У брзо растућем сектору микрофлуидике, квалитет спојеног заптивача значајно утиче на функционалност уређаја, са апликацијама које се крећу од-де-дијагностике до-орган{5}}на-а-платформама. Канал који цури или има буку чини чип безвредним. Стога је процес микрофлуидног везивања чипа за грејање важан корак у производњи. Захтева одличну уједначеност температуре, брз одзив и чисте површине.

Процес везивања: топлота, притисак и прецизност
Термичко везивање микрофлуидних чипова често се састоји од два слоја супстрата - или стаклених или термопластичних полимера као што су ЦОЦ (циклични олефин кополимер) или ПММА (полиметил метакрилат). Један слој садржи микроканале, који су урезани или обликовани у његову површину, а други слој је покривни слој. Ова два листа су савршено поравната и позиционирана између грејних плоча лабораторијске пресе или специфичне опреме за везивање.

Склоп се подиже до температуре везивања помоћу плоча које примењују контролисану силу. На овој температури површине полимера постају довољно флексибилне да омогуће молекуларну међудифузију преко интерфејса како би се успоставио трајни, херметички заптивач. Са стакленим чиповима механизам је исти, али на повишеним температурама (често 500-650Ц). Површине се везују интердифузијом атома под притиском.

Кључни изазов је да микроканали, понекад широки и дубоки 10-100 микрометара, морају бити потпуно отворени и неискривљени. Ако је температура прениска, везивање ће бити слабо или делимично и доћи ће до цурења. Ако је температура превисока или не{4}}уједначена, полимер тече у канале, делимично или потпуно их блокира. Један степен, један микрон је разлика између беспрекорног чипа и утега за папир.

Микрофлуидна плоча за везивање: кључне карактеристике
Одлична уједначеност температуре
Пошто је површина лепљења обично скромна (нпр. . 50 мм × 50 мм до 200 мм × 200 мм), неопходна је константна температура на целој површини плоче. Стандардна спецификација за микрофлуидно везивање одређује конзистенцију од ±0,5 степени преко употребљиве површине плоче. Вруће тачке на локалитету изазивају прерано омекшавање и колапс канала, док хладна места стварају невезане регионе. Да би се постигао овај ниво уједначености, потребно је прецизно постављање грејача, управљање у више- зона или велико алуминијумско плочасто тело са јаком топлотном проводљивошћу да би се изгладили преостали температурни градијенти.

Напомена о дизајну: Термопар треба да се имплантира изузетно близу горње површине плоче (унутар 1-2 мм) како би се пружила прецизнија и прецизнија контрола температуре, а не термоелемент дубоко закопан у блок плоче. Сензор на површини смањује заостајање између очитавања контролера и стварне температуре на интерфејсу везивања, што је посебно релевантно за танке полимерне уређаје са малом топлотном масом.

Мала топлотна маса, брз термални одговор
У серијској обради, микрофлуидно везивање повезује неколико склопова чипова један за другим. Краћи циклуси грејања и хлађења повећавају проток. Због тога се плоче за ову употребу углавном производе од алуминијума, који има високу топлотну проводљивост (≈205 В/м·К) и релативно малу густину, уместо челика. Топлотна дифузивност алуминијума омогућава да плоча брзо реагује на модификације направљене од стране ПИД контролера. Међутим, мора се водити рачуна да се спречи спаљивање алуминијума у ​​близини његове тачке топљења; за лепљење стакла изнад 500 степени, користе се различити материјали као што су нерђајући челик или керамичке плоче.

Глатка, полирана и без загађивача.
Површина плоче која долази у контакт са микрофлуидним чипом мора бити полирана до огледала (често Ра 0,4 μм или боље). Свака огреботина, честица или површинска грешка се преносе на омекшани полимер изазивајући канале за цурење или оптичке дефекте. Такође, плоча мора бити хемијски чиста и не-контаминирајућа. За полимерно везивање, било које средство за отпуштање или површински остатак може ометати процес молекуларног везивања. Многе плоче за везивање су или лагано обложене ПТФЕ-ом или неким другим материјалом који се не лепи, или су само полирани голи алуминијум који се пажљиво чисти између циклуса.

Када се користи за детекцију флуоресценције или снимање, плоча не сме да даје храпавост површине или замагљивање спољашњости чипа. Уобичајена је полирана плоча са заштитним међуслојем као што је чисти филм за ослобађање.

