Quin paper tenen les planxes de calefacció en l'enllaç tèrmic dels xips microfluídics?

Els xips microfluídics per a diagnòstics mèdics i dispositius de laboratori amb xip inclouen canals que tenen menys de l'amplada d'un cabell humà. Es fan fondant dues làmines de vidre o plàstic amb calor i pressió. La placa de calefacció que fa la unió ha de transmetre la seva calor amb precisió quirúrgica, o els canals poden col·lapsar-se o deformar-se. En el sector de la microfluídica en ràpid creixement, la qualitat del segell adherit afecta significativament la funcionalitat del dispositiu, amb aplicacions que van des del diagnòstic del punt{3}}de-atenció fins a les plataformes d'òrgans-un-xip. Un canal amb fuites o sorollós fa que el xip no tingui valor. Així, el procés d'unió de xips microfluídics de la placa de calefacció és un pas important de fabricació. Requereix una excel·lent uniformitat de temperatura, una resposta ràpida i superfícies netes.

El procés d'unió: calor, pressió i precisió
L'enllaç tèrmic dels xips microfluídics sovint inclou dues capes de substrat -, ja sigui de vidre o polímers termoplàstics com ara COC (copolímer d'olefina cíclica) o PMMA (metacrilat de polimetil). Una capa conté els microcanals, que estan gravats o modelats a la seva superfície, i l'altra capa és la capa de coberta. Aquestes dues làmines estan perfectament alineades i col·locades entre les plaques calentes de la premsa de laboratori o un equip d'unió específic.

El conjunt s'eleva a la temperatura d'unió mitjançant platines que apliquen una força controlada. A aquesta temperatura, les superfícies del polímer es tornen prou flexibles com per permetre la interdifusió molecular a través de la interfície per establir un segell permanent i hermètic. Amb encenalls de vidre el mecanisme és el mateix, però a temperatures elevades (sovint 500-650C). Les superfícies s'uneixen per interdifusió d'àtoms sota pressió.

El repte clau és que els microcanals, de vegades de 10 a 100 micròmetres d'amplada i profunditat, han d'estar completament oberts i sense distorsionar. Si la temperatura és massa baixa, la unió serà feble o parcial i es produiran fuites. Si la temperatura és excessivament alta o no -uniforme, el polímer flueix als canals, bloquejant-los parcialment o completament. Un grau, una micra és la diferència entre un xip impecable i un pisapapers.

Placa d'enllaç microfluídic: característiques clau
Excel·lent uniformitat de temperatura
Com que l'àrea d'unió sol ser modesta (per exemple, . 50 mm × 50 mm fins a 200 mm × 200 mm), és necessària una temperatura constant a tota la superfície de la placa. L'especificació estàndard per a l'enllaç microfluídic especifica una consistència de ± 0,5 graus sobre la superfície de la placa utilitzable. Els punts calents de la localitat indueixen un suaviment prematur i el col·lapse dels canals, mentre que els llocs freds produeixen regions sense unió. Per aconseguir aquest nivell d'uniformitat es requereix una col·locació precisa de l'escalfador, una gestió multi-zona o un cos de platina gran d'alumini amb una forta conductivitat tèrmica per suavitzar els gradients de temperatura restants.

Nota de disseny: el termoparell s'ha d'implantar molt a prop de la superfície superior de la platina (dins d'1-2 mm) per tal de donar un control de temperatura més sensible i precís en lloc d'un termoparell enterrat profundament al bloc de platina. La detecció a la superfície redueix el retard entre la lectura del controlador i la temperatura real a la interfície d'enllaç, que és especialment rellevant per a dispositius de polímer prim amb massa tèrmica baixa.

Petita massa tèrmica, resposta tèrmica ràpida
En el processament per lots, l'enllaç microfluídic uneix diversos conjunts de xip un darrere l'altre. Els cicles de calefacció i refrigeració més curts augmenten el rendiment. Per tant, les platines per a aquest ús generalment es fabriquen d'alumini, que té una alta conductivitat tèrmica (≈205 W/m·K) i una densitat relativament baixa, en lloc d'acer. La difusivitat tèrmica de l'alumini permet que la platina reaccioni ràpidament a les modificacions fetes pel controlador PID. No obstant això, s'ha de tenir cura d'evitar que l'alumini es crema prop del seu punt de fusió; per a la unió de vidre per sobre de 500 graus, s'utilitzen diferents materials com ara plats d'acer inoxidable o ceràmica.

Llis, polit i lliure de contaminants.
La superfície de la placa que entra en contacte amb el xip microfluídic s'ha de polir fins a obtenir una brillantor de mirall (sovint Ra 0,4 μm o millor). Qualsevol raspalla, partícula o defecte superficial es transfereix al polímer suavitzat, provocant canals de fuites o defectes òptics. A més, la platina ha d'estar neta químicament i no -contaminant. Per a l'enllaç de polímers, qualsevol agent d'alliberament o residu superficial pot interferir amb el procés d'enllaç molecular. Moltes plaques d'unió estan lleugerament recobertes de PTFE o algun altre material antiadherent, o simplement són d'alumini nu polit que es neteja escrupolosament entre cicles.

