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Bitte beziehen Sie sich beim Zitieren dieses Dokumentes immer auf folgende
URN: urn:nbn:de:bsz:25-opus-78233
URL: http://www.freidok.uni-freiburg.de/volltexte/7823/


Riegger, Lutz

Back-end processing in lab-on-a-chip fabrication

Nachgestellte Prozessschritte in der Fertigung von Lab-on-a-Chip Systemen

Dokument1.pdf (24.522 KB) (md5sum: d9441463680275f23405fb07fc5446fc)

Kurzfassung in Englisch

This thesis presents back-end processing steps for polymer labs-on-a-chip which permit the realization of complex applications like biological assays on chip.
Pre-treatment for surface cleaning, hydrophilization to promote capillary action, selective hydrophobization for flow control, dry reagent pre-storage to enable fully integrated chips as well as biocompatible sealing to ensure operation and biological activity after processing are covered. Most of these processing steps are developed on a sample lab-on-a-chip which aims for the on-chip amplification of mRNA by nucleic acid sequence based amplification (NASBA).
In detail, pre-treatment of chips with hydrogen peroxide is introduced which effectively sterilizes polymer surfaces. As hydrophilic coating, PEtOx-BP, PDMAA-BP and PEG are evaluated in respect to hydrophilicity. All coatings render polymer surfaces strongly hydrophilic (water contact angle < 40°). It is further determined that only PEG exhibits full NASBA compatibility.
A new method for the selective surface patterning of microfluidic chips with hydrophobic fluoropolymers is developed and demonstrated by the fabrication of hydrophobic valves via dispensing. It enables efficient optical quality control for the surface patterning due to incorporated dyes thus permitting low-cost production of highly reliable hydrophobic valves. Specifically, different dyes for fluoropolymers are investigated and two fluoropolymer-solvent- dye solutions based on fluorescent quantum dots (QD) and carbon black (CB) are presented in detail. The latter creates superhydrophobic surfaces (typical layer thickness: 2 µm) on arbitrary substrates, e.g. chips made from cyclic olefin copolymer (COC, ~ 157.9°), provides very good visibility for the visual quality control in polymer labs-on-a-chip and increases burst pressures of hydrophobic valves by up to 35 %. On the sample lab-on-a-chip, the quality control in combination with Teflon-CB as coating reduces the burst pressure variability from 14.5 % down to 6.1 % compared with Teflon-coated valves.
Two approaches for the pre-storage of bioreagents, i.e. spotting and drying as well as spotting and freeze-drying are presented and evaluated. Multiple 25 nL droplets of reagents are dispensed into sample reaction chambers while preventing any contact with the adjacent walls for the spotting and drying. The concept is validated for primers and probes by successfully conducting NASBA for mRNA of three different human papilloma virus (HPV) types, even after 2.5 months of storage. For spotting and freeze-drying, reagents are dispensed on frozen substrates whereas multiple droplets form small reagent pillars. These pillars are successfully freeze-dried on-chip using a custom-developed protocol. Rehydration and positive NASBA amplification of susceptible enzymes is demonstrated after three weeks.
Biocompatible sealing is realized via temperature diffusion bonding and adhesive bonding. The former process is optimized by the introduction of a transparent compound foil which allows for optical read-out techniques. With the adapted process, strongly bonded test chips are produced (delamination pressure > 3 bar). A potentially negative temperature impact of the sealing process on pre-stored reagents is further excluded for a minimum distance of 180 µm between interface and reagents. Finally, it is demonstrated that PEG
as hydrophilic coating can interfere with temperature diffusion bonding as residual PEG on the chip surface promotes delamination. For adhesive bonding as versatile approach for the sealing of polymer microfluidic chips, the influence of process parameters is investigated. Specifically, a process chain comprising pre-processing, adhesive transfer as well as post-processing is presented and parameter recommendations are provided. As device for adhesive transfer, a modified laminator is utilized which transfers thin layers of adhesive onto only the chip surface via a silicone roll. Using this device and a high temperature compatible (Tg > 100°C) epoxy adhesive, adhesive layers in the range of 2 - 4 µm can be reproducibly transferred (CV < 4 %). For best bonding results, it is recommended to provide 2.5 µm thin layers of adhesive in combination with a subsequent evacuation step at 10 mbar for 3 hours.
Further, it is proposed to integrate capture channels near large, featureless areas to compensate for variations in processing and thus prevent clogging of channels. With these recommendations, strongly bonded test chips (delamination pressure > 4 bar) can be reliably produced (yield > 80 %).
Additionally, the process is inherently compatible with Vistex as hydrophilic coating due to similar coupling chemistry.


