Subaktivita 1.D.1.

Mikrofluidná továreň na asistovanú samostatnú montáž nanosystémov

Sektorový operačný program „Zvyšovanie hospodárskej konkurencieschopnosti“
„Investovanie do svojej budúcnosti“

■ 10. ETAPA VÝSLEDKOV

1. Vývoj technológií na výrobu mikrofluidných platforiem

Aktivita 1.D. Technológia na výrobu mikrofluidných kanálov metódou obetných vrstiev - Laboratórna technológia na výrobu mikrokanálov technikou obetných vrstiev

Subaktivita 1.D.1. Vývoj technológií založených na amorfnom kremíku ako obetnej vrstve [. ]

2.1.1. Zapuzdrenie PEI/nanoštruktúr nukleových kyselín v lipidových zásobníkoch (lipozómy)

Aktivita 1.D. Technológia na výrobu mikrofluidných kanálov metódou obetných vrstiev - Laboratórna technológia na výrobu mikrokanálov technikou obetných vrstiev a technická poznámka

Subaktivita 1.D.1. Vývoj technológií založených na amorfnom kremíku ako obetnej vrstve

Táto aktivita, ktorá sa začala v predchádzajúcej fáze (vedecká správa č. 9), pokračuje v aplikáciách technológií vyvinutých s cieľom dosiahnuť mikrofluidné zariadenia na hydrodynamické zaostrovanie. Takto bol navrhnutý, realizovaný a charakterizovaný jednoduchý systém mikrofluidných kanálov z hydrodynamického hľadiska.

Dizajn a výroba fotolitografických strojov

Obrázok 4. Hlavné kroky vo výrobnom procese kremíkovej doštičky: (a) zvýšenie tepelného oxidu; (b) vystavenie fotorezistu na lícnej strane oblátky a uskutočnenie prvého procesu Deep RIE; (c) vystavenie fotorezistora na zadnej strane oblátky a uskutočnenie druhého procesu Deep RIE; d) odstránenie fotorezistných a oxidových masiek; f) SEM obraz uskutočnenej mikrobifurkácie.

Obrázok 5. Rezaním kremíkových doštičiek a skla sa vytvorí anodická spájka pre každý jednotlivý čip.

Kremíkové a sklenené platne sa narezali na jednotlivé triesky pomocou 4-palcového rysovacieho stroja na platne s diamantovými kotúčmi s hrúbkou 25 μm a 40 μm až do maximálnej hĺbky 500 μm. (ЭM225 Rusko).

Potom sa uskutočnil proces anodického zvárania na lepenie kremíkovej doštičky sklenenou doštičkou - k zváraniu dochádza v dôsledku elektrifikácie vplyvom vrstvy tepelného oxidu na rozhraní (obrázok 6). Mikrofluidný úsek, ktorý je predmetom záujmu, musí byť navrhnutý s najmenej jednou priehľadnou stenou, aby bolo možné mikrofluidné toky vizualizovať pomocou objektívov invertovaného mikroskopu.
Ďalším krokom je lepenie mikrofluidných portov.

Pozorovaný jav sa týka spôsobu, ktorým sa pri rýchlostných profiloch vytvára asymetrický profil so zvyšovaním prietoku. Tento prejav sa vyskytuje v dôsledku zosilnenia zotrvačných účinkov spôsobených 60o odchýlkou mikrokanála pred rozdvojením Y. rýchlostné profily.

Obrázok 9. Zastúpenia Micro-PIV na rýchlostných profiloch získaných v strednej rovine mikrogeometrie (prietoky zodpovedajú 21 0 C. Dosky boli skorodované. Na stanovenie rýchlosti korózie sa merala hrúbka oxidu zostávajúca po každom koróznom kroku. Pre porovnanie v rovnakom roztoku tepelne zvýšený oxid koroduje rýchlosťou asi 100 nm/min.

2.1. Rýchlosť korózie pre oxid TEOS

Priemerná rýchlosť korózie za daných podmienok je približne 351 nm/min.

2.2. Rýchlosť korózie pre oxid SiH4 - LF

Priemerná rýchlosť korózie za daných podmienok je približne 354 nm/min.

