I. Objetivo y plan de trabajo 1
II.1.2. Diseños y principios de los microsistemas de electroforesis capilar con
II.1.2.1. Materiales y técnicas de microfabricación 13
La descripción exacta y profunda de las técnicas de microfabricación obviamente
está fuera del ámbito de este capítulo, pudiéndose encontrar más información en
excelentes libros [3, 23]. Sin embargo, ya que uno de las características más atractivas
de la detección electroquímica en microchips es su compatibilidad con las tecnologías
de microfabricación, se ha creído conveniente explicar brevemente dichas técnicas de
microfabricación.
Para la fabricación de microchips de CE se utilizan diferentes materiales [3, 14],
fundamentalmente vidrio y determinados polímeros. Las obleas de vidrio son las más
comunes debido a: (i) sus buenas propiedades ópticas (transparencia), (ii) su
resistencia a muchas sustancias químicas, (iii) presentan un buen flujo electroosmótico
(EOF) (próximo al de la sílice fundida ≈9.5x10‐4 cm2/Vs a pH>9), (iv) poseen
propiedades dieléctricas (posibilidad de trabajar con los altos voltajes usados en
electroforesis capilar) y (v) existen métodos de microfabricación bien desarrollados
(adaptados de la industria de microfabricación de silicio). Otras ventajas del vidrio son
su dureza, la alta estabilidad térmica y la biocompatibilidad (amplia gama de
aplicaciones: separaciones de ADN, enzima/immunoensayos, células biológicas).
Varios materiales poliméricos han sido también usados para fabricar microchips
de CE, siendo los más empleados el PMMA (polimetilmetacrilato) como ejemplo de
material termoplástico (disponible a partir de una amplia gama de métodos de
microfabricación), y PDMS (polidimetilsilosano) como ejemplo de un elastómero [3,
24].
Los polímeros también presentan buena resistencia al tratamiento químico y
buena biocompatibilidad. Es posible encontrar un polímero que tenga las
características ópticas deseadas para una aplicación dada (por ejemplo, el PDMS es
transparente en la región UV del espectro electromagnético mientras la mayor parte
de polímeros termoplásticos, como PMMA y PC (policarbonato), son transparentes en
la región visible). Con respecto a la generación de EOF cabría esperar, sin embargo,
una clara desventaja frente al que presentan los microchip de vidrio, debido a que
muchos polímeros no contienen grupos funcionales ionizables (algo que sí ocurre en el
vidrio), por lo que cabría esperar que se produjeran EOFs mucho más pequeños. Sin
embargo, bajo técnicas de microfabricación controladas, es posible generar EOF
aceptable para distintos polímeros: ≈2x10‐4 cm2/V.s para PMMA [25], 3.15x10‐4
cm2/V.s para PET [26], 2.7x10‐4 cm2/V.s para PC [27], ≈10‐5 cm2/V.s para poliéster [28]
y 3.7x10‐4 cm2/V.s para TOPAS [29], siendo todos ellos inferiores al del vidrio.
Para aumentar o modificar el EOF de los polímeros se han desarrollado distintas
estrategias que se pueden agrupar en dos tipos. En el primer grupo estarían los
tratamientos físicos con fuentes de alta energía, entre los que nos encontramos el
tratamiento de la superficie del PDMS con una descarga de plasma oxidándose los
grupos OSi(CH3)2O a OSi(OH)4‐n que son fácilmente ionizables [30] y el tratamiento del
PMMA con un láser de radiación UV con lo que se consigue un aumento de un 4% del
flujo electroosmótico [31]. En el segundo grupo, nos encontraríamos las
modificaciones químicas de la superficie del polímero añadiendo distintos grupos
funcionales como grupos amino [32] vía aminólisis o grupos octadecilo [33] utilizando
el reactivo n‐octadecilisocianato. También se ha conseguido modificar la superficie de
un microchip de policarbonato tratándola con trióxido de azufre, aumentándose de
este modo la hidrofilicidad por sulfonación de los anillos aromáticos presentes en el
polímero [34]. Además, Wang y colaboradores [35] han desarrollado un nuevo método
para manipular el EOF en un microchip de PMMA. El proceso consiste en introducir un
modificador orgánico en la disolución de monómero antes de la polimerización, es
decir, la modificación del EOF se realiza durante el proceso de fabricación del
microchip y no después, como ocurre en el resto de métodos, simplificándose el
proceso. Con esta estrategia se consiguió un incremento del EOF de 2.12x10‐4 cm2/V.s
a 4x10‐4 cm2/V.s añadiendo ácido metilacrílico (6%) a la disolución de monómero y una
inversión del flujo (‐5.5x10‐4 cm2/V.s a pH 3) añadiendo un 3% de aminoetilmetacrilato.
