ระบบของไหลจุลภาค (Micro-fluidics)

ปัจจุบันอุปกรณ์ทางวิทยาศาสตร์และทางการแพทย์ส่วนมากจะถูกย่อขนาดให้เล็กเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพในการติดตั้งร่วมกับอุปกรณ์อื่่น สะดวกต่อการพกพา แต่ยังคงไว้ซึ่งความแม่นยำและรวดเร็วในการวิเคราะห์ผล หนึ่งในโครงสร้างที่ถูกใช้งานมากที่สุดในเทคโนโลยีระบบของไหลจุลภาค (microfluidics) คือช่องทางไหลจุลภาค (microchannel) ซึ่งเป็นช่องทางไหลขนาดเล็กสำหรับของเหลวหรือสารละลายประเภทต่างๆ ในระดับไมโครลิตร โดยส่วนมากจะถูกประยุกต์ใช้ร่วมกับห้องปฏิบัติการบนชิพ (Lab on a chip) โดยขนาดของท่อเหล่านี้จะมีขนาดประมาณเส้นผมของคนเราเท่านั้น แสดงตัวอย่างของห้องปฏิบัติบนชิพดังรูปที่ 1 จะเห็นได้ว่าบนชิพนั้นจะประกอบไปด้วยส่วนต่างๆมากมาย โดยมีช่องทางไหลจุลภาคเป็นส่วนเชื่อมต่อให้ทั่วถึงกัน
 

  
รูปที่ 1 ห้องปฏิบัติการบนชิพ (http://www.niaid.nih.gov)
 

การสร้างช่องทางไหลจุลภาคเพื่อประยุกต์ใช้ในงานวิจัยต่างๆนั้นนิยมใช้วัสดุพอลิเมอร์ที่เรียกว่า PDMS (Polydimethylsiloxane) สำเนาโครงสร้างช่องทางเดินขนาดเล็กมาจากแม่แบบและนำไปประกบติดกับแผ่นซิลิคอนหรือกระจกด้วยการเชื่อมแผ่นผิวด้วยพลาสมาของออกซิเจน ซึ่งจะก่อให้เกิดการเชื่อมติดกันอย่างถาวรและป้องกันสารละลายไหลออกไปจากช่องทางไหลที่ต้องการ สำหรับการสร้างให้หน้าสัมผัสของ PDMS จากเดิมที่อยู่ในสถานะ hydrophobic เปลี่ยนเป็นสถานะ hydrophilic นั้นสามารถทำได้ด้วยการนำชิ้นงานไปพลาสมาด้วยก๊าซออกซิเจน ซึ่งส่งผลให้หยดน้ำที่กลิ้งบนผิว PDMS กระจายตัวออกไปดังรูปที่ 2 
 

รูปที่ 2 การเปลี่ยนแปลงของหยดน้ำบนชั้นฟิล์ม PDMS ที่ถูกหมุนเคลือบบนกระจกก่อนและหลังการทำพลาสมาด้วยก๊าซออกซิเจน
 

สถานะที่เปลี่ยนแปลงไปเป็น hydrophilic ของ PDMS จะก่อให้เกิดการเชื่อมต่อกันอย่างถาวรของของพันธะ Si-O-Si ระหว่างผิวหน้าสัมผัสของ PDMS-กระจก หรือ PDMS-Si หรือ PDMS-PDMS ดังแสดงในรูปที่ 3

