Integration von Sauerstoffsensorfolien in mikrofluidische Chips

Anwendbarkeit von VisiSens? in Mikrokan?len durch Ultraschallschwei?en

Wir haben das VisiSens? A1-Bildgebungssystem auf seine Anwendbarkeit in Mikrokan?len untersucht, um einen mikrofluidischen Chip mit integrierter Sauerstoffsensorik zu entwickeln. Die hier beschriebenen Experimente konzentrieren sich auf die Herstellung von Mikrokan?len durch Ultraschall-Hei?pr?gen und -Schwei?en und die Integration von Sauerstoffsensorfolien in diese Kan?le, entweder durch Ultraschallschwei?en oder durch Verwendung von nicht fluoreszierendem Klebstoff. Für das Ultraschallschwei?en der Sensorfolie wurden verschiedene Methoden ausprobiert. Wir fanden heraus, dass ein rahmenf?rmiges Werkzeug am besten geeignet ist, um die Sensorfolie in einen Mikrokanal einzuschwei?en. Entlang der Schwei?naht ist die Sauerstoffsensibilit?t der Sensorfolie beeintr?chtigt, aber die Fl?che innerhalb des Rahmens zeigt die erwarteten Sauerstoffwerte, wie in den folgenden Tests festgestellt wurde. Wir haben auch best?tigt, dass die im Mikrokanal eingeklebte Sensorfolie korrekte Sauerstoffwerte anzeigt. Weitere Tests müssen durchgeführt werden, aber erste Ergebnisse zeigen, dass VisiSens? ein geeignetes Werkzeug für die Sauerstoffüberwachung in Lab-on-a-Chip-Systemen ist.

Mit der Mikrosystemtechnik k?nnen chemische Labore bis in den Mikrobereich miniaturisiert werden. Diese Lab-on-a-Chip-Systeme bestehen aus einem Mikrokanalsystem, das für chemische oder biologische Analysen verwendet werden kann. Da diese mikrofluidischen Chips sehr klein und portabel sind, k?nnen sie überall eingesetzt werden. Es werden nur kleine Tropfen von Probenflüssigkeiten ben?tigt, was ressourceneffizient ist und die Reaktions- und Analysezeiten beschleunigt. Die mikrofluidischen Chips, die in dieser Studie verwendet wurden, wurden mit einem Ultraschall-Hei?pr?geverfahren und einem Schwei?verfahren hergestellt, das bei KEmikro entwickelt wurde. Ziel dieser Studie war es, die Anwendbarkeit des VisiSens? A1 Bildgebungssystems in solchen mikrofluidischen Chips zu testen. Da dieses System eine zweidimensionale Aufzeichnung von Sauerstoffverteilungen mit hoher r?umlicher Aufl?sung erm?glicht, es die getesteten Flüssigkeiten nicht ver?ndert, und seine Sauerstofferfassungsf?higkeit unabh?ngig von der Str?mungsrate von Flüssigkeiten ist, k?nnte es eine geeignete L?sung für Lab-on-a-Chip-Systeme darstellen.
Die Sauerstoffsensorfolien mussten in Mikrokan?le integriert werden, die durch Ultraschall-Hei?pr?gen erzeugt wurden. Zur Integration wurden entweder nicht fluoreszierender Klebstoff oder Ultraschallschwei?en verwendet. Es wurden mehrere Experimente durchgeführt, um zu bestimmen, ob diese Integrationsmethoden die Sensorfolie beeintr?chtigen würden und ob ein mikrofluidischer Chip mit integrierter Sauerstoffsensorik geschaffen werden k?nnte.

