Nhiều vật liệu khác nhau đang được sử dụng để chế tạo các thiết bị và hệ thống microfluidic. Silicon là một trong những vật liệu phổ biến nhất trong chế tạo micro/nano do sự gia công cơ khí micro của nó đã được thiết lập tốt trong nhiều thập kỷ. Nhìn chung, lợi thế của việc sử dụng silicon như một vật liệu nền hay cấu trúc là do đặc tính cơ học tốt, độ bền hóa học hoàn hảo, kỹ thuật gia công được mô tả tốt và khả năng tích hợp mạch cảm biến/kiểm soát giống như chất bán dẫn [11]. Những vật liệu khác chẳng hạn như thủy tinh, thạch anh, gốm, kim loại và polymer cũng được sử dụng như chất nền và cấu trúc trong chế tạo micro/nano, tùy thuộc vào ứng dụng. Trong số những vật liệu này, polymer hay plastic gần đây trở thành một trong những vật liệu đầy hứa hẹn với những ứng dụng trong lab-on-a-chip, nhờ đặc tính vật liệu tuyệt vời của chúng đối với chất lỏng sinh hóa và chi phí sản xuất thấp. Vấn đề chính trong chế tạo các thiết bị và hệ thống microfluidic thường nằm ở việc hình thành các kênh vi lưu, những cấu trúc micro/nano then chốt của lab-on-a- chip [11].
2.2.1.1. Silicon
Những kênh vi lỏng trên chất nền silicon thường được hình thành cả bằng thuật khắc ướt (hóa học) và thuật khắc khô (plasma). Kali hydroxide (KOH), tetra-methyl ammonium hydroxide (TMAH), và ethylene diamine pyrocatechol (EDP) thường được sử dụng như chất khắc ăn mòn silicon không đẳng hướng. Trong hầu hết trường hợp, silicon dioxide (SiO2) hay silicon nitride (Si3N4) được sử dụng như vật liệu che chắn trong suốt quá trình khắc [11].
Ngoài ra, cũng có một quy trình khắc ướt đẳng hướng sẵn có sử dụng một hỗn hợp của acid fluoric (HF), acid nitric (HNO3), và acid acetic (CH3COOH), được gọi là ‚HNA‛. HNA khắc theo tất cả các hướng với tốc độ khắc như nhau [11]. Hình mô tả dạng hình khắc ướt đẳng hướng và không đẳng hướng.
Hình 2.3. Thuật khắc ướt của chất nền silicon [11]. Khắc đẳng hướng (a)
và không đẳng hướng (b,c).
Chương 2: Đại cương kỹ thuật và ứng dụng của Biochip
Thuật khắc dùng ion hoạt hóa (reactive ion etching _ RIE) cũng là một trong những quy trình khắc khô được sử dụng phổ biến nhất để tạo thành những kênh vi lưu hay những cấu trúc rãnh sâu trên chất nền silicon [11]. Trong kỹ thuật khắc khô này, năng lượng tần số phóng xạ được sử dụng để kích thích những ion trong một chất khí đến tình trạng giàu năng lượng. Những ion được kích thích cung cấp những năng lượng cần thiết để sinh ra những phản ứng vật lý và hóa học trên bề mặt được phơi của chất nền, bắt đầu quá trình khắc. RIE có thể tạo ra sự không đẳng hướng mạnh phụ thuộc vào chất khí sử dụng, điều kiện plasma, và năng lượng ứng dụng. Những thông tin chi tiết về quá trình khắc dùng ion hoạt hóa trên chất nền silicon có thể được tìm thấy trong tài liệu [11].
2.2.1.2. Thủy tinh
Chất nền thủy tinh được sử dụng rộng rãi trong chế tạo những thiết bị microfluidic và lab-on-a-chip là nhờ sự trong suốt quang học tuyệt vời và dễ dàng thẩm thấu dòng điện (electro-osmotic flow _ EOF). Khắc ướt hóa học và liên kết nấu chảy nhờ nhiệt là những kỹ thuật chế tạo thông thường của chất nền thủy tinh [11]. Những chất khắc ăn mòn được sử dụng rộng rãi nhất bao gồm acid hydrofluoric (HF), đệm acid hydrofluoric, và hỗn hợp của acid hydrofluoric, acid nitric, và nước deionize (HF, HNO3, H2O).
Vàng phủ một lớp crom thường được sử dụng làm mặt nạ khắc cho chất nền thủy tinh. Vì thủy tinh không có cấu trúc tinh thể nên chỉ đạt được những dạng khắc đẳng hướng, hình thành các rãnh hình bán cầu. Những ứng suất trên bề mặt thủy tinh gây ra những đường khắc không mong muốn vì vậy cần có công đoạn tiền xử lý trước khi khắc. Sự tôi luyện có thể được tiến hành gần như tại nhiệt độ chuyển tiếp của thủy tinh trong ít nhất 2 giờ [11].
Hình 2.4 . Những kênh vi lỏng trên chất nền thủy tinh [11].
a,b) Những kênh được khắc kém chất lượng, c) Kênh được khắc tốt, không có khuyết điểm.