รูปที่ 3 โครงสร้างทางเคมีของ PDMS-PDMS ด้วยการพลาสมาด้วยก๊าซออกซิเจน

การสร้างแม่พิมพ์สำหรับขึ้นรูปโครงสร้างช่องทางไหลจุลภาค PDMS นั้นนิยมดำเนินการอยู่ 2 วิธีการ ได้แก่ การสร้างเป็นแม่พิมพ์พอลิเมอร์สารไวแสงด้วยแสงอัลตราไวโลเลต (UV lithograpy) และการสร้างแม่แม่พิมพ์พอลิเมอร์สารไวแสงด้วยรังสีเอกซ์จากเครื่องกำเนิดแสงซินโครตรอน (X-ray lithography)  แสดงกระบวนการสร้างดังรูปที่ 4 โดยเริ่มจาก (1) เคลือบสารไวแสงบนฐานเรีบ (2) นำชิ้นงานไปอาบรังสีเอกซ์จากแสงซินโครตรอน โดยมีหน้ากากดูดซับรังสีทำหน้าที่กำหนดบริเวณที่จะเป็นโครสร้าง (3) ล้างชิ้นงานในสารเคมี จะปรากฏโครงสร้างสารไวแสงขึ้นซึ่งจะถูกใช้เป็นแม่พิมพ์ในการสำเนา PDMS (4) เท PDMS ลงบนแม่พิมพ์ (5) ลอก PDMS ออก และ (7) นำไปประกบกับฐานกระจก/ซิลิคอน ด้วยการเชื่อมต่อด้วยพลาสมาของออกซิเจน
 

รูปที่ 4 กระบวนการสร้างช่องทางไหลจุลภาค PDMS จากการสำเนาจากแม่พิมพ์พอลิเมอร์ไวแสง

แต่อย่างไรก็ตาม แม่พิมพ์ที่ได้จากกระบวนการลิโธกราฟีนั้นจะมีความเปราะบางมากกว่าแม่พิมพ์โลหะที่ใช้ในงานขึ้นรูปวัสดุทั่วไป อีกทั้งเมื่อแม่พิมพ์เสียหาย ผู้สร้างจำเป็นต้องเข้าสู่กระบวนการลิโธกราฟีอีกครั้ง ส่งผลให้สูญเสียทั้งทรัพยากรและเวลาในการเตรียมชิ้นงาน เพื่อแก้ไขปัญหาเหล่านี้ ผู้ใช้งานอาจจจำเป็นต้องวางแผนการผลิตแม่พิมพ์โลหะเพื่อใช้สำเนาโครงสร้างด้วยวิธีการ LIGA ดังแสดงในรูปที่ 5 โดยเริ่มจาก (1) เคลือบสารไวแสงบนฐานเรียบ (2) อาบรังสีเอกซ์จากแสงซินโครตรอน (หรือแสง UV) เพื่อกำหนดพื้นที่โครงสร้างผ่านหน้ากาก (3) ล้างชิ้นงานในสารละลายเพื่อให้ปรากฏโครงสร้างขึ้น (4) ทำการเติมโลหะลงไปด้วยกระบวนการทางเคมีไฟฟ้า (5) สกัดสารไวแสงทิ้ง เหลือไว้เพียงโลหะนิกเกิลที่จะถูกใช้เป็นแม่พิมพ์โลหะ (ต) เท PDMS ลงไป (10) ลอก PDMS ออกมาและ (11) นำไปประกบกับฐานกระจก/ซิลิคอน ด้วยการเชื่อมต่อด้วยพลาสมาของออกซิเจน
 

 รูปที่ 5 กระบวนการสร้างช่องทางไหลจุลภาค PDMS จากการสำเนาจากแม่พิมพ์โลหะนิกเกิล

 

รูปที่ 6 แสดงโครงสร้างช่องทางไหลจุลภาคนิกเกิลที่ถูกใช้เป็นแม่พิมพ์ในการสำเนาโครงสร้างด้วย PDMS และนำไปประกบติดกับฐานกระจกด้วยพลาสมาของออกซิเจน โดยบนฐานกระจกจะมีวงจรการตรวจจับอนุภาคแขวนลอยไว้ โดยช่องของไหลจุลภาคสามารถดูได้จากภาพ SEM 

รูปที่ 6 การสำเนาช่องทางไหลจุลภาคด้วย PDMS จากแม่พิมพ์นิกเกิลเพื่อใช้ในระบบของไหลจุลภาค

รูปที่ 7 แสดงขนาดของอนุภาคทดสอบและภาพการไหลของอนุภาคเมื่อผ่านเข้าไปในช่องทางไหลจุลภาค ซึ่งสามารถดูการทดสอบได้จากไฟล์วีดีโอ

รูปที่ 7 ขนาดของอนุภาคทดสอบและการเคลื่อนที่ของอนุภาคในสารละลายผ่านช่องทางไหลจุลภาค

https://www.youtube.com/watch?v=qbEtdo5fInM

ผู้ประดิษฐ์ผลงาน

นส.สาทิตย์ ศรีมุงคุณ
ดร.นิมิต  ชมนาวัง