2.3. Rýchlosť korózie pre oxid SiH4 - HF

Priemerná rýchlosť korózie za daných podmienok je približne 353 nm/min.

Po pokusoch s mokrou koróziou uložených oxidov sme zistili, že tieto tri oxidy korodujú rovnako rýchlo v rovnakom roztoku na báze kyseliny fluorovodíkovej. V porovnaní s tepelne zvýšeným oxidom ukladané oxidy korodujú 3,5-krát rýchlejšie. Záverom možno povedať, že tepelný oxid je oveľa lepší ako korózna maska pre podklad, ale ako obetná vrstva sa odporúčajú oxidy uložené v PECVD kvôli ich veľmi vysokej miere korózie. Substrát a ďalšie vrstvy uložené nad oxidom sa zavádzajú do korózneho roztoku v oveľa kratšom čase, pričom sa nežiaduce účinky na ne podstatne znižujú. Takže z hľadiska technológie založenej na obetných vrstvách sú oxidy uložené v PECVD z plynného alebo kvapalného zdroja oveľa lepšie.

3. Miera korózie v ICP-RIE (DRIE)

Na stanovenie pevnosti ako koróznej masky v DRIE sa získané oxidy podrobia štandardnému procesu spoločnosti Bosch.

Pre oxidy uložené v PECVD usudzujeme, že korózny pomer Si k SiOx (uložený v PECVD) je približne 166 až 1, a pre Si pri SiO2 (tepelne zvýšenom) je to približne 200 až 1.

4. Pohľad SEM

Na jednu z doštičiek uložených v PECVD bola nanesená maska fotorezistu a mikrokanálik korodoval v oxide. Dospeli sme k záveru, že meranie SEM potvrdzuje hodnoty namerané refraktometrom. Oxid uložený v PECVD je oveľa vhodnejší pre technológiu obetnej vrstvy v porovnaní s vysoko tepelným oxidom.

2.1.1. Zapuzdrenie PEI/nanoštruktúr nukleových kyselín v lipidových zásobníkoch (lipozómy)

Obr. 1. Rozhranie voda-lipid pre geometriu so štvorcovým prierezom 1x1 um: t = 0,0023 s.

Obr. 3. Rozhranie voda-lipid pre geometriu so štvorcovým prierezom 1x1 um: t = 0,0025 s.

Obr. 4. Rozhranie voda-lipid pre geometriu so štvorcovým prierezom 1x1 um: t = 0,0026 s.

Obr. 5. Rozhranie voda-lipid pre geometriu so štvorcovým prierezom 1x1 um: t = 0,0027 s.

Obr. 6. Rozhranie voda-lipid pre geometriu so štvorcovým prierezom 1x1 um: t = 0,0028 s.

Obr. 7. Rozhranie voda-lipid pre geometriu so štvorcovým prierezom 1x1 um: t = 0,0029 s.

Obr. 8. Rozhranie voda-lipid pre geometriu so štvorcovým prierezom 1x1 um: t = 0,0036 s.

Obr. 9. Rozhranie voda-lipid pre geometriu hele-shaw: t = 0,0015 s.

Obr. 10. Rozhranie voda-lipid pre geometriu hele-shaw: t = 0,0016 s.

Obr. 11. Rozhranie voda-lipid pre geometriu hele-shaw: t = 0,0017 s.

Obr. 12. Rozhranie voda-lipid pre geometriu hele-shaw: t = 0,0018 s.

Obr. 13. Rozhranie voda-lipid pre geometriu hele-shaw: t = 0,0019 s.

Obr. 14. Rozhranie voda-lipid pre geometriu hele-shaw: t = 0,0020 s.

Obr. 15. Rozhranie voda-lipid pre geometriu hele-shaw: t = 0,0021 s.

Obr. 15. Rozhranie voda-lipid pre geometriu hele-shaw: t = 0,0022 s.

