Integration von Sauerstoffsensorfolien in mikrofluidische Chips

Anwendbarkeit von VisiSens™ in Mikrokanälen durch Ultraschallschweißen

Wir haben das VisiSens™ A1-Bildgebungssystem auf seine Anwendbarkeit in Mikrokanälen untersucht, um einen mikrofluidischen Chip mit integrierter Sauerstoffsensorik zu entwickeln. Die hier beschriebenen Experimente konzentrieren sich auf die Herstellung von Mikrokanälen durch Ultraschall-Heißprägen und -Schweißen und die Integration von Sauerstoffsensorfolien in diese Kanäle, entweder durch Ultraschallschweißen oder durch Verwendung von nicht fluoreszierendem Klebstoff. Für das Ultraschallschweißen der Sensorfolie wurden verschiedene Methoden ausprobiert. Wir fanden heraus, dass ein rahmenförmiges Werkzeug am besten geeignet ist, um die Sensorfolie in einen Mikrokanal einzuschweißen. Entlang der Schweißnaht ist die Sauerstoffsensibilität der Sensorfolie beeinträchtigt, aber die Fläche innerhalb des Rahmens zeigt die erwarteten Sauerstoffwerte, wie in den folgenden Tests festgestellt wurde. Wir haben auch bestätigt, 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 können 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, können sie überall eingesetzt werden. Es werden nur kleine Tropfen von Probenflüssigkeiten benötigt, was ressourceneffizient ist und die Reaktions- und Analysezeiten beschleunigt. Die mikrofluidischen Chips, die in dieser Studie verwendet wurden, wurden mit einem Ultraschall-Heißprägeverfahren und einem Schweißverfahren 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 räumlicher Auflösung ermöglicht, es die getesteten Flüssigkeiten nicht verändert, und seine Sauerstofferfassungsfähigkeit unabhängig von der Strömungsrate von Flüssigkeiten ist, könnte es eine geeignete Lösung für Lab-on-a-Chip-Systeme darstellen.
Die Sauerstoffsensorfolien mussten in Mikrokanäle integriert werden, die durch Ultraschall-Heißprägen erzeugt wurden. Zur Integration wurden entweder nicht fluoreszierender Klebstoff oder Ultraschallschweißen verwendet. Es wurden mehrere Experimente durchgeführt, um zu bestimmen, ob diese Integrationsmethoden die Sensorfolie beeinträchtigen würden und ob ein mikrofluidischer Chip mit integrierter Sauerstoffsensorik geschaffen werden könnte.

Erstellen von Mikrokanal-Systemen durch Ultraschall-Heißprägen und -Schweißen

Dieser Vorgang wird mit einer handelsüblichen Ultraschallschweißvorrichtung 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 Schweißen mit einem Deckel zu verschließen (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 Ultraschallschweißen, da sowohl die Sensorfolie als auch der Kanal den gleichen Schmelzpunkt haben müssen. Zwei Chips wurden hergestellt; die Form des in die Polymerfolie eingeschweißten Mikrokanals ist in Abb. 2A dargestellt. Diese Form wurde gewählt, um genügend Platz für die Integration der Sensorfolie zu haben. Im ersten mikrofluidischen Chip wurde die Sensorfolie durch Ultraschallschweißen mit einem rahmenförmigen Werkzeug befestigt (Abb. 2B + C). Vorversuche haben gezeigt, dass dies die beste Methode ist, den Sensor in den Mikrokanal einzuschweißen. 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 aushärten, jedoch waren mehrere Tage des Aushärtens erforderlich, bevor die geklebte Folie voll belastungsfähig war. Nachdem die Sensorfolien in den Mikrokanälen befestigt waren, wurde auf jeden Mikrofluidik-Chip ein Deckel von 4 mm Dicke mit zwei Löchern für die Flüssigkeitszufuhr geschweißt (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 Natriumsulfitlösung (1 %) in den erzeugten Mikrofluidik-Chips gemessen. Die Detektoreinheit wurde, wie in Abb. 3 gezeigt, aufgebaut; eine Box wurde verwendet, um das Umgebungslicht während der Sauerstoffbildgebung abzuschirmen. Ein erstes Bild der Sensorfolie, die in den Mikrokanal geschweißt worden war, wurde in Umgebungsluft aufgenommen. Der Bereich der Schweißnaht (Rahmenform) wies Sauerstoffkonzentrationen zwischen 33 - 51 % Luftsättigung 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 Schweißnaht beeinträchtigt. Der Rest der Sensorfolie zeigte jedoch die erwarteten Sauerstoffwerte, wie durch die Verwendung eines Tropfens Natriumsulfitlösung bestätigt werden konnte (Abb. 4B). Um den mikrofluidischen Chips mit der geklebten Sensorfolie zu testen, wurden zuerst Wasser, dann Natriumsulfitlösung (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 Schweißen mit einem rahmenförmigen Werkzeug angewendet werden kann, um die Sauerstoffsensorfolie in einen Mikrokanal zu integrieren. Weitere Tests sollten durchgeführt werden, um festzustellen, ob das Schweißen eine wirtschaftlichere Lösung darstellt, da es nur wenige Sekunden dauert, verglichen mit den langen Aushärtungszeiten, wenn Klebstoff verwendet wird. Andererseits könnten 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 Ultraschallheißprägeprozess mit laserpolierten Werkzeugen