Высокоточная фабрикация PDMS-нанофлюидных чипов методом нанофрезерования на основе АМФ

Аннотация

PDMS-нанофлюидные устройства важны для медицинского, химического и биологического сенсирования. Представлен новый дешевый метод нанофрезерования наконечником АМФ, создающий суб-100-нм нано-каналы с регулируемыми размерами путем изменения напряжения и частоты пьезоактуатора. Нанофрезерование в сочетании с УФ-литографией для микроканалов дает PDMS-пластины с интегрированными микро- и нано-каналами. Систематически изучено влияние соотношения перекрестных связей PDMS на геометрию нано-каналов и измерена электрическая проводимость KCl растворов через каналы. Результаты подтверждают, что подход обеспечивает высокоточные много-канальные нанофлюидные чипы для бесмаркерного детектирования.

Введение

Микро- и нанофлюидные платформы ключевы для ДНК-анализа, сортировки клеток, белковых исследований, безопасности пищевых продуктов и экологического мониторинга. Растущий спрос на суб-100-нм каналы — критичен для детектирования вирусов, манипулирования наночастицами и изучения ионного транспорта — требует точного контроля размеров нано-каналов. Традиционные методы (реактивно-ионная травка, фото-литография, FIB, EBL, IL, наноимпринтинг, горячее тиснение, жертвенная литья) имеют недостатки: ограниченное разрешение, высокая стоимость, сложная смена масок. Ультратночные методы обработки, особенно нанофрезерование наконечником АМФ, преодолевают эти ограничения, предлагая суб-нано метровую точность, высокую скорость и минимальные экологические требования.

АМФ нанофрезерование использует пьезоактуатор для движения наконечника по круговой траектории, обеспечивая точный контроль глубины и ширины резания. Предыдущие работы демонстрировали нанофрезерование на PMMA и PC, но применение к PDMS нанофлюидным устройствам оставалось малозначительным. PDMS с отличными эластомерными свойствами и широким использованием в микрфлюидике идеален для создания многоразовых, одноразовых нанофлюидных чипов. Эта работа заполняет пробел, интегрируя АМФ нанофрезерование с PDMS фабрикацией для производства контролируемых нано-каналов и оценки их электрической производительности.

Методы

Настройка системы нанофрезерования

Система объединяет коммерческий АМФ (Dimension Icon, Bruker) с пьезоактуатором (P‑122.01, PI). Актуатор с ходом 1 мкм управляется синусоидальными сигналами (30–150 В, 100 Гц или 1500 Гц) от усилителя Tektronix AFG1022. Алмазным покрытым наконечником толщиной 100 нм, радиусом 10 нм (DT‑NCLR, Nanosensors) выполняют фрезерование, кремниевый консоль (68 Н/м) записывает нормальную нагрузку через PSD. PC подложка (15×12×1 мм, Mw = 35 000) монтируется на эпоксидном держателе.

Фабрикация форм нано-каналов и микроканалов

PC нано-каналы фрезеруют АМФ системой. Наконечник движется по круговой траектории за счет управления актуатора при 30–150 В и 90° сдвиге фаз по x и y. Две частоты (100 Гц, 1500 Гц) и скорость подачи 10 нм (1 мкм/с или 15 мкм/с) создают 80-ммкм длинные нано-каналы. Нормальные нагрузки (17 мкН, 25 мкН) устанавливают через PSD, наконечник ориентирован вперед для отложения навалов по бокам и предотвращения утечек. Одноразовые царапанья также выполняли для сравнения (нагрузки 25–58 мкН).

Микроканалы изготавливали на Si пластине SU-8 фото-литографией: U-образный канал шириной 30 мкм, шаг 50 мкм, путем спин-коутинга SU-82015, УФ-экспозиции и проявки. Форма микроканала (Рис. 2а4) затем отливали в PDMS.

