Μικρο-ρευστομηχανική για χημική και βιολογική μικρο-ανάλυση: αλληλεπίδραση πολυμερών με πλάσμα αερίων για την εκλεκτική εγχάραξη και τροποποίηση αυτών

Abstract

Fabrication of polymeric microfluidics has attracted much scientific research attention lately, due to the numerous of analytical applications. Their functional and commercial feasibility depends strongly on the fabrication procedures, some of which are typical microelectronic processes. Plasma processing may be utilized not only to pattern a surface, as in microelectronics, but also to modify its physicochemical properties. In this work we study the application of plasma processing in microfluidics fabrication and their surface modification. We focus on poly(methyl methacrylate)-PMMA. The micro-channel is engraved on PMMA by employing Oxygen plasma etching, through a patterned Si-containing, e.g. poly(dimethyl siloxane)-PDMS, photopolymer (in situ mask) in a bilayer lithography scheme. The differential plasma etching rate (ER) of PMMA and PDMS (ERPMMA>ERPDMS) enables pattern transfer (selective etching), while the PMMA surface is simultaneously modified. The objectives are to (a) study and understand the Oxygen plasma etching mechanisms for the Si-photopolymer etching, that should provide increased plasma etching resistance, and for PMMA etching, that should be etched-off as fast as possible, in order to minimize the total plasma process time. (b) Study the plasma-polymer interactions and their effects on surface modification of PMMA, which will be in contact with the biofluids. Surface roughness measurements are carried out towards the control of surface topography, chemical composition variations are monitored via X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS), and wetting phenomena are recorded by means of contact angle (CA) measurements. Finally (c) a standard microfluidic device is fabricated and characterized with regard to its electrokinetic performance (electroosmotic flow etc.) and the surface state effect on such parameters. The aim is to couple the microfluidic fabrication, characterization and application along with a basic study of the plasma-polymer interaction mechanisms.

Η κατασκευή πλαστικών μικρορευστομηχανικών διατάξεων αποτελεί τελευταία ένα πεδίο έντονης ερευνητικής δραστηριότητας, με πολλά παραδείγματα πρακτικών αναλυτικών εφαρμογών. Η λειτουργική τους αποτελεσματικότητα και η εμπορική τους επιτυχία εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από τις χρησιμοποιούμενες διαδικασίες κατασκευής και γι αυτές χρησιμοποιούνται σε μεγάλο βαθμό κλασικές διεργασίες μικροηλεκτρονικής. Μια τέτοια είναι και η κατεργασία με πλάσμα αερίων, με την οποία μπορεί όχι μόνο να σχηματοποιηθεί μια επιφάνεια όπως στη μικροηλεκτρονική, αλλά και να τροποποιηθεί φυσικοχημικά. Στην εργασία αυτή μελετάται η κατασκευή πλαστικών μικρορευστομηχανικών διατάξεων για χημική και βιολογική μίκρο-ανάλυση, με χρήση διεργασιών πλάσματος, τόσο για την κατασκευή τους όσο και για την τροποποίηση των επιφανειών τους. Η διάνοιξη των μίκρο-καναλιών σε πολυ(μεθακρυλικό μεθύλιο) PMMA γίνεται με εγχάραξη σε περιβάλλον πλάσματος Οξυγόνου με τη χρήση κατάλληλης λιθογραφημένης μάσκας από πυριτιούχο πολυμερές π.χ. πολυ(διμέθυλο σιλοξάνη), PDMS (bilayer lithography, διστρωματική λιθογραφία). Στο πλάσμα Οξυγόνου ο ρυθμός εγχάραξης (etching rate, ER), του PMMA είναι πολύ μεγαλύτερος σε σχέση με αυτόν του PDMS επιτρέποντας έτσι τη μεταφορά του σχήματος (εκλεκτική εγχάραξη), ενώ ταυτόχρονα οι επιφάνειες των πολυμερών μεταβάλλονται ως αποτέλεσμα της επίδρασης του πλάσματος (τροποποίηση). Αντικείμενο της Δ.Δ. αποτελεί (α) η μελέτη και η κατανόηση των μηχανισμών εγχάραξης και κατόπιν η εφαρμογή αυτών στην εγχάραξη της πυριτιούχου μάσκας, η οποία πρέπει να είναι ανθεκτική στο πλάσμα, και του υποκείμενου πολυμερικού υλικού (PMMA), το οποίο πρέπει να εμφανίζει υψηλό ER, για την ταχεία κατασκευή της διάταξης. (β) Η μελέτη της επίδρασης της κατεργασίας με πλάσμα στα επιφανειακά χαρακτηριστικά του PMMA, η επιφάνεια του οποίου θα έρχεται σε επαφή με τα προς ανάλυση ρευστά ή βιολογικά διαλύματα. Μετράται και ρυθμίζεται η επιφανειακή μορφολογία (τραχύτητα), η χημεία και η κατάσταση διαβροχής των εν λόγω επιφανειών. Τέλος (γ) κατασκευάζεται πρότυπη μικρορευστομηχανική διάταξη και χαρακτηρίζεται σε ό,τι αφορά στα ηλεκτροκινητικά της χαρακτηριστικά (ηλεκτροοσμωτική ροή κτλ), καθώς και η επίδραση της κατάστασης των επιφανειών σε αυτά. Γίνεται, δηλαδή, απόπειρα σύζευξης της έρευνας στο πεδίο της κατασκευής, χαρακτηρισμού και εφαρμογής μικρορευστομηχανικών διατάξεων και της μελέτης των μηχανισμών κατά την αλληλεπίδραση του πλάσματος με τα πολυμερή.