Técnica de escritura directa con láser para la realización de sistemas de microfluídica

Abstract

Los sistemas de microfluídica conocidos con el nombre de lab-on-a-chip han contribuido al avance en áreas como la química, la biología, la biomedicina, la biodefensa y la microelectrónica, entre otras. Sin embargo, a pesar de sus beneficios, su comercialización está principalmente limitada por los altos costes de producción derivados de las técnicas utilizadas para su fabricación. Es por ello que actualmente se están centrando esfuerzos en utilizar técnicas que disminuyan los costes pero que conserven o incrementen los beneficios de estos dispositivos. Este trabajo de investigación presenta una nueva modalidad de escritura directa con láser (LDW) como una prominente técnica de fabricación, que puede beneficiar el desarrollo de nuevos dispositivos de microfluídica en 3 dimensiones: la escritura directa con láser en 3 dimensiones (LDW-3D). En ella se combinan los beneficios de la técnica de la LDW y una clase de vidrios conocidos con el nombre de vidrios cerámicos fotoestructurables (PSGCs). Con esta técnica se pueden obtener motivos tridimensionales focalizando un haz láser en el interior de un material, el cual debe ser transparente a la radiación que emite dicho láser. La técnica se basa en el efecto de la modificación estructural de un vidrio PSGC conocido con el nombre comercial de Foturan® tras la irradiación con un láser. Luego éste se somete a un tratamiento térmico y finalmente a un ataque químico con HF. Se realizaron ensayos irradiando muestras de Foturan con un láser UV con una duración de pulso de 10 ns y una longitud de onda de 355 nm (nsUV) y un láser de femtosegundos IR con una duración de pulso de 450 fs y una longitud de onda de 1027 nm (fsIR). Los estudios realizados revelan que el láser de nsUV produce un efecto de fotoionización en el Foturan a partir de la absorción de 2 fotones que sensibilizan al agente fotoionizador (Ce+3) contenido en su matriz. En el caso de utilizar el láser de fsIR, la fotoionización de este tipo de vidrio se produce mediante la absorción multifotónica de 8 fotones, actuando sobre niveles de energías que están asociados a defectos e impurezas localizados en la banda prohibida del Foturan. También se han evaluado los diferentes parámetros tecnológicos que permiten la aplicación de la técnica LDW-3D para la fabricación de microestructuras en 3D tales como microcanales y microdepósitos con buen aspecto y correspondencia entre sus dimensiones. En base a estos estudios se fabricó un sistema tridimensional en Foturan utilizando el láser fsIR. Este sistema presenta características que hacen que pueda ser aprovechado en el campo de la microfluídica como micromezclador de soluciones o analizador de microorganismos.

Microfluidic systems known as lab-on-a-chip have contributed to progress in areas such as chemistry, biology, biomedical, biodefense and microelectronics, among others. However, despite their benefits, their marketing is mainly limited by the high production costs resulting from the techniques involved in their manufacture. This is why nowadays researchers are focusing efforts in new techniques to reduce costs but maintaining or increasing the benefits of these devices.This research presents a new type of laser direct writing (LDW) as a prominent fabrication technique, which can benefit the development of new microfluidic devices in three dimensions: laser direct write in 3 dimensions (LDW-3D). It combines the benefits of the technique LDW and a type of glasses known as photo-structural glass ceramics (PSGCs). 3D structures can be obtained through this technique by focusing a laser beam inside a material, which has to be transparent to the radiation emitted by the laser. The technique is based on the effect of structural modification of a PSGC glass called Foturan® after laser irradiation. Afterwards, the glass is submitted to a standard thermal treatment and finally, to an etching step with HF. Tests were performed by irradiating Foturan samples with an UV nanosecond laser with 10 ns pulse duration and 355 nm wavelength (nsUV), and an IR femtosecond laser with 450 fs pulse duration and 1027 nm wavelength (fsIR).The results show that nsUV laser produces the photoionization effect on the Foturan through a 2-photon absorption process which sensitizes the photoactive agent (Ce+3). In the case of using the fsIR laser, photoionization is produced by a 8-photon multiphoton absorption process, involving energy levels that are associated with localized defects and impurities in the Foturan gap. Different technological parameters have been evaluated in order to study the viability of the LDW-3D technique for producing 3D microstructures, such as microchannels and microreservoirs showing good aspect-ratio. Based on these studies, a 3D-system in Foturan was produced by using the fsIR laser. This system presents special features that make it suitable in the field of microfluidics as micromixer or microorganisms analyzer.