Переносная печать микроканалов и нано-каналов

PDMS (Sylgard 184) отливали на форму микроканалов (соотношение 10:1) и отвердевали при 80 °C 4 ч. Полученную реплику отделяли и использовали как подложку микроканалов. Для нано-каналов PC форму сначала отливали пред-смесью (A-PDMS) 9:1, 7:1 или 5:1. Отвердевшую реплику прижимали ко второй PDMS пластине (10:1, 9:1 или 8:1) для переноса нано-признаков. Двухстадийный перенос сохраняет суб-100-нм размеры и снижает повреждение формы. Вакуумная дегазация удаляет пузыри, финальный связывающий шаг при 95 °C герметизирует чип.

Связывание чипа

Кислородная плазма (32 с, 81 Вт, 1,5 мбар) активировала PDMS поверхности. Специальная система выравнивания — монокулярный микроскоп, точная ступица и держатель — обеспечивала точное совмещение микро- и нано-каналов. Собранную сборку отжигали при 95 °C 20 мин, получая герметичное устройство.

Результаты и обсуждение

Траектория пьезоактуатора

Амплитуда актуатора линейно зависит от напряжения, более высокая частота (1500 Гц) дает большую амплитуду. Ширины нано-каналов варьировались от 350 до 690 нм, подтверждая точный размерный контроль.

Нано-каналы на PC

Одноразовые царапанья показывают монотонный рост ширины и глубины с увеличением нормальной нагрузки (Рис. 4а). Нанофрезерование демонстрирует нелинейную зависимость: глубина сначала растет, потом падает при 100 Гц из-за упругого восстановления, а при 1500 Гц резко возрастает, так как скорость резания превышает порог образования стружки материала (Рис. 4d). Ширины последовательно растут с напряжением, 1500 Гц дает более широкие каналы чем 100 Гц при одинаковых нагрузках (Рис. 4с). АМФ изображения (Рис. 5) иллюстрируют симметричные навалы при одноразовом царапании и асимметричные — при нанофрезеровании, согласно круговому движению наконечника.

Первый перенос форм нано-каналов

Стенки из одноразового царапания (нано-канал I) и нанофрезерования (нано-каналы II и III) переносят PDMS соотношениями 5:1, 7:1, 9:1. Стенки сохраняют исходную глубину, но расширяются из-за комплаентности PDMS; соотношение 5:1 дает самые широкие стенки (Рис. 7). Тенденция отражает уменьшенное упругое восстановление более жестких PDMS смесей.

Второй перенос форм нано-каналов

Используя стенку 5:1 как мастер, второй перенос с PDMS 10:1, 9:1, 8:1 дает финальные нано-каналы (A, B, C) с глубинами 120, 80, 60 нм и ширинами 690, 680, 500 нм соответственно (Рис. 8). Более жесткий PDMS (10:1) дает глубокие, широкие каналы, более мягкие (8:1) сильнее восстанавливаются, сужая признаки.

Электрическая характеристика

Каждый чип содержит четыре нано-канала и 1 мМ KCl электролит. Вольт-амперные характеристики (Рис. 9) показывают, что проводимость микроканалов одинакова для всех чипов, а нано-каналов варьируется с геометрией. Чип A (60 × 500 нм) дает наибольший ток из-за наибольшего перекрытия электрических двойных слоев, чип C (120 × 690 нм) — наименьший. Чип B демонстрирует омическое-ограничивающее-перелимитирующее поведение при высоких полях, указывая на насыщение ионного транспорта. Результаты подтверждают функциональность нано-каналов и прямое влияние геометрии на производительность.

Заключение

Установлен масштабируемый, дешевый метод фабрикации суб-100-нм PDMS нанофлюидных чипов с использованием АМФ-нанофрезерования. Процесс интегрирует точное фрезерование, УФ-литографию, двухстадийный PDMS перенос и плазменное связывание, давая много-канальные устройства с регулируемыми размерами. Электрические тесты валидируют функциональность нано-каналов и показывают влияние геометрии на ионную проводимость. Хотя текущая АМФ установка ограничивает длину канала ~80 мкм, подход предлагает практический путь к высокопроизводительным нанофлюидным платформам для биосенсирования и аналитических применений.