Study of the laser forward transfer for the preparation of miniaturized biosensors

Abstract

<b>THESIS SUMMARY:</b><br/><br/>The possibility to print tiny amounts of functional materials in a controllable way is of interest in a large number of applications, for instance in the manufacturing of organic electronics, in the deposition of artificial organs (the so-called organ printing), or in the fabrication of miniaturized devices in areas like biosensing. This has prompted the development of microfabrication techniques capable of depositing such functional materials.<br/><br/>The present work is focused on one of these techniques, particularly on a laser-based direct-writing technique called laser-induced forward transfer (LIFT), in which laser pulses are used to deposit material from a donor film to a receptor substrate. This technique is especially interesting due to the possibility that it offers to print droplets of solutions containing functional materials with a high resolution. Moreover, it has additional advantages such as the capability to work in air (at atmospheric pressure and room temperature), the fact that it is a non-contact technique that avoids contamination problems, and the possibility to combine it with laser micromachining.<br/><br/>In this work, a complete study of the LIFT of liquid solutions is performed in order to achieve a better understanding of this technique and to find the optimum printing conditions. Such study comprises the analysis of the role that some of the most important experimental parameters have on the printed droplets, as well as the analysis of the mechanisms involved in the ejection and deposition of material through LIFT. This is accomplished by means of both the morphological characterization of the printed droplets at different conditions and the time-resolved imaging of the LIFT process, including the ejection and transport of liquid, as well as the deposition of liquid on the receptor substrate. The present work has provided a complete picture of the LIFT process: the experimental conditions adequate for droplet printing have been set up, and the mechanisms responsible for the generation of droplets have been unveiled. The feasibility of the technique for protein printing has also been demonstrated. Moreover, it has also been found that the preparation of the liquid film in thin form is the major problem that the technique faces. This last aspect has motivated the research of a new technique capable of dispensing with the preparation of the liquid film. This novel technique has been successfully developed and tested in this thesis work.<br/><br/><b>EXTRACTE EN CATALÀ:</b><br/><br/>La present tesi està centrada en una tècnica d'escriptura directa anomenada transferència induïda per làser (amb anglès laser-induced forward transfer, o LIFT), en la qual s'utilitzen polsos làser per dipositar material des d'una pel·lícula donadora a un substrat receptor. Aquesta tècnica és especialment interessant degut a la possibilitat que ofereix per imprimir, amb una gran resolució, gotes de solucions que contenen materials funcionals. A més a més, té avantatges addicionals com ara la capacitat de treballar sense buit i a temperatura ambient, el fet de ser una tècnica que evita problemes de contaminació al no estar en contacte la pel·lícula donadora amb el substrat receptor, i finalment al poder-la combinar amb altres tècniques com ara la micromecanització amb làser.<br/><br/>En aquest treball es presenta un estudi complet de la LIFT per tal d'aconseguir-ne una millor comprensió així com trobar les condicions òptimes d'impressió. Els materials dipositats han estat sempre solucions líquides. L'estudi presentat comprèn l'anàlisi dels efectes que alguns dels paràmetres més importants de la tècnica tenen en la morfologia de les gotes transferides, així com l'anàlisi dels mecanismes involucrats en l'ejecció i dipòsit de material a través de la LIFT. Això s'ha aconseguit mitjançant la caracterització morfològica del material transferit a diferents condicions, així com utilitzant l'adquisició ràpida d'imatges del procés d'ejecció de material i de dipòsit. Aquest treball ha permès obtenir una imatge completa del procés de la LIFT: s'han determinat les condicions adequades per la impressió de gotes, i els mecanismes per a la generació de gotes s'han desxifrat. La viabilitat de la tècnica per a la impressió de proteïnes també s'ha demostrat. A més a més, s'ha trobat que la preparació de la pel·lícula líquida per a la LIFT és el principal inconvenient que té aquesta tècnica. Aquest aspecte ha motivat la recerca d'una nova tècnica capaç d'evitar la pel·lícula líquida. Aquesta nova tècnica s'ha desenvolupat i provat satisfactòriament en aquest treball.