В своём недавно представленном методе масштабируемого производства наножидкостей исследователи из Кембриджского университета использовали фемтосекундный лазер C-Fiber 780 компании Menlo Systems для двухфотонной нанолитографии.
Существуют устройства типа «лаборатория на чипе» (LOC – англ. «Lab-on-a-chip»), являющиеся небольшими конструкциями, имеющими миниатюрные лабораторные функции. Они обычно сложны в изготовлении, но облегчают выполнение широкого круга задач, которые необходимо решать на небольших масштабах. Подобно электронным интегральным схемам, которые работают с МОП-транзисторами, LOC используют наножидкости для определения характеристик жидкостных систем и управления ими по принципу микросхемы. Из-за чрезвычайно малого размера канала в диапазоне менее 100 нм поведение содержащихся в нём жидкостей значительно отличается от их поведения в микро- или макромасштабе. В частности, ограничения позволяют наблюдать новые физические явления, возникающие в пределах или ниже так называемой длины Дебая, расстояния, на которое распространяется действие электрического поля отдельного заряда в квазинейтральной среде. Таким образом, наножидкости открывают новые возможности для анализа и обработки в биотехнологии, медицине, а также в оптимизации электростанций с обратным электродиализом для эффективного производства возобновляемой энергии.
Группа исследователей из Кембриджского университета в Великобритании, представила простой и экономичный метод комбинированного производства наножидкостей и микрожидкостей, совместимый с существующими методами. Они использовали фемтосекундный лазер C-Fiber 780 компании Menlo Systems для двухфотонной прямой лазерной записи (DLW – англ. «direct laser writing») наноканалов в микроструктуры, которые были предварительно получены с помощью УФ-фотолитографии.
Детально структура наножидкостного устройства, изготовленного путем комбинирования литографии УФ-маски и двухфотонной записи с последующей мягкой литографией, отражена на рис. 1.
Рис. 1. Коррелированный анализ сканирующей электронной и атомно-силовой микроскопиями двухфотонных наноструктур.
а. Сканирующая электронная микроскопия, микрофотография наножидкостного отпечатка полидиметилсилоксана (ПДМС), полученного комбинацией литографии с УФ-маской и двухфотонной записи.
b. Три наножидкостных области с наноканалами длиной 75 микрон, соединяющие два микроканала.
c. При большем увеличении видны наноканалы шириной 420 нм, отпечатанные в ПДМС.
Анализ процессов в биофизических системах, происходящих в молекулярном масштабе, требует высочайшей точности и возможности управления окружающей средой процесса. Сегодня ученые могут наблюдать процессы, происходящие внутри отдельных клеток, и изучать единичные события нуклеации, управляющие сворачиванием белков. Они сочетают аналитические методы, доступные в экспериментальной физике и химии, с использованием микро- и наножидкостных устройств для удержания исследуемого образца. Поскольку частицы, заключенные в контейнеры нанометрового размера, больше подвержены влиянию окружающих электростатических полей от стенок канала, наножидкости являются инструментом для изучения влияния размера канала на механизмы селективного переноса частиц. Таким образом, помимо функции простого удержания, разделения или сортировки различных типов химических или биологических образцов, наноканалы также используются для создания мембран, которые позволяют обмениваться заряженными частицами по мере необходимости при обратном электродиализе – методе извлечения электрической энергии из градиента солёности при смешивании морской и речной воды, так называемой «голубой энергии».
Производство наножидкостных устройств в настоящее время включает в себя дорогие и трудоёмкие методы, такие как электронно-лучевая литография или травление сфокусированным ионным пучком, которые требуют условий чистой комнаты. Это существенно ограничивает доступность наножидкостных устройств узким кругом приложений. Более того, эти методы пытаются обеспечить связь между наноструктурами и более крупными структурами для практического применения за пределами научных лабораторий. Группа исследователей из Кембриджа описывает новый метод быстрого изготовления, который не только представляет собой жизнеспособный способ связать производственные линии микро- и нанофлюидики, но также может связывать нанофлюидные устройства с макроскопическим миром. Взаимодействие с окружающей средой переводит наножидкости из статуса фундаментальных исследований в реальные приложения.