Kurzfassung in Deutsch

Die hier vorgestellte Arbeit beschreibt nach der Fertigung durchgeführte Prozessschritte für aus Polymeren hergestellte Substrate, mit deren Hilfe sich komplexe Applikationen wie biologische Assays auf einer Lab-on-a-Chip Plattform realisieren lassen. Abgedeckt werden Vorbehandlung zur Oberflächenreinigung, Hydrophilisierung zur Unterstützung von kapillaren Befüllungsvorgängen, selektive Hydrophobisierung zur definierten Flußkontrolle, Trockenreagenzienvorlagerung zur Realisierung von vollintegrierten Systemen sowie biokompatible Deckelung um die generelle als auch biologische Funktionalität zu ermöglichen. Die Entwicklung der meisten dieser Prozessschritte wird auf einem Lab-on-a-Chip System durchgeführt, mit welchem sich mRNA durch die sogenannte NASBA-Reaktion amplifizieren läßt.
Im Detail wird eine Vorbehandlung der Polymer-Substrate mit Wasserstoffperoxid vorgeschlagen um diese effektiv zu sterilisieren. Als hydrophile Beschichtung werden PEtOx-BP, PDMAA-BP und PEG untersucht. Mit allen diese Beschichtungen können stark hydrophile Oberflächen (Kontaktwinkel gegen Wasser < 40°) hergestellt werden. Es wird des Weiteren gezeigt, dass nur PEG vollständige Kompatibilität zur NASBA-Reaktion aufweist.
Eine neu entwickelte Methode zur selektiven Oberflächenbeschichtung von mikrofluidischen Substraten mit hydrophoben Fluoropolymeren wird anhand der Herstellung von hydrophoben Ventilen durch Dispensieren demonstriert.
Die Methode ermöglicht effiziente optische Qualitätskontrolle durch die Verwendung von Farbstoffen und damit die kostengünstige Herstellung von zuverlässigen hydrophoben Ventilen. Speziell werden verschiedene, mit Fluoropolymerlösungen mischbare Farbstoffe untersucht und zwei Polymer-Farbstoff-Lösungen, basierend auf fluoreszierenden Quantum-Dots sowie Ruß, im Detail präsentiert. Mit Hilfe von Ruß lassen sich superhydrophobe Schichten mit typischen Dicken von 2 µm auf jeglichen Oberflächen herstellen, zum Beispiel auf zyklischen-Olefin-Copolymeren (COC, ~ 157.9°). Zudem verfügen die Schichten über einen sehr guten Kontrast für die visuelle Qualitätskontrolle auf polymerbasierten Lab-on-a-Chip-Substraten und verstärken die Ventile um bis zu 35 %. Auf dem Beispiel-Lab-on-a-Chip System führt die Qualitätskontrolle in Zusammenspiel mit der Teflon-Ruß Beschichtung zu einer Verbesserung der Ventilvariabilität von 14.5 % auf 6.1 % im Vergleich zu nur Teflon-beschichteten Ventilen.
Zwei Ansätze für die Vorlagerung von Reagenzien, namentlich das Dispensieren und Trocknen sowie das Dispensieren und Gefriertrocknen, werden vorgestellt und evaluiert. Bei dem ersten Ansatz werden mehrere 25 nL Tropfen von Reagenzienlösung in Reaktionskammern dispensiert wobei jeglicher Kontakt der Reagenzienlösungen mit den Kammerwänden ausgeschlossen
werden kann. Der Ansatz wird validiert für Primer und Sonden durch die erfolgreiche NASBA-Amplifikation von mRNA dreier verschiedener Pappilomaviren (HPV) direkt nach der Trocknung sowie nach zweieinhalb Monaten der Lagerung. Für das Dispensieren und Gefriertrocknen werden Reagenzienlösungen auf gefrorene Substrate dispensiert. Bei der Abgabe von mehreren
