PDMS-玻璃微流控芯片等离子体键合原理

文章出处：等离子清洗机厂家 | 深圳纳恩科技有限公司| 发表时间：2023-04-03

微流控技术是指在微尺度(数微米至数百微米)的流道或微结构上对流体进行驱动或控制的技术，能够将传统实验室进行的化学、生物、物理、医学等反应集成在一张数平方厘米尺寸芯片上进行。其具有环保、试剂消耗少、低成本、集成化程度高、高通量、效率高、安全性高等特点，在检测应用中能够在一张芯片上完成样本制备、反应、分离、检测等一系列需要在实验室中完成的操作，因此微流控装置也常被称为微流控芯片或芯片实验室。

相比起传统加工微流控芯片使用的硅和石英材料，有机高分子聚合物加工成型容易，成本较低，有利于在生物医疗方面大批量生产使用，因此近年来受到了很大的重视。其中PDMS材料生物相容性好，富有弹性，具有良好的透光性、电绝缘性与化学惰性；可临时键合，也可采用多种方式进行永久封装；是用途最广的微流控芯片材料之一。

微流控芯片的键合技术主要有氧等离子表面键合、阳极键合(Anodicbonding)、二步直接键合、粘性键合等。PDMS与玻璃杂交芯片常用等离子处理(Plasma)处理进行键合，是通过在等离子清洗机中等离子处理待键合的PDMS和玻璃表面，以对其表面改性使表面基团活化进行键合，如图1所示。

图1 PDMS微流控芯片制作步骤

PDMS-玻璃微流控芯片等离子键合原理

当等离子体作用于固体表面，发生刻蚀作用，即曝露在外的表面材料和原有的表面污染物生成挥发性气态物质除去，固体表面变粗糙，形成许多微细坑洼，增大了样品的比表面积，并提高固体表面的润湿性能；PDMS中大部分的键能在0~10eV，等离子体中的粒子能量在0~20eV，因此将固体表面暴露于等离子体后，材料表面物质化学键获得足够能量而被打断，产生自由基，并形成网状的交联结构，增强了PDMS表面活性。如果引入反应性气体，被等离子体活化的物质表面与反应性气体发生某种复杂化学反应，从而产生新的活性基团，如氨基、烃基和羧基等，对材料表面活性有显著影响。

图2 氧等离子处理PDMS示意图

使用氧等离子体改性PDMS使其表面含有羟基（如图2所示），然后把玻璃片经过浓硫酸处理后经氧气等离子体处理，取出对准键合，硅烃基之间发生硅烷化反应，形成不可逆连接。不可逆键合的原理是由氧气等离子体改性PDMS后，其表面引入了亲水性质的-OH基团，代替了-CH基团，从而使PDMS表面表现出极强的亲水性质。硅基底通过浓硫酸处理，表面含有大量Si-O键，在氧等离子体处理的过程中，Si-O键被打断，从而在表面形成大量的Si悬挂键，通过吸收空气中-OH，形成了Si-OH键。将处理后的PDMS与硅表面相贴合，两表面的Si-OH之间发生如下反应：2Si-OH=Si-O-Si+2H2O。在硅基底与PDMS之间形成了牢固的Si-O键结合，从而完成了二者间不可逆键合,其原理图如图3所示。

PDMS-玻璃微流控芯片等离子键合原理

等离子体法改性PDMS表面，具有操作简单，快速等优点，在不用任何化学试剂的条件下，使PDMS表面具有亲水性能。等离子体键合技术是利用等离子活化，在真空状态下的氧离子轰击键合材料表面使得表面的化学键打开，比如玻璃表面大量的Si-OH基团，PDMS表面大量的Si-C键，Si-O键等化学键被断裂，当两种材料相互贴合，在贴合表面发生脱水等反应使得彼此化学键互相结合，从而实现键合，是一种不可逆的键合过程。

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