Опсези температуре уобичајених микрофлуидних материјала
Температура везивања и притисак потребни за материјал чипа су различити. Грејна плоча мора бити стабилна у температурном опсегу од интереса.

Температура материјала за притисак везивања Напомене
ЦОЦ (циклични олефин кополимер) 110-130 степени 2-5 кН Ниска апсорпција воде Биокомпатибилан ПММА (полиметил метакрилат) 100-115 степени 3-6 кН Ниже топљење од ЦОЦ, склоно пузању
Поликарбонат (ПЦ) 120-150 степени 4-8 кН Побољшана тврдоћа, ниска хемијска отпорност
Стакло (боросиликат) 550-650 степени 1-3 кН Споро повећање брзине да би се избегло пуцање под напрезањем
Типичне температуре везивања за уобичајене полимере као што су ЦОЦ и ПММА су у опсегу од 100-150 степени. На овим температурама добро функционишу алуминијумске плоче са патронским грејачима или грејачи од силиконске гуме који су уграђени у њих. За стаклене струготине неопходна је употреба НиЦр или СиЦ грејних плоча са прецизним каналима за хлађење.

ПИД контрола и процесни подаци
Често се загрејана плоча за микрофлуидно везивање користи са ПИД (пропорционалним-интегралним-изводним) регулатором температуре. Плоча достиже задату вредност без прекорачења и остаје на тој температури до веома уских толеранција (често ±0,1 степен или боље) због ПИД контроле. Контролер чита са термоелемента (Тип Ј, К или Т) уметнутог у тело плоче, пожељно близу површине као што је горе поменуто.

Осим температуре, процес везивања захтева пажљиво управљање:

Брзина пораста температуре: Нормално 5-20 о Ц/мин. Прерано доводи до топлотног стреса и савијања.

Време намакања: 5-30 минута на температури везивања, да би се омогућила интердифузија полимера или активација стаклене површине.

Брзина хлађења: Контролисано хлађење (нпр.. 5–10 степени у минути) спречава заостало напрезање у спојеном чипу.

УВ-Везивање: варијанта
Одређени микрофлуидни чипови се спајају коришћењем УВ-потпомогнутих метода, посебно за материјале које није лако причврстити термичким средствима (нпр. ПДМС на стакло) или где су потребне веома ниске температуре да би се одржали уграђени биолошки молекули. У таквим методама, плоча за грејање може бити провидна за ултраљубичасто светло или садржати централни отвор, кроз који ултраљубичасто зрачење може бити усмерено на контакт за везивање. Плоча и даље примењује топлоту (обично само 40-60Ц) и притисак док УВ иницира умрежавање посредног лепљивог слоја. Ова јединствена апликација је доступна са грејним плочама које имају кварцне прозоре или отворе са бушеним отворима.

Утицај лошег рада плоче на квалитет
Неадекватне перформансе плоче ће довести до лошег везивања, што ће се видети на више начина:

Колапс канала – Полимер тече у канал услед превисоке температуре или притиска, снижавајући попречни-пресек или га потпуно затварајући. Открива се визуелном инспекцијом или мерењем протока.

Непотпуно везивање. Хладне тачке остављају невезане области, узрокујући цурење у раду. Тестови пенетрације боје или пад притиска према специфицираном.

Искривљење: Чип се искривљује из равни под не-неједнаком температуром или хлађењем и стога није прикладан за интеграцију са флуидним интерконекцијама или оптичким системима.

Површинска контаминација: Површина чипа се оштећује грубим или прљавим плочама, расипањем светлости и ометањем оптичке детекције.

Све ове грешке су избегнуте добрим дизајном, добро одржаваним системом грејних плоча.

Закључак
Микрофлуидна плоча за грејање је веома осетљив инструмент где термичка контрола директно одређује квалитет производа. Он чини више него само пружа топлоту. Мора да пружи одличну уједначеност температуре (обично ±0,5 степени), брз и предвидљив термички одговор, углачану површину-без контаминације и стабилан рад на одређеним температурама везивања стакла или полимера као што су ЦОЦ и ПММА. Мала карактеристика дизајна која има огроман утицај на управљивост и поновљивост су термопарови постављени близу површине плоче. Потреба за прецизношћу у производњи микрофлуидних уређаја расте како ови уређаји настављају да се смањују и повећава се њихова употреба у персонализованој медицини и -скринингу високог протока. Иако се често занемарује у општој лабораторији-о-о-литератури о чиповима, плоча за грејање је један од кључних фактора за поуздану и-производњу микрофлуидних чипова високог приноса.