Magnetoforetické zariadenie na manipuláciu s magnetolipozómami

S cieľom analyzovať vplyv geometrie na tok tekutiny s nanočasticami v magnetofore sa uskutočnili numerické simulácie na geometrii znázornenej na obr. 17. Použila sa ortogonálna diskretizácia výpočtového rozsahu, pričom tekutina nabitá nanočasticami sa transportovala cez mikrokanál veľmi nízkou rýchlosťou 0,001 m/s.
Charakterizácia prietoku sa uskutočňovala distribúciou prúdu v potrubí (obr. 18.), distribúciou rýchlosti (obr. 19.) a tlakovou distribúciou (obr. 20.). Všetky tieto distribúcie naznačujú laminárny tok a potvrdené znázornením trajektórií nanočastíc (obr. 21.) môžeme dospieť k záveru, že trajektórie nanočastíc nie sú narušené lineárnou zmenou veľkosti kanála, čo umožňuje recirkuláciu bez recirkulácie týchto nanočastíc.

Obr. 17. Detailná diskretizácia tokovej domény: geometria typu magnetoforu.

Obr. 19. Rozdelenie prietokov v magnetoforetickom prístroji na manipuláciu s magnetolipozómami.

Obr. 20. Rozdelenie prietokových tlakov v magnetoforetickom zariadení na manipuláciu s magnetolipozómami.

Obr. 21. Zastúpenie trajektórií nanočastíc v magnetoforetickom prístroji.

2.1.2. Charakterizácia funkcionalizovaných magnetolipozómov spektrometriou FTIR a elektrónovou skenovacou mikroskopiou [hore]

Infračervená molekulárna absorpčná spektrometria je analytická technika, ktorá sa široko používa predovšetkým na kvalitatívnu analýzu anorganických látok, ale najmä organických látok, na základe charakteristických absorpčných spektier v dôsledku vibrácií atómov v rôznych skupinách analyzovaných molekúl. Na štúdium chemických procesov a štruktúry chemických zlúčenín je možné použiť spektrometriu s infračervenou Fourierovou transformáciou (FTIR). Použil sa spektrometer Bruker Tensor 27 FTIR, pričom vzorky sa zaznamenávali v spektrálnom rozmedzí medzi 4000 - 400 cm-1, pričom stav agregácie vzoriek bol tuhý, peletovaním spektra pomocou transmisného modulu sa granuloval spektrum bromidom draselným (KBr).

Spektrum nanočastíc Fe2O3:

Vzorka je charakterizovaná spektrálnymi pásmi, ktoré sa objavujú pri 576 cm-1, respektíve 440 cm-1, pásmi, ktoré možno pripísať vibračnému režimu väzby Fe-O, ν (Fe-O). Spektrálne pásy od 3428 cm-1 a 1 616 cm-1 možno pripísať režimu rozťahovania, v (OH), respektíve deformácii, ô (OH), väzby O-H.

Spektrum nanočastíc Fe2O3 potiahnutých polyetylénimínom (PEI):

Vzorka je charakterizovaná spektrálnymi pásmi, ktoré sa objavujú pri 632 a 577 cm-1, intenzívnejšie ako tie, ktoré sa nachádzajú pri 630 a 584 cm-1 v spektre Fe2O3-PEI. Tiež pásy umiestnené na 1384 a 1048 cm-1 sú oveľa výraznejšie, čo naznačuje konformačné preskupenie polyméru v kontakte so zlatými nanočasticami.

Spektrum nanočastíc Fe2O3 potiahnutých polyetylénimínom (PEI) funkcionalizovaných koloidným zlatom a kovovým zlatom

Vzorka je charakterizovaná zmiznutím alebo znížením intenzity niektorých spektrálnych pásiem. Napríklad pásy umiestnené na 632 a 577 cm-1 vo vzorke Fe2O3-PEI-Au zmiznú a iba pás z 564 cm-1 je dobre definovaný. .

Na charakterizáciu morfológie funkcionalizovaných nanočastíc oxidu železa sa použila skenovacia elektrónová mikroskopia (SEM). Vzhľadom na to, že technika SEM neodráža presne veľkosť nanočastíc, musí sa hodnotenie skutočných rozmerov vykonať pomocou iných techník, ako je transmisná elektrónová mikroskopia (TEM) alebo röntgenová difrakcia (XRD). Posledná uvedená bola použitá na identifikáciu typu oxidu železitého a veľkosti nanočastíc. Poloha difrakčných maxím je ilustrovaná nižšie a veľkosť nanočastíc bola vypočítaná pomocou techniky Williamson-Hall, ktorá sa odhaduje na menej ako 10 nm.

