فرآیند پلاسما در میکروفلوئیدها بسیار مورد استفاده قرار می‌گیرد. پلاسما چهارمین حالت ماده است و در فناوری‌های پیشرفته امروزی، به طور گسترده در بسیاری از زمینه‌ها مانند مهندسی برق، اپتیک، چاپ، پزشکی، مکانیک و نساجی مورد استفاده قرار می‌گیرد. اصلاح سطح به کمک پلاسما (Plasma Treatment)، به منظور بهبود خواص سطحی طیف وسیعی از مواد، با پاک سازی آلاینده‌ها (Plasma Cleaning) از سطح و فعال‌سازی (Activating) سطح با مقادیر زیادی از گونه‌های شیمیایی انجام میشود.
این فرآیند منجر به افزایش انرژی سطح میشود و به این روش می توان سطوح مواد مختلف را قبل از لایه نشانی برای بهبود مقاومت پیوند بین سطح ماده و پوشش اعمال شده، تمیز و فعال‌سازی کرد. به این ترتیب، با کمک فرآیند اصلاح با پلاسما میتوان ویژگی‌هایی از قبیل آبگریزی یا آبدوستی و حفاظت در برابر خوردگی را در سطوح مختلف ایجاد کرد.
برای ایجاد یک اتصال مطمئن و مستحکم بین سطح و ماده هدف، اولین بخش کار در فرآیند لایه نشانی از بین بردن آلودگی‌های میکروسکوپی است که با چشم غیر مسلح قابل مشاهده نیستند. در فرآیند تمیز کردن سطح به کمک پلاسما، بقایای آلودگی در سطح مولکولی با تبدیل مواد خارجی (آلودگی) به شکل گاز حذف می‌شوند. این فرایند یک روش کاملا تمیز و کارآمد است که کیفیت کلی محصول را بهبود می‌بخشد.
میکروفلوئیدها (Microfluidics)، فناوری ساخت دستگاه‌های با اندازه کوچک هستند که برای اندازه گیری ضرایب انتشار مولکولی مایعات، ویسکوزیته، pH و ضرایب اتصال شیمیایی در انتشار از طریق میکروکانال‌ها استفاده می‌شوند. اگر مایعاتی که به میکروکانال‌ها وارد می‌شوند حاوی ذرات خارجی یا آلودگی باشند، میکروفلوئید مانند یک فیلتر برای حذف ذرات خارجی موجود در آن مایع عمل می‌کند. ولیکن میکروکانال‌ها به مرور زمان کارایی خود را از دست داده و به درستی کار نخواهند کرد و نتایج با خطا همراه خواهد بود. در صورت امکان، باید از مایعات تمیز استفاده شود و یا مایعات را قبل از ورود به میکروسیال فیلتر کرد تا آلودگی ایجاد نشود.
نحوه تمیز کردن مفید و موثر میکروفلوئیدها همواره مورد بحث بسیاری از محققان بوده است. هیچ روشی عملی برای تمیز کردن میکروفلوئیدها بعد از تولید آنها وجود ندارد. یک راهکار پیشنهادی در این زمینه، استفاده از دستگاه پلاسمای اکسیژن برای از بین بردن آلودگی‌های احتمالی و بهبود فرایند ساخت میکروفلوئیدها است. در ادامه این بحث، به نقش فرآیند پلاسما در میکروفلوئیدها (فرایند اصلاح سطح با کمک پلاسما) می‌پردازیم.
اصلاح و پاک‌سازی میکروفلوئیدها به کمک فناوری پلاسما (Microfluidic Devices Cleaning)
پلی متیل سیلوکسان (PDMS) یک نوع سیلیکون است که به دلیل قابلیت الگودهی با وضوح در ابعاد چند نانومتری، یک ماده کم هزینه و شفاف است و به طور گسترده در ساخت میکروفلوئیدها مورد استفاده قرار می‌گیرد. میتوان آن را با تزریق در کانال‌های میکروفلوئیدها به آسانی الگودهی کرد. هنگامی که PDMS در یک قالب ریخته و برداشته میشود، شکل و حالت موجود در کف آن قالب به PDMS منتقل میشود. اما این ماده چسبندگی ضعیفی به شیشه دارد و برای ایجاد پیوند دائمی و قوی بین PDMS و بستر شیشه‌ای نیاز به اصلاح سطحی می‌باشد.
با توجه به توانایی پلاسما در حذف هرگونه آلودگی میکروسکوپی و فعال سازی سطح با گروه‌های شیمیایی خاص، بهترین پیشنهاد این است که سطح PDMS را با کمک پلاسمای اکسیژن بهبود ببخشیم. اصلاح با پلاسما، منجر به ایجاد گروه‌های (-OH) روی سطح PDMS با خاصیت آبدوستی میشود که پیوند‌های کووالانسی قوی (Si-O-Si) را هنگام تماس با زیرلایه شیشه‌ای ایجاد می‌کند و همچنین باعث بهبود جریان آنالیت در داخل میکروکانال‌ها میشود.
هنگامی که این قطعات با پلاسمای اکسیژن فعال می‌شوند و سپس با دقت کنار هم قرار می‌گیرند، نوعی پیوند کووالانسی بین آنها ایجاد میشود. بنابراین، به طور خلاصه، فناوری اصلاح با پلاسما منجر به حذف گروه‌های هیدروکربنی و ایجاد گروه‌های آب‌دوست -OH میشود که به طور قابل توجهی، پیوند بین PDMS و زیرلایه‌های شیشه‌ای را بهبود می‌بخشد.همچنین گروه‌های -OH تاثیر قابل توجهی در بهبود حرکت سیال در میکروکانال‌ها دارند. اندازه‌گیری زاویه تماس ( Contact Angel Measurement) نشان می‌دهد که افزایش زمان یا توان پلاسما منجر به آب‌گریز‌تر شدن سطح میشود.