Erstellen von Mikrokanal-Systemen durch Ultraschall-Hei?pr?gen und -Schwei?en

Dieser Vorgang wird mit einer handelsüblichen Ultraschallschwei?vorrichtung durchgeführt. Mehrere Polymerfolien werden zwischen eine spezielle Form, die die negative Form des Chips (Mikrostruktur) hat, und eine Sonotrode (Abb. 1A) gelegt. Beim Anlegen von Ultraschallimpulsen entsteht Reibung; diese schmilzt die Polymerfolien in dem Bereich, in dem sie mit der Sonotrode und der Form in Kontakt sind. Nur der Teil der Folien, der geformt werden soll, wird geschmolzen, und mit einer Verarbeitungszeit von nur etwa 2 Sekunden ist diese Methode der Mikrokanalherstellung sehr schnell. Die sogenannten Energierichtungsgeber am oberen Rand des Mikrokanals sind notwendig, um den Kanal durch Schwei?en mit einem Deckel zu verschlie?en (Fig. 1B). Die mikrofluidischen Chips, die in diesen Experimenten verwendet wurden, waren aus dem gleichen Material hergestellt, auf dem die Sauerstoffsensorfolie basiert. Dies ist wichtig für die Sensorintegration durch Ultraschallschwei?en, da sowohl die Sensorfolie als auch der Kanal den gleichen Schmelzpunkt haben müssen. Zwei Chips wurden hergestellt; die Form des in die Polymerfolie eingeschwei?ten Mikrokanals ist in Abb. 2A dargestellt. Diese Form wurde gew?hlt, um genügend Platz für die Integration der Sensorfolie zu haben. Im ersten mikrofluidischen Chip wurde die Sensorfolie durch Ultraschallschwei?en mit einem rahmenf?rmigen Werkzeug befestigt (Abb. 2B + C). Vorversuche haben gezeigt, dass dies die beste Methode ist, den Sensor in den Mikrokanal einzuschwei?en. Silicone Rubber Compound – Flowable Fluid (RS Components Ltd.) wurde zum Einkleben der Sensorfolie in dem Kanal des zweiten Chips verwendet. Der Klebstoff musste etwa 15 Minuten lang aush?rten, jedoch waren mehrere Tage des Aush?rtens erforderlich, bevor die geklebte Folie voll belastungsf?hig war. Nachdem die Sensorfolien in den Mikrokan?len befestigt waren, wurde auf jeden Mikrofluidik-Chip ein Deckel von 4 mm Dicke mit zwei L?chern für die Flüssigkeitszufuhr geschwei?t (Abb. 2D).

Ein Mikrokanal mit integrierter Sauerstoffmessung

Um zu bewerten, ob das VisiSens? A1-System für Sauerstoffmessungen in Lab-on-a-Chip-Anwendungen geeignet ist, wurde der Sauerstoffgehalt von Luft, Wasser und Natriumsulfitl?sung (1 %) in den erzeugten Mikrofluidik-Chips gemessen. Die Detektoreinheit wurde, wie in Abb. 3 gezeigt, aufgebaut; eine Box wurde verwendet, um das Umgebungslicht w?hrend der Sauerstoffbildgebung abzuschirmen. Ein erstes Bild der Sensorfolie, die in den Mikrokanal geschwei?t worden war, wurde in Umgebungsluft aufgenommen. Der Bereich der Schwei?naht (Rahmenform) wies Sauerstoffkonzentrationen zwischen 33 - 51 % Lufts?ttigung auf. (Abb. 4A). Dort war die gemessene Sauerstoffkonzentration etwa 50 % niedriger als auf dem Rest der Sensorfolie. Also wurde die sauerstoffempfindliche Schicht im Bereich der Schwei?naht beeintr?chtigt. Der Rest der Sensorfolie zeigte jedoch die erwarteten Sauerstoffwerte, wie durch die Verwendung eines Tropfens Natriumsulfitl?sung best?tigt werden konnte (Abb. 4B). Um den mikrofluidischen Chips mit der geklebten Sensorfolie zu testen, wurden zuerst Wasser, dann Natriumsulfitl?sung (1 %) und erneut Wasser für die Messungen verwendet. Die verschiedenen Sauerstoffkonzentrationen konnten mit der auf den Kanal geklebten Folie deutlich nachgewiesen werden, wie in Abb. 4C zu sehen ist.

Zusammenfassung

Diese ersten Ergebnisse zeigen, dass VisiSens? A1 ein geeignetes Werkzeug für Sauerstoffmessungen in Lab-on-a-Chip-Systemen ist. Diese Kombination aus mikrofluidischen Chips und VisiSens? kann zur Analyse bestimmter Reaktionen verwendet werden. Wir haben herausgefunden, dass sowohl das Kleben als auch das Schwei?en mit einem rahmenf?rmigen Werkzeug angewendet werden kann, um die Sauerstoffsensorfolie in einen Mikrokanal zu integrieren. Weitere Tests sollten durchgeführt werden, um festzustellen, ob das Schwei?en eine wirtschaftlichere L?sung darstellt, da es nur wenige Sekunden dauert, verglichen mit den langen Aush?rtungszeiten, wenn Klebstoff verwendet wird. Andererseits k?nnten beim Anbringen der Sensorfolie mit Klebstoff unterschiedliche und geeignetere Materialien für den Mikrofluidik-Chip selbst verwendet werden.

Applikationsbericht nach
L. Burs et al., KEmikro, RWTH-Aachen University, Projektbericht: Fertigung mikrooptischer Sensoren im Ultraschallhei?pr?geprozess mit laserpolierten Werkzeugen