Vyššie uvedené typy DNA nie sú jedinými typmi DNA, ale sú aj najbežnejšie. Mnoho meraní transportu DNA sa vykonáva na štruktúre DNA bakteriofága λ.
Transportné vlastnosti v zásade závisia od konfigurácie DNA a dĺžky molekúl [9]. Pozorovalo sa však, že pre veľmi krátke štruktúry DNA (stovky nm) sú to vodiče elektriny do niekoľkých voltov, po ktorých sa vedenie zastaví. Ale kvôli interakcii π-π * medzi komplementárnymi bázami (prekrytie medzi π orbitalmi) sa DNA správa ako polovodič so zakázaným pásmom 3,75 eV, takže ide o širokopásmový polovodič ako GaN alebo AlN. Toto spojenie medzi orbitálmi predstavuje vodivý mechanizmus nezávislý od štruktúry DNA a je základom transportu polovodičového typu, ktorý je viac alebo menej tehotný, v rôznych konfiguráciách DNA.

Periodické poly-G poly-C DNA štruktúry [10] sa najlepšie študujú ako DNA polovodičové štruktúry, pretože obsahujú jeden opakovaný pár báz. V zásade vďaka elektrickej negativite kostry DNA môže štruktúra dvoch elektród uzavretých vo vzdialenosti niekoľkých nm správne polarizovaných priťahovať a udržiavať medzi elektródami extrémne krátku štruktúru DNA (10 nm). Pri vedení DNA sa tunelovanie, skoky nosičov medzi lokalizovanými stavmi a vedenie pásma považujú za transportné mechanizmy. Všetky tieto typy transportu sa nachádzajú v rôznych meraniach rôznych typov DNA [9].

Dá sa jednoducho povedať, že k vedeniu dochádza v dôsledku rozdielov v hladinách Fermi v elektródach a molekulárnych pásmach DNA a DNA je polovodič s kontinuálnymi energetickými pásmami. V zásade sa elektrónové čističe prenášajú do DNA tunelovaním.

Sekvencia DNA použitá v procese imobilizácie bola nasledovná:
5'-SH-TGTAAAAGTAATAAAAATAATATTCCGGACGACTTTTACTGACTTATATTTGAACACCATCAACCTCGACCACCGCATCCG
TTCTC ACGGAACTGCTATGTCGATTAAGTCTTAGTAAAAA-3 ‘

Komplementárna sekvencia DNA bola:
5'-Cy3-TTTTACTAAGACTTAATCGACATAGCAGTTCCGTGAGAACGGATGCGGTGGTCGAGGTTGATGGTGTTCAAATATAAGTCA
GTAAAA GTCGTCCGGAATATTATTTTTATTACTTTTACA-3 ‘

Na obrázku vyššie môžete vidieť dve škvrny: najintenzívnejšou (umiestnenou vľavo) je vzorka s funkčnou DNA Fe2O3-PEI-AuAu, ktorá sa odoberá z reakčnej zmesi bez toho, aby sa čistila postupným premývaním na odstránenie prebytok komplementárnej sekvencie DNA značenej fluorescenčným markerom, ktorý je v prebytku, nereagoval so sekvenciou DNA predtým imobilizovanou na Fe2O3-PEI-AuAu. Škvrna vpravo, menej intenzívna, je výsledkom rovnakých nanočastíc, ktoré interagovali so sekvenciou DNA imobilizovanou na Fe203-PEI-AuAu, ale ktoré sa purifikovali opakovaným premývaním. Úspešnosť hybridizačnej reakcie je indikovaná fluorescenciou týchto posledných hybridizovaných nanočastíc.

Syntéza Fe2O3Syntéza Fe2O3-PEISyntéza Fe2O3-PEI-AuSyntéza Fe2O3-PEI-AuAuImobilizácia DNA na syntéze Fe2O3-PEI-AuAuDoplnková hybridizácia DNA