Quan s'utilitza per a la detecció o la imatge de fluorescència, la placa no ha d'impartir cap rugositat superficial o boira a l'exterior del xip. És habitual un plat polit amb una capa intermedia protectora, com ara una pel·lícula d'alliberament neta.

Intervals de temperatura dels materials microfluídics comuns
La temperatura i la pressió d'unió requerides per al material d'encenall són diferents. La placa calefactora ha de ser constant sobre el rang de temperatura d'interès.

Temperatura del material de pressió d'unió Notes
COC (copolímer d'olefina cíclica) 110-130 graus 2-5 kN Absorció d'aigua baixa PMMA biocompatible (metacrilat de polimetil) 100-115 graus 3-6 kN Punt de fusió més baix que COC, propens a arrastrar-se
Policarbonat (PC) 120-150 graus 4-8 kN Duresa millorada, baixa resistència química
Vidre (borosilicat) 550-650 graus 1-3 kN Rates de rampa lentes per evitar esquerdes per tensió
Les temperatures d'enllaç típiques per a polímers comuns com ara COC i PMMA estan en el rang de 100 a 150 graus. A aquestes temperatures, les platines d'alumini amb escalfadors de cartutxos o escalfadors de cautxú de silicona incrustats funcionen bé. Per als xips de vidre, és necessari l'ús de plaques calentes de NiCr o SiC amb canals de refrigeració precisos.

Control PID i dades de procés
Sovint s'utilitza una placa escalfada per a l'enllaç microfluídic amb un controlador de temperatura PID (derivat proporcional-integral-). La platina arriba al punt de consigna sense sobrepassar i es manté a aquesta temperatura amb toleràncies molt ajustades (sovint ± 0,1 graus o millor) a causa del control PID. El controlador llegeix des d'un termoparell (Tipus J, K o T) inserit al cos del plat, preferiblement a prop de la superfície, com s'ha esmentat anteriorment.

A més de la temperatura, el procés d'unió necessita una gestió acurada de:

Velocitat d'augment de temperatura: Normalment 5-20 o C/min. Massa aviat provoca estrès per calor i deformació.

Temps de remull: 5-30 minuts a temperatura d'unió, per permetre la interdifusió del polímer o l'activació de la superfície del vidre.

Velocitat de refrigeració: el refredament controlat (p. ex., . 5–10 graus per minut) evita l'estrès residual al xip unit.

Enllaç-UV: una variació
Determinats xips microfluídics s'uneixen mitjançant mètodes assistits per UV-, especialment per a materials que no són fàcils d'unir amb mitjans tèrmics (per exemple, PDMS al vidre) o on es requereixen temperatures molt baixes per mantenir les molècules biològiques incrustades. En aquests mètodes, la placa de calefacció pot ser transparent a la llum ultraviolada o contenir una obertura central, a través de la qual la radiació ultraviolada es pot dirigir al contacte d'enllaç. La placa encara aplica calor (normalment només 40-60 °C) i pressió mentre que els UV inicia la reticulació d'una capa intermèdia enganxosa. Aquesta aplicació única està disponible amb platines de calefacció amb finestres de quars o obertures avorrides.

Impactes sobre la qualitat del mal rendiment del plat
Un rendiment inadequat de la platina comportarà una unió deficient, que es veurà de moltes maneres:

Col·lapse del canal: el polímer flueix al canal a causa d'una temperatura o pressió excessives, reduint la-secció transversal o segellant-la completament. Detectat mitjançant inspecció visual o mesura de cabal.

Vinculació incompleta. Els punts freds deixen zones sense unir, provocant fuites en servei. Proves de penetració del colorant o disminució de pressió segons especificat.

Deformació: el xip es deforma fora del pla sota una temperatura o un refredament no-uniformes i, per tant, no és adequat per a la integració amb interconnexions fluídiques o sistemes òptics.

Contaminació superficial: la superfície de l'encenall es fa malbé per plaques rugoses o brutes, dispersant la llum i perjudicant la detecció òptica.

Tots aquests errors s'eviten amb un bon disseny, un sistema de planxa de calefacció ben cuidat.

Conclusió
La placa d'escalfament d'enllaç microfluídic és un instrument molt sensible on el control tèrmic determina directament la qualitat del producte. Fa més que proporcionar calor. Ha de donar una excel·lent uniformitat de temperatura (normalment ± 0,5 graus), una resposta tèrmica ràpida i previsible, una superfície lliure de contaminació-polita i un funcionament estable a les temperatures d'unió especificades de vidre o polímers com ara COC i PMMA. Una característica de disseny petita que té un impacte desmesurat en la controlabilitat i la repetibilitat són els termoparells col·locats a prop de la superfície del plat. La necessitat de precisió en la fabricació de dispositius microfluídics augmenta a mesura que aquests dispositius continuen reduint-se i augmenta el seu ús en medicina personalitzada i cribratge d'alt rendiment-. Tot i que sovint no es té en compte al laboratori general-en-un-xip, la placa de calefacció és un dels facilitadors essencials per a la fabricació de xips microfluídics fiable i-d'alt rendiment.