همانطور که در شکل نشان داده شده است، یک پلاسمای اکسیژن آلودگی‌های آلی و هیدروکربنی را با کمک رادیکال‌های اکسیژن بسیار فعال و پر‌انرژی از بین می‌برد. این واکنش شیمیایی، گروه‌های عملکردی سیلانول (SiOH) را ایجاد می‌کند که منجر به آبدوستی سطح میشود.
راهکارهای مهم در کنترل فعال‌سازی با کمک پلاسما در میکروفلوئیدها
فعال‌سازی با کمک پلاسما در میکروفلوئیدها، یک فرآیند کلیدی در ایجاد پیوند کووالانسی بدون نیاز به استفاده از هیچ گونه مواد چسبنده است. انتخاب یک سیستم پلاسما با کنترل مناسب و تجهیزات دقیق، کلید دستیابی به بالاترین مقاومت پیوند ممکن، برای تولید میکروفلوئیدها، با بهترین عملکرد است. ساخت یک میکروفلوئید با کیفیت بالا و پیوند مستحکم بین اجزای آن، مستلزم کنترل پارامتر‌های فرآیند مانند فشار، دما و مدیریت آلودگی ذرات در طول فرآیند می‌باشد. در ادامه هر کدام از این پارامترها را مرور خواهیم کرد.
۱- فشار
یک عامل اساسی در کنترل فعال‌سازی با کمک پلاسما در میکروفلوئیدها، کنترل دقیق فشار در طی فرآیند پلاسما است. در طراحی سیستم‌های پلاسما، برای فعال‌سازی اجزای میکروفلوئید، کنترل دقیق فشار فرآیند، به طور بسیار دقیق مد، نظر قرار می‌گیرد. کنترل دقیق فشار گاز در طول فرآیند، غلظت پلاسمای اکسیژن در تماس با سطح PDMS و بخش‌های حاوی سیلیکون را، تعیین می‌کند.
کنترل فشار فرآیند پلاسما، با داشتن یک حلقه کنترل فرآیند اتوماتیک بین ابزار اندازه‌گیری فشار و شیر کنترل جریان، که جریان گاز ورودی به داخل محفظه خلاء را کنترل می‌کند، انجام میشود. تزریق کنترل‌شده گاز به محفظه خلاء، به طور مداوم تنظیم و کنترل میشود، به نحوی که با کار کردن پمپ خلاء و تخلیه گاز دورن محفظه، فشار فرآیند در نقطه مطلوب تنظیم و تثبیت شود. کنترل دقیق و تکرارپذیر فرآیند پلاسما، برای ایجاد قطعات PDMS با قابلیت اطمینان بالا جهت تولید میکروفلوئیدها، بسیار مهم و حیاتی است.
۲- آلودگی محیط
یکی دیگر از چالش‌های موجود در ایجاد یک میکروفلوئید مناسب، داشتن محیط کار تمیز است. اگر محفظه مورد استفاده برای ترکیب و نگهداری PDMS و کاتالیزور تمیز نباشند، PDMS به راحتی آلوده میشود. ذرات موجود در هوا یا محیط واسط می‌توانند بر روی سطح کار یا قطعات بنشینند و به بخشی از نمونه تبدیل شوند. یک فاکتور مهم، ماده‌ای است که محفظه خلاء از آن ساخته شده است.
متداول‌ترین نوع مواد به کار رفته در ساخت محفظه‌ها، آلومینیوم یا فولاد ضد‌زنگ است که این مواد می‌توانند منبع آلودگی ذرات باشند زیرا امکان کندوپاش (اسپاترینگ) مواد تشکیل دهنده محفظه وجود دارد. این کندوپاش، معمولا به دلیل تراکم پلاسما در محفظه خلا رخ می‌دهد. برای جلوگیری از آلودگی، انتخاب یک محفظه شیشه‌ای (کوارتز یا بوروسیلیکات) ضروری است.
۳- دما
کنترل دمای PDMS در طی فرآیند فعال‌سازی با پلاسما برای ایجاد میکروفلوئیدها، مهم و حیاتی است. تغییر اندک در انعطاف‌پذیری ماده، ناشی از کنترل دمای اجزا، می‌تواند باعث بهبود عملکرد و کارایی پیوند شود. اگر دمای ماده خیلی سرد باشد، میزان روان بودن و انعطاف ماده کم خواهد بود و نیرو‌های مخالف مانع جمع شدن و ترکیب مواد می‌شوند. از طرف دیگر، مواد در دما‌های بالاتر، روان‌تر هستند و انعطاف‌پذیری بالاتر، باعث برقراری پیوند بهتری میشود. کنترل دمای اجزای PDMS در هنگام فعال‌سازی و پیوند می‌تواند باعث افزایش قدرت پیوند در چسبندگی در میکروفلوئید شود.
منابع
- Norizah et al. / Jurnal Teknologi (Sciences & Engineering) 74:10 (2015) 57–۶۱.
- https://plasmatreatment.co.uk/pt/plasma-treatments/plasma-surface-activation-to-improve-adhesion/pdms-bonding-microfluidics
- https://princetonscientific.com/plasma-treatment-equipment/plasma-applications/plasma-treatment-of-pdms-for-microfluidics/