Por último, indicar que el interés por los microchips de polímeros también ha
aumentado debido a que los bajos costes de fabricación hacen que puedan ser
desechables. La combinación de los bajos costes de microfabricación de polímeros con
el bajo precio de los detectores electroquímicos podría dar lugar al verdadero lab‐on‐ a‐chip desechable.
A continuación, se van a describir los aspectos más importantes involucrados en
las tecnologías de microfabricación tanto de microchips de vidrio como de polímeros.
Fabricación de microchips de vidrio
En la fabricación de los microchips de vidrio, las estructuras se generan
normalmente sobre obleas de vidrio utilizando tecnologías fotolitográficas estándar [3,
23, 36‐39]. La figura 2A presenta un ejemplo del procedimiento de fabricación.
En primer lugar, se deposita sobre la oblea una capa sacrificial (Cr/Al) (fig.2A:
deposition). A continuación, sobre ésta se deposita el material fotosensible, el cual es
un polímero que se hace soluble (desarrollo positivo) o insoluble (desarrollo negativo)
en disoluciones reveladoras después de la exposición a la luz (fig. 2A: exposition light).
En el siguiente paso, el material fotosensible es expuesto a la luz en la región definida
por una fotomáscara, normalmente usando un alineador. La fotomáscara es una placa
con un molde diseñado que es transparente mientras el fondo es opaco (o viceversa) a
la exposición de la luz. Después de que el microchip es tratado para endurecer el
material fotosensible no expuesto a la luz, el material fotosensible expuesto es
disuelto con una disolución reveladora (fig. 2A: development). La capa de máscara
sacrificial (Cr/Al) de la región expuesta es retirada usando productos apropiados (fig. 2A: sacrificial layer removing), permaneciendo intacta la capa sacrificial situada debajo
del material fotosensible no expuesto a la luz.
Después del desarrollo de los microcircuitos en el material fotosensible, estos se
han de transferir al sustrato mediante técnicas de grabado (fig. 2A: glass etching). El
principal reactivo utilizado para el grabado es HF, el cual puede ser preparado en
varias disoluciones que incluyen HF/NH4F, HF/HNO3HF/NH4F, HF/HNO3, y HF
concentrado. La velocidad de grabado del vidrio con HF es fácilmente controlable si se
controla la temperatura. Después del grabado de los microcanales, se retira la capa del
material fotosensible y de la máscara sacrificial (fig. 2A: stripping), y se perforan los
depósitos de entrada (no mostrado en la figura). Los depósitos de entrada pueden ser
perforados sobre el sustrato grabado o sobre otra oblea de vidrio. Cuando los
depósitos son perforados sobre obleas grabadas es mucho más fácil alinear los
sustratos para enlazarlos. Por último, el sustrato que contiene los microcanales se sella
con otra pieza de sustrato para formar el microchip (fig. 2A: bonding) [3, 14].
Fabricación de microchips de polímeros
Los dos modos principales de fabricar microchips de polímeros son por replicado
de un molde maestro (métodos de moldeado) y por fabricación directa [3, 23]. Los
métodos de moldeado implican fundamentalmente dos pasos: (i) fabricación del
molde (también conocido como molde maestro), y (ii) transferencia de los canales
diseñados desde el molde a los sustratos poliméricos. Por otra parte, los métodos
directos de fabricación consisten en la eliminación del polímero en los sitios donde las
microestructuras (microcanales, depósitos) deben estar localizadas. Este tipo de
microfabricación se lleva a cabo mediante ablación con láser [14, 41, 42].
