Herstellung von polymerbasierten Mikrofluidik-Systemen

Im Projekt werden Verfahren zur Mikrostrukturierung von Polymeren untersucht. Mit strukturierten Polymeren werden Mikrofluidik-Systemen entwickelt und hergestellt.

Steckbrief

  • Departement Technik und Informatik
  • Forschungsschwerpunkt Produktionstechnik
  • Forschungsfeld Applied Laser, Photonics and Surface Technologies (ALPS)
  • Förderorganisation armasuisse W+T, Thun
  • Laufzeit (geplant) 01.01.2018 - 31.12.2018
  • Projektverantwortung Patrick Schwaller
  • Projektleitung Patrick Schwaller
  • Projektmitarbeitende Johannes Hörr
    Dominique Lüscher
  • Mitwirkende Projektpartner Forschungsinstitutionen inkl. BFH HAFL-BFH, Lebensmittelwissenschaften
  • Mitwirkende Projektpartner öffentliche Hand armasuisse W+T, Thun
  • Schlüsselwörter Polymere, Mikrofluidik, Lokale Impedanzspektroskopie, Reinraum, Mikrosysteme

Ausgangslage

Die quantitative Detektion von toxischen Stoffen (zum Beispiel Botulinum Neurotoxine) mit Mikrofluidik-Systemen und integrierter lokaler Impedanzspektroskopie ist vielversprechend. Die auf Grund der Mikrofluidik kleineren Stoffmengen würden ein sichereres Arbeiten mit toxischen Stoffen (kleinere benötigte Stoffmenge). Um dieses Ziel erreichen zu können, müssen die Eigenschaften der Werkstoffe welche eingesetzt werden bekannt sein und deren Handling beherrscht werden.

Ziele

Ziel des Projektes ist es, Verfahren zur Mikrostrukturierung von Polymeren zu entwickeln und diese in Mikrofluidik-Systemen einzusetzen. Konkret wird in diesem Projekt mit Polydimethylsiloxan (PDMS) und Poly-3,4-ethylendioxythiophen (PEDOT:PSS) gearbeitet. PEDOT:PSS ist ein elektrisch leitfähiges Polymer.

Mikrofluidik

Mikrofluidik-Systeme erlauben es, geringe flüssige Stoffmengen zu manipulieren (z.B. Mischvorgänge) und zu analysieren. Die aufgrund der Mikrofluidik kleineren Stoffmengen erlauben es beispielsweise Prozesse günstiger (teure Reagenzien) oder sicherer (bei toxischen Stoffen) durchzuführen. Fernziel ist denn auch die Konzeption und Herstellung eines Mikrofluidik-Systems zur Detektion von toxischen Stoffen (als Beispiel Botulinum Neurotoxine). Die Analyse kann beispielsweise über Impedanzspektroskopie durchgeführt werden.

Impedanzspektroskopie

Bei der Impedanzspektroskopie wird über eine 4-Punkt-Messung der frequenzabhängige Widerstand (Impedanz) einer Probe gemessen. Benutzt man für die Messung Mikroelektroden, können auch lokale Änderungen, beispielsweise einer Emulsion untersucht werden. Man spricht in diesem Fall von lokaler Impedanzspektroskopie. ALPS hat mittels lokaler Impedanzspektroskopie in Zusammenarbeit mit der BFH HAFL beispielweise Prozesse beim Steifschlagen von Rahm oder die Eigenschaften von Milchschäumen untersucht. Im Projekt ist ein Ziel, Mikroelektroden für lokale Impedanzspektroskopie in Mikrofluidik-Systeme zu integrieren.

Mikroelektroden

Messungen mittels lokaler Impedanzspektroskopie bedingen Elektroden mit lateralen Dimensionen von ein paar wenigen hundert Mikrometern. ALPS kann derartige Elektroden aus Metallen über Dünnschicht- und Lithographieprozesse im Reinraumlabor herstellen. Als Alternative wird untersucht, in welchem Rahmen metallische Elektroden allenfalls durch elektrisch leitfähige Polymerstrukturen (PEDOT:PSS) ersetzt werden können.

Vorgehen

Reinraumlabor

In normaler Umgebungsluft hat es mehrere Milliarden Partikel in einem Kubikmeter Luft. Diese würden die Herstellung und ein korrektes Funktionieren von Mikrosystemen oder Mikroelektroden verunmöglichen. Prozesse in diesem Arbeitsgebiet müssen deshalb unter speziellen, nahezu partikelfreien Bedingungen durchgeführt werden. Derartige Bedingungen garantieren so genannte Reinräume. Das Institut ALPS verfügt für Prozesse zur Mikrostrukturierung ein Reinraumlabor der Klasse ISO 6.

Strukturierungsprozesse

Für die Herstellung von PDMS basierten Mikrofluidik-Systemen wird in einem ersten Schritt eine Gussform aus SU-8 Fotolack via eines Lithographieprozesses hergestellt. Mit diesen SU-8 Gussformen können in einem weiteren Schritt wiederum PDMS-Strukturen abgeformt werden. Bei vielen Prozessschritten wird dazu zudem eine Vorbehandlung der Polymeroberflächen in einem Plasma durchgeführt.

Lösung

Mit den erarbeiteten Prozessen zur Mikrostrukturierung können funktionsfähige Mikrofluidik-Systeme aus PDMS, beispielsweise Mikromischer mit integrierten Au-Elektroden zur Überwachung des Mischvorgangs mittels lokaler Impedanzspektroskopie, hergestellt werden. Ebenfalls ist es möglich, laterale Mikrostrukturen aus Schichten des elektrisch leitendenden Polymers PEDOT:PSS herzustellen.
In Zusammenarbeit mit dem Departement HAFL der BFH wurden zudem mittels lokaler Impedanzspektroskopie zeitliche Abläufe beim Prozess des Steifschlagens von Rahm untersucht.

Publikaton

Local Impedance Spectroscopy: A Potential Tool to Characterize the Evolution of Emulsions and Foams.
Michael Held, Patrick Schwaller, Markus Vaihinger and Christoph Denkel
Journal of Food Science and Engineering 7 (2017) 249-261
doi: 10.17265/2159-5828/2017.05.003