PDMS-玻璃微流控芯片等離子體鍵合原理

文章出處：等離子清洗機(jī)廠家 | 深圳納恩科技有限公司| 發(fā)表時間：2023-04-03

微流控技術(shù)是指在微尺度(數(shù)微米至數(shù)百微米)的流道或微結(jié)構(gòu)上對流體進(jìn)行驅(qū)動或控制的技術(shù)，能夠?qū)鹘y(tǒng)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行的化學(xué)、生物、物理、醫(yī)學(xué)等反應(yīng)集成在一張數(shù)平方厘米尺寸芯片上進(jìn)行。其具有環(huán)保、試劑消耗少、低成本、集成化程度高、高通量、效率高、安全性高等特點(diǎn)，在檢測應(yīng)用中能夠在一張芯片上完成樣本制備、反應(yīng)、分離、檢測等一系列需要在實(shí)驗(yàn)室中完成的操作，因此微流控裝置也常被稱為微流控芯片或芯片實(shí)驗(yàn)室。

相比起傳統(tǒng)加工微流控芯片使用的硅和石英材料，有機(jī)高分子聚合物加工成型容易，成本較低，有利于在生物醫(yī)療方面大批量生產(chǎn)使用，因此近年來受到了很大的重視。其中PDMS材料生物相容性好，富有彈性，具有良好的透光性、電絕緣性與化學(xué)惰性；可臨時鍵合，也可采用多種方式進(jìn)行永久封裝；是用途最廣的微流控芯片材料之一。

微流控芯片的鍵合技術(shù)主要有氧等離子表面鍵合、陽極鍵合(Anodicbonding)、二步直接鍵合、粘性鍵合等。PDMS與玻璃雜交芯片常用等離子處理(Plasma)處理進(jìn)行鍵合，是通過在等離子清洗機(jī)中等離子處理待鍵合的PDMS和玻璃表面，以對其表面改性使表面基團(tuán)活化進(jìn)行鍵合，如圖1所示。

圖1 PDMS微流控芯片制作步驟

PDMS-玻璃微流控芯片等離子鍵合原理

當(dāng)等離子體作用于固體表面，發(fā)生刻蝕作用，即曝露在外的表面材料和原有的表面污染物生成揮發(fā)性氣態(tài)物質(zhì)除去，固體表面變粗糙，形成許多微細(xì)坑洼，增大了樣品的比表面積，并提高固體表面的潤濕性能；PDMS中大部分的鍵能在0~10eV，等離子體中的粒子能量在0~20eV，因此將固體表面暴露于等離子體后，材料表面物質(zhì)化學(xué)鍵獲得足夠能量而被打斷，產(chǎn)生自由基，并形成網(wǎng)狀的交聯(lián)結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)了PDMS表面活性。如果引入反應(yīng)性氣體，被等離子體活化的物質(zhì)表面與反應(yīng)性氣體發(fā)生某種復(fù)雜化學(xué)反應(yīng)，從而產(chǎn)生新的活性基團(tuán)，如氨基、烴基和羧基等，對材料表面活性有顯著影響。

圖2 氧等離子處理PDMS示意圖

使用氧等離子體改性PDMS使其表面含有羥基（如圖2所示），然后把玻璃片經(jīng)過濃硫酸處理后經(jīng)氧氣等離子體處理，取出對準(zhǔn)鍵合，硅烴基之間發(fā)生硅烷化反應(yīng)，形成不可逆連接。不可逆鍵合的原理是由氧氣等離子體改性PDMS后，其表面引入了親水性質(zhì)的-OH基團(tuán)，代替了-CH基團(tuán)，從而使PDMS表面表現(xiàn)出極強(qiáng)的親水性質(zhì)。硅基底通過濃硫酸處理，表面含有大量Si-O鍵，在氧等離子體處理的過程中，Si-O鍵被打斷，從而在表面形成大量的Si懸掛鍵，通過吸收空氣中-OH，形成了Si-OH鍵。將處理后的PDMS與硅表面相貼合，兩表面的Si-OH之間發(fā)生如下反應(yīng)：2Si-OH=Si-O-Si+2H2O。在硅基底與PDMS之間形成了牢固的Si-O鍵結(jié)合，從而完成了二者間不可逆鍵合,其原理圖如圖3所示。

PDMS-玻璃微流控芯片等離子鍵合原理

等離子體法改性PDMS表面，具有操作簡單，快速等優(yōu)點(diǎn)，在不用任何化學(xué)試劑的條件下，使PDMS表面具有親水性能。等離子體鍵合技術(shù)是利用等離子活化，在真空狀態(tài)下的氧離子轟擊鍵合材料表面使得表面的化學(xué)鍵打開，比如玻璃表面大量的Si-OH基團(tuán)，PDMS表面大量的Si-C鍵，Si-O鍵等化學(xué)鍵被斷裂，當(dāng)兩種材料相互貼合，在貼合表面發(fā)生脫水等反應(yīng)使得彼此化學(xué)鍵互相結(jié)合，從而實(shí)現(xiàn)鍵合，是一種不可逆的鍵合過程。