Tropfen frieren Folgetropfen direkt auf den vorherig dispensierten Tropfen ein. Die gefrorenen Reagenzien werden erfolgreich gefriergetrocknet mit einem speziell hierfür entwickelten Protokoll. Die erfolgreiche NASBA-Amplifikation von mRNA mit auf diese Weise gefriergetrockneten Enzymen wird nach 3 Wochen gezeigt.
Die Biokompatible Deckelung wird durch Heißlaminieren sowie eines Klebeprozesses realisiert. Der Prozess des Heißlaminierens wird hierbei durch die Einführung einer transparenten Verbundfolie optimiert, da dadurch optische Auslesetechniken eingesetzt werden können. Mit dem angepaßten Prozess können stark belastungsresistente Verbünde hergestellt werden (Delaminationsdruck> 3 bar). Ein übermäßiger Temperatureintrag für vorgelagerte Reagenzien durch den Deckelungsprozess kann hierbei für einen Abstand von mindestens 180 µm zwischen Reagenzien und Deckelunterseite ausgeschlossen werden. Abschließend wird gezeigt, dass PEG-Rückstände auf der Substratoberfläche in Zusammenspiel mit dem Heißlaminieren zur Delamination der Verbundfolie führen können. Für den Klebeprozess als vielseitiger Ansatz für die Deckelung von polymerbasierten mikrofluidischen Substraten werden Einflußparameter auf den Gesamtprozeß eingehend untersucht. Im Detail wird eine Prozeßkette von der Vorbehandlung über den Kleberauftrag bis hin zur Nachprozessierung vorgestellt, inklusive mehrerer Parameterempfehlungen.
Zum Klebeauftrag wird ein modifizierter Laminator verwendet mit welchem sich definiert dünne Klebeschichten auf Substratoberflächen unter Zuhilfenahme einer Silikonwalze übertragen lassen. Ein Hochtemperaturepoxidkleber (Tg > 100°C) lässt sich hiermit im Schichtdickenbereich zwischen 2 - 4 µm reproduzierbar (CV < 4 %) auf Substrate aufbringen. Zur Erreichung bester Ergebnisse wird das Auftragen von 2.5 µm dicken Schichten in Kombination mit einem nachfolgenden Evakuierungsschritt bei 10 mbar für 3 h empfohlen.
Außerdem empfiehlt sich das Integrieren von sogenannten Fängerkanälen neben größeren, unstrukturierten Flächen um Prozessvariationen und damit das Risiko der Kanalblockierung durch überschüssigen Kleber zu minimieren. Mit diesen Empfehlungen lassen sich stark belastungsresistente Verbünde (Delaminationsdruck > 4 bar) zuverlässig herstellen (Yield > 80 %). Zusätzlich ist der Prozeß durch die ähnliche Kopplungschemie kompatibel mit Vistex als hydrophiler Beschichtung.


SWD-Schlagwörter: Prozess <Technik> , Humanes Papillomavirus , Lab on a Chip , Fluidik
Freie Schlagwörter (englisch): Lab-on-a-chip , back-end processing , surface modification , reagent storage , biocompatible sealing
Institut: Institut für Mikrosystemtechnik
Fakultät: Technische Fakultät (bisher: Fak. f. Angew. Wiss.)
DDC-Sachgruppe: Technik
Dokumentart: Dissertation
Erstgutachter: Zengerle, Roland (Prof. Dr.)
Sprache: Englisch
Tag der mündlichen Prüfung: 04.11.2010
Erstellungsjahr: 2010
Publikationsdatum: 06.12.2010
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