Разработка микрофлюидного чипа (МФЧ) с хроматографической колонкой

Микрофлюидные системы - это интегрированные устройства, включающие современные высокотехнологичные и наукоемкие элементы микромеханики, микротехнологий, оптики и гидравлики. Базовым элементом системы является стеклянная или полимерная пластина – модуль с заданной системой каналов. Такой модуль может быть использован в аналитической химии, в частности, в газовом хроматографе. Газовый хроматограф условно может быть разделен на несколько частей (рисунок 1).

• 1    — источник газа-носителя (подвижной

фазы);

• 2    — регулятор расхода газа носителя; 5 _— д_етектор;

• 3    — устройство ввода пробы;        6 _{— элект}р_онный у_{силитель};

• 4    — хроматографическая колонка;    7 — регистрирующий прибор.

Рисунок 1. Упрощенная схема газового хроматографа.

Остановимся подробнее на четвертом пункте условной схемы газового хроматографа. Хроматографическая колонка – модуль с системой изолированных каналов определённых размеров и определенной геометрической формы, который может быть представлен в виде микрофлюидного чипа (МФЧ). Для того, чтобы создать микрофлюидный чип, необходимо представить требования, исходя из которых будет простроен дальнейший процесс изготовления изделия. Общие требования к

МФЧ [1], представим в виде блок-схемы:

герметизация каналов

Микроструктуры МФЧ, в которых реализуются условия, необходимые для управления потоком жидкости или газа, могут быть изготовлены в виде изолированных цилиндрических каналов, микрощелей или в виде массива микроканалов, в таких материалах как кремний, стекло, различные полимеры.

При выборе материала, следует учесть общие требования к МФЧ. Проанализировав различные материалы [2], в данной работе выбор материала для МФЧ был сделан в пользу стекла. К достоинствам стеклянных пластин можно отнести химическую и температурную стойкость, потенциальную возможность недорогой разработки МФЧ [3].

Главным недостатком данного материала является отсутствие хорошо известных технологий микроструктурирования.

После выбора материала МФЧ, необходимо решить каким способом создать систему микроканалов. Контактная фотолитография, объёмная или поверхностная микромеханическая обработка, жидкостное химическое или плазмохимическое травление также могут быть использованы для создания необходимых микроструктур [4]. В виду доступности, для создания микроканалов на стеклянной поверхности чипа, был выбран метод фотолитографии. Процесс фотолитографии представлен на рисунке 2.

в — проявление фоторезиста;

г — снятие слоя хрома;       4 — УФ-излучение;

д — травление подложки;     5 — фотошаблон;

е — снятие слоя фоторезиста

• и защитного слоя металла

Рисунок 2. Процесс фотолитографии.

Создав на стеклянной пластине микроканалы, необходимо выполнить следующее требование к МФЧ – обеспечить его герметизацию. Существует несколько способов, но с учетом общих требований к МФЧ, самый оптимальный – использовать соединение структурированной пластины с второй пластиной химическим методом [3]. Проблема создания такой системы заключается в соединении двух структурированных поверхностей SiO 2 , без нарушения системы каналов и изменения свойств SiO 2 в худшую сторону.

Методом решения данной проблемы является частичное сплавление в поверхностных слоях двух поверхностей SiO 2 с минимальными отклонениями от заданной формы каналов.

Результатом работы, является экспериментальный образец микрофлюидной системы с заданными параметрами каналов (рисунок 3), используемый в экспериментальном газовом хроматографе.

Рисунок 3. МФЧ с заданной системой каналов.

Работа микрофлюидных систем с фемто и пиколитрами жидкостей позволяет на порядок снизить количество анализируемого вещества. Следовательно, снижаются расходы дорогостоящих реактивов и стоимость экспериментов или анализов.

В данной работе предложен относительно дешевый метод изготовления МФЧ, основанный на соединении структурированных стеклянных поверхностей, не предъявляющий высоких требований к подготовке окружающего воздуха. В отличие от метода описанного в литературе [3] [5], предлагается использовать комбинацию повышенной температуры и давления для обеспечения соединения поверхностей с большей степенью кривизны.