Британские исследователи объединяют традиционную УФ-фотолитографию для микроструктурирования и двухфотонную DLW для наноструктурирования устройств в одном гибридном производственном процессе. Подложка представляет собой фоторезист, нанесённый методом центрифугирования на кремниевую пластину. На первом этапе микрофлюидные срезы наносятся на фоторезист путем УФ-облучения через подходящую маску. Далее пластина запекается с целью полимеризации участков, облученных УФ-излучением. Это вызывает изменения показателя преломления между областями УФ-облучения и областями с маской, определяя интересующие места для нанопереходов. На третьем этапе нанопереходы непосредственно записываются в фоторезист с помощью двухфотонной литографии, процесса, при котором фоторезист полимеризуется с нанометровым разрешением. Наконец, неполимеризованный фоторезист удаляется проявкой в растворителе, оставляя узорчатые структуры на поверхности кремния. Затем очищенная и высушенная пластина служит эталонной формой для мягкой литографии. Подобно штампу, он передает микро- и наноэлементы эластомерному материалу. Более подробно данный процесс описан на рис. 2.
Рис. 2. УФ-литография.
а. УФ-литография на основе маски используется для проецирования микрожидкостного чипа произвольной конструкции на кремниевую пластину с покрытием SU-8.
b. Наножидкостные каналы добавляются посредством двухфотонной литографии в областях, представляющих интерес. Диаграмма Яблонского иллюстрирует, что два пространственно скоррелированных ИК-фотона могут взаимодействовать с фотоинициатором как один УФ-фотон с половиной длины волны, если они поглощаются молекулой в течение времени жизни виртуального состояния, возбужденного одним ИК-фотоном.
c. Пластина проявляется и получается микрожидкостная мастер-пластина со встроенными наноканалами
d. Пластина покрывается ПДМС-слоем для мягкой литографии.
e. После отверждения ПДМС-слоя устройства снимают с поверхности и добавляют впускные отверстия.
f. Окончательный ПДМС-чип прикрепляют к покровному стеклу и заполняют, например, флуоресцентным красителем.
По сравнению с УФ-фотолитографией, которая идеально подходит для создания рисунка на больших площадях, DLW не нуждается в маске и может создавать произвольные формы. Полученные в результате элементы не зависят от толщины покрытия фоторезиста и могут располагаться вблизи или на поверхности подложки. Однако, как УФ-фотолитография, так и DLW на длине волны УФ-лазера представляют собой линейные процессы, и минимально достижимый размер элемента ограничен дифракционным пределом диапазоном в микрометры. Напротив, метод двухфотонного DLW, применяемый группой, представляет собой нелинейный процесс в двух аспектах: во-первых, двухфотонное поглощение происходит только в области высокой интенсивности лазера, то есть там, где квадрат интенсивность превышает порог полимеризации. Этот объём меньше, чем ограниченное дифракцией фокусное пятно лазера. Во-вторых, нелинейный отклик фоторезиста аналогичным образом дополнительно снижает объём полимеризации. Используя фемтосекундный волоконный лазер Menlo Systems C-Fiber 780 на длине волны 780 нм, Кембриджская группа продемонстрировала двухфотонную прямую лазерную запись каналов с поперечной шириной до 230 нм и высотой менее 50 нм. Посредством калибровочного анализа группа ранее определила оптимальные параметры мощности лазера, скорости сканирования и смещения фокального пятна от поверхности пластины и, наконец, охарактеризовала полученные структуры с помощью сканирующей электронной микроскопии (SEM – англ. «scanning electron microscopy») и атомно-силовой микроскопии (AFM – англ. «atomic force microscopy»).
Новый комбинированный метод значительно быстрее, чем просто DLW, и ни один из этапов обработки не требует условий чистого помещения. Более того, он позволяет реализовать наноразмерные функции в выбранных областях, представляющих интерес, даже в существующих микрофлюидных устройствах. Этот быстрый и рентабельный метод производства наножидкостей доступен и практичен для биологических лабораторий, а также облегчает их производство в более крупных масштабах. Исследователи из Кембриджа продемонстрировали функциональность своих наноустройств, заполнив их красителем родамином и локализовав отдельные молекулы с помощью методов микроскопии сверхвысокого разрешения для разрешения каналов субволнового размера.
Оригинальная публикация: O. Vanderpoorten et al.: Scalable integration of nano-, and microfluidics with hybrid two-photon lithography; Microsystems & Nanoengineering Vol. 5, No. 40 (2019)
DOI: https://doi.org/10.1038/s41378-019-0080-3
