Μίκρο και νάνο σχηματοποίηση πολυμερικών υμενίων για την κατασκευή μικροαναλυτικών διατάξεων

Abstract

Introduction Fabrication of polymeric microfluidics has recently attracted attention, due to numerous analytic applications. The functional and commercial feasibility of such microfluidic devices depends strongly on the fabrication processes, some of which are typical microelectronic processes. Plasma processing in combination with microlithography may be utilized not only to pattern a surface, as in microelectronics, but also to modify its physicochemical properties. Objective This PhD thesis is positioned in the field of surface treatment of polymeric materials for micro- and nano-technology and nano- biotechnology. The thesis aim is the treatment of polymeric materials using lithography and plasma etching for the fabrication of micro-analytic devices (Micro Total Analysis Systems), as well as the characterization and application of these devices. We targeted two types of devices: A polymeric protein microarray and a polymeric TiO2 affinity chromatography column for phosphopeptide separation. For the fabrication of these devices we selected PMMA [poly (methyl methacrylate)] substrates with thickness of 2 mm, and PEEK [poly (ether ether ketone)] substrates with thickness of 1.5 mm. The specific targets of the thesis are to explore: (a) The study and understanding the mechanisms of Oxygen plasma nanotexturing of organic polymeric surfaces and the modification of their wetting properties in the broad range from stable super-hydrophilic to super-hydrophobic surfaces; (b) The use of conventional microelectronic / micromachining processes (lithography and plasma etching / plasma processing) as an alternative technique for fabricating “smart” microfluidic devices, integrating nanotextured surfaces into microchannels to control liquid flow. (c) The study of protein adsorption on plasma nanotextured PMMA surfaces for the fabrication of protein microarrays. (d) The fabrication of a chromatography column on 2 mm PMMA plates, using a design of 32 parallel channel geometry, to analyze phosphopeptides with known sequence and a complex peptide mixture, a tryptic digest of Casein, with TiO2-ZrO2 Affinity Chromatography. ..................

Εισαγωγή Η κατασκευή πολυμερικών μικρορευστονικών διατάξεων αποτελεί τελευταία ένα πεδίο έντονης ερευνητικής δραστηριότητας, με πολλά παραδείγματα πρακτικών αναλυτικών εφαρμογών. Η λειτουργική τους αποτελεσματικότητα και η εμπορική τους επιτυχία εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από τις χρησιμοποιούμενες διαδικασίες κατασκευής και γι αυτό χρησιμοποιούνται σε μεγάλο βαθμό κλασικές διεργασίες μικροηλεκτρονικής. Μια τέτοια διεργασία είναι και η κατεργασία με πλάσμα αερίων, με την οποία (σε συνδυασμό με την λιθογραφία) μπορεί όχι μόνο να σχηματοποιηθεί μια επιφάνεια όπως στη μικροηλεκτρονική, αλλά και να τροποποιηθεί φυσικοχημικά. Περιγραφή και Αντικείμενο H παρούσα Διδακτορική Διατριβή εντάσσεται στην περιοχή της επιφανειακής κατεργασίας πολυμερικών υλικών για μικρο- και νανο- τεχνολογία και νανο- βιοτεχνολογία. Η διατριβή στοχεύει στη κατεργασία πολυμερικών υλικών με λιθογραφία και εγχάραξη με πλάσμα για την κατασκευή μικροαναλυτικών διατάξεων (Micro Total Analysis Systems), καθώς επίσης και στο χαρακτηρισμό και τις εφαρμογές των διατάξεων αυτών. Οι μικροαναλυτικές διατάξεις που στοχεύει είναι τόσο διατάξεις υπο ροή σε μικροκανάλια (π.χ. χρωματογραφικές μικροστήλες), όσο και διατάξεις ανοικτής επιφάνειας, όπως πρωτεϊνικές μικροσυστοιχίες. Στην παρούσα διδακτορική διατριβή για την κατασκευή των διατάξεων επιλέχθηκαν πλακίδια PMMA [πολυ(μεθακρυλικού μεθυλεστέρα)] πάχους 2 mm, καθώς και πλακίδια ΡEEK [πολυ(διαιθεροκετόνης)] πάχους 1.5 mm. Αντικείμενο της Διδακτορικής Διατριβής αποτελούν: (α) Η μελέτη και κατανόηση του μηχανισμού της νανο-ύφανσης οργανικών πολυμερικών επιφανειών με πλάσμα Ο2 και ο έλεγχος της διαβροχής αυτών σε όλο το εύρος από Σταθερές Υπερ-υδρόφιλες επιφάνειες σε Υπερ-υδρόφοβες Επιφάνειες. (β) Η διερεύνηση της δυνατότητας χρήσης κλασικών διεργασιών μικροηλεκτρονικής / μικρομηχανικής (λιθογραφία και κατεργασία με πλάσμα αερίων) ως εναλλακτικής τεχνικής για την κατασκευή έξυπνων μικρορευστονικών διατάξεων, και η ενσωμάτωση των νανο-υφασμένων πολυμερικών επιφανειών σε μικροκανάλια για έλεγχο της ροής. (γ) Η μελέτη της προσρόφησης πρωτεϊνών στις νανο-υφασμένες πολυμερικές επιφάνειες για την κατασκευή πρωτεϊνικών μικροσυστοιχιών. (δ) Η κατασκευή χρωματογραφικής στήλης σε μια ψηφίδα από PMMA γεωμετρίας 32 παράλληλων καναλιών για την ανάλυση πρότυπων φωσφοπεπτίδιων καθώς και ενός πολύπλοκου μίγματος πεπτιδίων από την πέψη της Καζεΐνης, με χρωματογραφία συγγένειας διοξειδίου μετάλλου. ..................