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퍼플루오로옥틸을 통한 선택적 PDMS(폴리디메틸실록산) 결합을 이용한 마이크로 밸브 어레이 제작

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퍼플루오로옥틸을 통한 선택적 PDMS(폴리디메틸실록산) 결합을 이용한 마이크로 밸브 어레이 제작

과학 보고서 12권,

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 12398(2022) 이 기사 인용

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우주 탐사를 위한 미세유체 분석 장치의 다양성과 견고성을 향상시키기 위해 프로그래밍 가능한 미세유체 어레이(PMA)가 구현되어 다양한 임무를 지원합니다. PMA를 설계할 때 상시 폐쇄형 밸브는 교차 오염과 누출을 방지하는 데 유리합니다. 그러나 이러한 밸브가 시간이 지남에 따라 달라붙거나 접착되는 것을 방지하려면 안정적인 제조 방법이 필요합니다. 이 연구는 장기간 우주 탐사 중 PDMS 고착 문제를 극복하기 위해 화학적 부동태화를 사용하여 PDMS(폴리디메틸실록산)를 선택적으로 결합할 수 있는 방법을 제시합니다. 먼저, PDMS 스탬프에서 기화된 PFTCS(퍼플루오로옥틸-트리클로로실란)가 -80kPa 및 150°C 조건에서 증착됩니다. 그런 다음 온도와 시간을 제어하여 PFTCS를 PDMS 또는 유리 기판에 전사하고 150°C에서 15분 동안 선택적 결합을 위한 최적의 PFTCS 전사를 제공합니다. 이러한 특성화된 매개변수를 통해 우리는 장기 우주 임무를 지원하기 위한 PMA 제작을 성공적으로 시연했습니다. 스탬프가 찍힌 PFTCS의 안정성을 평가하기 위해 PMA는 3년 동안 정기적으로 테스트되었으며 정지 또는 성능 변화는 관찰되지 않았습니다. 높은 중력 및 진동 테스트를 위해 Cessaroni L1395 로켓을 사용하여 비행 테스트를 수행했으며 발사 및 착륙 조건 노출 후 PMA 성능에는 차이가 없습니다. 이 연구는 우주 탐사를 위한 PMA의 안정성과 기능을 확장할 간단하고 강력한 기술로서의 가능성을 보여줍니다.

우주 탐사를 위한 미세유체 분석 장비는 작은 토양이나 입자 샘플1,2,3,4,5에서 화학적 조성을 결정하기 위해 개발되었습니다. 그러나 더 광범위한 임무에 적합하려면 프로그래밍 가능성과 내구성에 대한 추가 개발이 필요합니다. 프로그래밍 가능한 미세유체 어레이(PMA)는 당기기, 밀기, 혼합 및 유체 분배와 같은 자율적인 유체 조작을 매우 정밀하게 달성하도록 설계되었습니다. 원하는 분배 용량과 유속을 달성하기 위해 마이크로 밸브의 설계와 작동 매개변수를 정의할 수 있습니다. PMA는 프로그래밍된 샘플 준비, 형광 측정 분석 및 바이오센싱에 대해 입증되어 일반적으로 닫힌 마이크로 밸브4,6,7,8,9,10,11,12를 사용하여 다양성을 보여줍니다. 일반적인 상시 폐쇄 밸브는 유연한 멤브레인 측이나 마이크로채널 측에 게이트 구조를 갖고 있어 작동 없이 흐름을 차단합니다. 이것이 유체 제어를 위한 탁월한 측면임에도 불구하고 PMA 제조에는 플라즈마 노출 후 밸브 고착 문제를 최소화하기 위해 선택적 PDMS 결합 절차가 필요합니다. 또한 PDMS는 장기간 접촉한 후에 유리에 약하게 결합될 수 있습니다. 우리 연구실에서 생산된 PMA의 경험적 증거는 밸브가 6개월 이상 정지되면 마이크로 밸브의 게이트가 유리 및 PDMS 기판에 달라붙는다는 것을 의미합니다. 화성, 유로파, 엔셀라두스와 같은 목표 행성에 도달하는 일반적인 타임라인은 각각 약 7개월16, 5년17, 7년18의 여행 기간이므로 PMA를 사용하여 이러한 행성을 탐사하려면 마이크로 밸브 안정성 문제가 다음과 같아야 합니다. 예상되는 PMA 성능을 얻기로 결정했습니다.

일반적인 PMA는 PDMS(폴리디메틸실록산)19,20을 사용한 소프트 리소그래피 기술을 사용하여 제작되고 모든 노출된 표면을 처리하는 산소 플라즈마로 포장됩니다. 일부 선택적 결합은 패시베이션 화학 물질의 수동 적용, 영역 수동 차단 또는 처리되지 않은 PDMS로 표면 처리를 통해 가능합니다. 그러나 이는 장기적인 효과와 안정성을 조사하지 않고 복잡한 미세 가공 스탬프 몰드로 선택적 결합 대신 3D 구조를 제작하는 범위가 제한되어 있습니다.

PDMS 미세유체 장치의 표면 특성을 변경하기 위해 다양한 실란을 사용하여 화학적 처리가 수행되었습니다. 이 중에서 Perflurooctyl-tri클로로실란(PFTCS)은 낮은 증기압으로 인해 표면에 쉽게 증착되기 때문에 초소수성 표면을 형성하는 데 종종 사용됩니다. PFTCS는 또한 축합 반응을 통해 산소 플라즈마 처리 후 PDMS 또는 유리 표면과 같은 수산화 표면에 안정적인 층을 형성합니다. 수동 액체 도포와 같은 패터닝 방법이 없는 수동 PFTCS 패시베이션은 정밀도가 낮은 제조에 사용될 수 있지만 정밀도가 높은 작동 가능 장치에는 확장 가능한 선택적 결합 방법이 필요합니다.

 3 years, as the flow profile is identical after fabrication and three years later. In addition, the inset graph in Fig. 5B shows a g-Force plot experienced by that particular chip during a test rocket flight and crash between the time of the two flow rate measurements. The average g-force during launch was about 7.5 g matching what slightly higher expected during typical launches, 3–6 g36, and the chip was able to withstand forces up to 25 g during the crash. During the descent and crash, the PMA also was subjected to vibration at 7.5 Hz for approximately 10 s. The resilience of the PMA to these conditions proves that the PFTCS selective bonding method is stable during and after a rocket launch. Other chips tested after long rest times (> 3 years) show some slow response times when initially reopening valves. After a few priming actuations of ~ 10 times, the PMA returns to its usual operating conditions. This long-term storage demonstrates the resilience of the PDMS-glass bond around the microvalve. As this is an irreversible bond, bond failure is not anticipated; however, the PDMS-glass bond around the microvalve is subjected to relatively high pressures for short periods of time when the valve closes. During the observation, there are no evidence of failure or alterations in this region, indicating the continued strength of the bond. In addition, the high usage results presented in Fig. 5C show the stability and consistency of the PMA despite repetitive tasks and sequences. Each of the measured points has an identical plot regardless of number of actuations. After 18 h of constant actuation of all microvalves in the PMA, there are almost no difference on PMA performance. These results show that the PFTCS assisted selective bonding method can be trusted for space missions that have long wait times and high number of cycle operations without risk of failure on microfluidic operations. Further characterizations are underway to understand thermal profiles and PMA actuation performance under zero g./p>