Dentro de los métodos por moldeado existen fundamentalmente tres tipos:
grabado en caliente [14, 43], moldeado por inyección [14, 44] y por curado [14, 23,
40]. Deposition Exposition light Development
Sacrificial layer removing
Glass etching
Stripping
Bonding
Fabricate master
Define reservoirs
Cast and cure
Remove PDMS Oxidize PDMS Replica/flat UV UV A
A--Glass micromachiningGlass micromachining BB--PDMS PDMS micromachiningmicromachining
Deposition
Exposition light
Development
Sacrificial layer removing
Glass etching
Stripping
Bonding
Fabricate master
Define reservoirs
Cast and cure
Remove PDMS Oxidize PDMS Replica/flat UV UV A
A--Glass micromachiningGlass micromachining BB--PDMS PDMS micromachiningmicromachining
Figura 2. Secuencia esquemática del proceso de fabricación de microcanales en vidrio (A) [3] y
PDMS (B) [40].
El grabado en caliente es el proceso en el cual se presiona un molde en un
termoplástico que ha sido ablandado al ser calentado y seguidamente se enfría
produciendo una réplica invertida del molde. El primer paso en el grabado en caliente
consiste en calentar el molde y el polímero a la temperatura de transición vítrea (Tg).
Una vez que el polímero comienza a ablandarse toma la forma del molde. Entonces el
molde y el polímero son enfriados por debajo de la temperatura de transición vítrea
para endurecer el polímero, y después el polímero se retira del molde. El grabado
puede tardar varios minutos por dispositivo y puede ser una herramienta útil para
preparar de forma rápida prototipos de dispositivos [43].
En la técnica de moldeado por inyección, en primer lugar, se inyecta el material
polimérico fundido sobre el molde, el cual se encuentra a una temperatura alta para
prevenir que el material polimérico inyectado se endurezca demasiado pronto [42]. A
continuación, el molde se enfría lentamente para que el polímero se endurezca y la
microestructura de polímero pueda ser retirada del molde. El moldeado por inyección
permite un rendimiento de producción muy alto con bajos costes de producción (un
dispositivo cada 5‐10 s) [44].
El moldeado por curado emplea, sin embargo, un proceso químico para
endurecer el polímero [23]. Dos componentes, una base y un endurecedor o curador,
son mezclados justo antes de ser usados. Inmediatamente después de ser mezclados
empieza el proceso de curado químico. La mezcla líquida es vertida en el molde y el
polímero toma la forma de éste. Después de algún tiempo, este proceso termina con el
endurecimiento del polímero (a presión y temperatura controladas) y la estructura de
polímero puede entonces ser retirada del molde. Esta técnica es muy popular,
especialmente con elastómeros como el PDMS, porque es el más sencillo de los tres
procesos de moldeado pero requiere el contacto con el molde durante minutos u
horas.
En la figura 2B se muestra una representación esquemática del proceso de
fabricación de moldeado por curación [40]. Los canales en PDMS se forman fácilmente
como réplica del molde maestro, es decir, simplemente se genera una réplica negativa
del molde al verter el prepolímero de PDMS sobre dicho molde y la posterior curación
a presión atmosférica con temperaturas algo elevadas. En el último paso, la réplica de
PDMS que contiene la red de canales es sellada de forma irreversible con una segunda
oblea de PDMS. En el ejemplo mostrado, el sellado se debe a la oxidación de ambas
superficies con una descarga de plasma de oxígeno. La oxidación proporciona un
sellado más fuerte, resulta más fácil llenar los canales de PDMS oxidado con los fluidos,
y como se ha explicado anteriormente, se generan mayores EOFs catódicos, lo que es
coherente con el hecho de tener una superficie cargada más negativamente después
de la oxidación.
Por otra parte, la microfabricación con láser (fotoablación) es un método de
fabricación directo basado en la eliminación controlada de material polimérico usando
una radiación intensa UV o infrarroja proporcionada por un láser. El proceso de
fotoablación implica la absorción de la radiación de un láser de longitud de onda corta
(alta energía) para romper enlaces covalentes en moléculas de polímero de cadena
larga con la producción de una onda de choque que elimina de forma controlada
fragmentos de polímero descompuestos [3, 14, 23]. Muchos polímeros
comercialmente disponibles pueden ser tratados con este método, incluyendo el
policarbonato, el polimetilmetacrilato (PMMA), el poliestireno, nitrocelulosa y
politetrafluoroetileno [24, 41]. Las estructuras resultantes se caracterizan
generalmente por haber sufrido poco daño térmico, por tener paredes verticales
rectas y la profundidad bien definida [45]. Sin embargo, este método no se presta para
la producción en serie.