Optimierung und Einsatz einer Heizer-Isolationsschicht aus Polyimid für die Kryofixation in PDMS-Mikrokanälen

Inhalt:
Die Erforschung biologischer Organismen erfordert einen detaillierten Einblick in die zeitlichen Abläufe in mikroskopisch kleinen Zellstrukturen. Vitrifikation ermöglicht es, Zellen und kleine Organismen in einem nahezu nativen Zustand zu fixieren. Hierbei werden die Zellen mit einer Kühlrate von mehr als 10⁴ Ks^-1 gefroren, sodass das Wasser in der Probe keine Eiskristalle bilden kann. Somit werden die Zellstrukturen nicht zerstört oder chemisch verändert. Konventionelle Methoden zur Vitrifikation erlauben keine direkte Betrachtung der Probe während des Kühlprozesses. Durch den Einsatz mikrotechnischer Strukturen mit kleinen thermischen Massen können Proben bei gleichzeitiger mikroskopischer Beobachtung in PDMS-Mikrokanälen vitrifiziert werden. Der optisch zugängliche Mikrokanal liegt dabei auf einer auf -196 °C gekühlten Masse und wird über einen 3 mm langen und 300 µm breiten NiCr-Heizer bei Raumtemperatur gehalten. Mit dem Abschalten des Heizers fließt die Wärme mit einer Kühlrate von mehr als 10⁴ Ks^-1 ab. Die thermische Isolation des angeschalteten Heizers zu dem gekühlten Silizium-Substrat wird durch eine 2:5 µm dicke SiO2-Schicht gewährleistet. Der Einsatz von flächenmäßig größeren Kanälen wird durch den begrenzen Wärmeabtransport des gekühlten Silizium-Substrats und der darunterliegenden Kupfermasse verhindert. Für den Einsatz mit größeren Heizerflächen mit hohen Kühlraten wurde das Polymer Polyimid als Isolationsschicht untersucht. Zur Bestimmung der optimalen Schichtdicke wurden Finite-Elemente-Simulationen durchgeführt. Die niedrige Wärmeleitfähigkeit von Polyimid erlaubt es, dünne Isolationsschichten einzusetzen. Aus den numerischen Simulationen ergab sich eine optimale Schichtdicke von 2,1 µm. Der Einsatz einer 2,1 µm dicken Polyimidschicht als thermische Isolation im Kryofixationssystem erlaubt eine Kryofixation vielseitiger Proben bei gleichzeitiger optischer Beobachtung. Die Heizerschicht aus NiCr wird durch DC-Sputtern auf das vorbehandelte Polyimid aufgebracht. Die gewählte optimierte Isolationsschicht erlaubt die Kryofixation einer breiteren Auswahl biologischer Proben auf größeren Heizerflächen.