Chất nền thủy tinh được sử dụng thành công vào ứng dụng lab-on-a-chip là chip điện di mao dẫn (capillary electrophoresis _ CE) nhờ đặc tính lợi thế nhất của thủy tinh là tính trong suốt quang học tuyệt vời, đó là yêu cầu của hầu hết những lab-on-a-chip sử dụng sự phát hiện quang học như microchip điện di mao dẫn.
Chương 2: Đại cương kỹ thuật và ứng dụng của Biochip
2.2.1.3. Polymer
Trong số nhiều chất nền có giá trị cho lab-on-a-chip, polymer hoặc plastic gần đây trở thành một chất nền phổ biến và hứa hẹn nhất nhờ chi phí thấp, dễ chế tạo, độ tin cậy và tính tương thích sinh hóa cao. Chất nền plastic chẳng hạn như polyimide, PMMA, PDMS, PE hay PC là những vật liệu có triển vọng trong ứng dụng vào các hệ thống microfluidic và lab-on-a-chip vì chúng có thể được sử dụng để sản xuất hàng loạt bằng cách đúc, rập nổi nhờ nhiệt, và kỹ thuật tiêm khuôn [11]. Khả năng sản xuất hàng loạt này cho phép thương mại hóa thành công công nghệ lab-on-a-chip.
Trong chế tạo micro/nano cần có một khuôn mẫu để nhân bản. Những khuôn mẫu có thể được chế tạo bằng cách sử dụng kỹ thuật quang khắc, thuật mạ điện kim loại và thuật khắc ướt dựa trên silicon [11].
Trong kỹ thuật đúc, PDMS là vật liệu đúc khuôn được sử dụng chủ yếu. Một hỗn hợp của tiền chất đàn hồi và tác nhân lưu hóa được đổ lên trên một cấu trúc khuôn mẫu. Sau khi lưu hóa, chất đàn hồi đã tái tạo được lấy ra khỏi khuôn mẫu, chuyển thành một cấu trúc đảo ngược với khuôn mẫu. Những mẫu kích thước một vài nm có thể đạt được bằng cách sử dụng kỹ thuật này [11].
Trong khi quá trình đúc có thể tiến hành ở nhiệt độ phòng, chạm nổi nhiệt đòi hỏi nhiệt độ cao hơn ” nhiệt độ chuyển tiếp của chất nền plastic được tái tạo. Một khuôn mẫu được định vị trong buồng của hệ thống chạm nổi nhiệt cùng với chất nền plastic, sau đó bản kim loại được nung nóng, ép cả hai chất nền plastic và khuôn mẫu vào với nhau, minh họa hình 2.5. Sau khoảng thời gian xác định (khoảng 5 ” 20 phút, phụ thuộc vào loại chất nền plastic) bản được làm nguội xuống để tách chất nền plastic đã được tái tạo ra khỏi khuôn. Chạm nổi nhiệt có thể dùng sản xuất hàng loạt những vi cấu trúc polymer, vì thời gian chu kỳ của nó ít hơn 1 giờ [11].
Tiêm khuôn là một kỹ thuật chế tạo những vi cấu trúc polymer giá thành thấp và số lượng lớn. Một khuôn mẫu đã gia công được đặt trong khối đúc của máy tiêm khuôn, hình 2.5 c. Plastic ở dạng hạt được nấu chảy và sau đó tiêm vào trong hốc của khối đúc kín, nơi khuôn mẫu được định vị. Khi điền vào đầy khuôn, plastic nguội xuống thành dạng có độ nhớt cao, và một phần plastic được làm mát được đẩy ra. Để đảm bảo tính chất dòng chảy tốt trong suốt quá trình tiêm khuôn, plastic nấu chảy cần có độ nhớt thấp hoặc trung bình. Sự điền đầy hốc khuôn và sau đó hình thành vi cấu trúc phụ thuộc vào độ nhớt của plastic nấu chảy, tốc độ tiêm, nhiệt độ khối đúc, và nhiệt độ vòi của đơn vị tiêm. Kỹ thuật này cho phép sự tái tạo rất nhanh và sản xuất hàng loạt số lượng lớn. Thời gian chu kỳ tiêu biểu là vài giây cho hầu hết các ứng dụng [11]. PMMA, PE, PS, PC, và COC là những vật
Chương 2: Đại cương kỹ thuật và ứng dụng của Biochip
liệu polymer/plastic thông dụng cho những bản sao được sản xuất bằng chạm nổi nhiệt và tiêm khuôn. Tất cả những kỹ thuật tái tạo polymer/plastic này được tổng kết trong bảng 2.1. Các kỹ thuật chế tạo và vật liệu được chọn theo sự ứng dụng.
Hình 2.5 . Kỹ thuật chế tạo polymer micro/nano [11]. a) đúc, b) rập nổi nhờ nhiệt, c) tiêm khuôn.
Bảng2.1. Tóm tắt của những kỹ thuật chế tạo polymer micro/nano khác nhau [11]
Loại chế tạo Đúc Rập nổi nhờ nhiệt Tiêm khuôn
Vốn đầu tư Thấp Vừa phải Cao
Khả năng sản xuất Thấp Vừa phải Cao
Thời gian chu kỳ 8 ” 10 giờ 1 giờ 1 phút
Sự kén chọn polymer Thấp Vừa phải Vừa phải
Sự tái tạo khuôn Tốt Tốt Tốt
Sử dụng lại khuôn Không Có Có