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May 04, 2024

パーフルオロオクチルによる選択的 PDMS (ポリジメチルシロキサン) 結合を使用したマイクロバルブ アレイの作製

Scientific Reports volume 12、記事番号: 12398 (2022) この記事を引用する 1048 アクセス 2 引用 メトリクスの詳細

Scientific Reports volume 12、記事番号: 12398 (2022) この記事を引用

1048 アクセス

2 引用

メトリクスの詳細

宇宙探査用のマイクロ流体分析デバイスの多用途性と堅牢性を向上させるために、プログラム可能なマイクロ流体アレイ (PMA) が実装され、さまざまなミッションをサポートしています。 PMA を設計する場合、相互汚染や漏れを避けるには常閉バルブが有利です。 ただし、これらのバルブが時間の経過とともに固着したり接着したりするのを防ぐには、安定した製造方法が必要です。 この研究では、長期宇宙探査中の PDMS の固着問題を克服するために、化学的不動態化を使用してポリジメチルシロキサン (PDMS) を選択的に結合する方法を示します。 まず、PDMS スタンプ上に、蒸発したパーフルオロオクチルトリクロロシラン (PFTCS) が、-80 kPa、150 °C の条件下で堆積されます。 次に、温度と時間を制御して PFTCS を PDMS またはガラス基板上に転写しました。150 °C で 15 分間で、選択的結合に最適な PFTCS 転写が実現しました。 これらの特性パラメータを使用して、長期の宇宙ミッションをサポートする PMA の製造を実証することに成功しました。 プレス加工された PFTCS の安定性を評価するために、PMA は 3 年間定期的にテストされましたが、スティクションや性能の変化は観察されませんでした。 飛行試験は、Cessaroni L1395 ロケットを使用して高重力加速度および振動試験が行われており、打ち上げおよび着陸条件にさらされた後も PMA の性能に違いはありません。 この成果は、宇宙探査における PMA の安定性と能力を拡張するシンプルかつ堅牢な技術としての期待を示しています。

宇宙探査用のマイクロ流体分析機器は、小さな土壌または粒子サンプルから化学組成を決定するために開発されています1、2、3、4、5。 ただし、より広範なミッションに適合するには、プログラム可能性と耐久性をさらに開発する必要があります。 プログラム可能なマイクロ流体アレイ (PMA) は、引く、押す、混合、流体分配などの自律的な流体操作を高精度で実現するように設計されています。 マイクロバルブの設計と動作パラメータは、所望の分注量と流量を達成するように定義できます。 PMA は、プログラムされたサンプル前処理、蛍光アッセイ、およびバイオセンシングで、常閉マイクロバルブを使用した多用途性を示すことが実証されています 4、6、7、8、9、10、11、12。 一般的な常閉バルブは、作動せずに流れを遮断するために、可撓性膜側またはマイクロチャネル側のいずれかにゲート構造を備えています12、13、14。 これは流体制御にとって優れた側面ではありますが、PMA の製造では、プラズマ暴露後のバルブ固着の問題を最小限に抑えるために、選択的な PDMS 接合手順が必要です 15。 さらに、PDMS は長期間接触するとガラスに弱く結合する可能性があります。 私たちの研究室で製造された PMA からの経験的証拠は、バルブが 6 か月を超えて休止すると、マイクロバルブのゲートがガラスと PDMS 基板に張り付くことを示唆しています。 火星、エウロパ、エンケラドゥスなどの目標惑星に到達するまでの一般的なタイムラインは、それぞれ約 7 か月 16、5 年 17、および 7 年 18 の距離を離れたところへ移動するため、これらの惑星の探査に PMA を使用するには、マイクロバルブの安定性の問題を解決する必要があります。期待される PMA パフォーマンスを得るために解決されました。

典型的な PMA は、ポリジメチルシロキサン (PDMS) を使用したソフト リソグラフィー技術を使用して製造され 19、20、すべての露出表面を処理する酸素プラズマによってパッケージ化されます 19、21、22。 一部の選択的結合は、不動態化化学物質を手動で塗布するか、領域を手動でブロックするか、未処理の PDMS で表面を処理することで可能です 23,24。 ただし、これらは、長期的な効果や安定性を調査することなく、複雑な微細加工されたスタンプモールドを使用した選択的な結合ではなく、3D 構造の製造に範囲が限定されています23、24。

PDMS マイクロ流体デバイスの表面特性を変更するために、さまざまなシランを使用して化学処理が行われています。 これらの中でも、パーフルオロオクチルトリクロロシラン (PFTCS) は、蒸気圧が低いため表面に堆積しやすいため、超疎水性表面の形成によく使用されます 23,25,26,27,28。 PFTCS はまた、酸素プラズマ処理後の PDMS やガラスの表面など、縮合反応を通じてヒドロキシル化された表面に安定な層を形成します 23,29。 手動による液体塗布など、パターニング方法を使用しない手動 PFTCS パシベーションは、低精度の製造に使用できますが、高精度の作動可能デバイスには、スケーラブルな選択結合方法が必要です。