PDMS-玻璃微流控芯片等離子體鍵合原理

文章出處：等離子清洗機廠家 | 深圳納恩科技有限公司| 發表時間：2023-04-03

微流控技術是指在微尺度(數微米至數百微米)的流道或微結構上對流體進行驅動或控制的技術，能夠將傳統實驗室進行的化學、生物、物理、醫學等反應集成在一張數平方厘米尺寸芯片上進行。其具有環保、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，在檢測應用中能夠在一張芯片上完成樣本制備、反應、分離、檢測等一系列需要在實驗室中完成的操作，因此微流控裝置也常被稱為微流控芯片或芯片實驗室。

相比起傳統加工微流控芯片使用的硅和石英材料，有機高分子聚合物加工成型容易，成本較低，有利于在生物醫療方面大批量生產使用，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、電絕緣性與化學惰性；可臨時鍵合，也可采用多種方式進行永久封裝；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)處理進行鍵合，是通過在等離子清洗機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活化進行鍵合，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

當等離子體作用于固體表面，發生刻蝕作用，即曝露在外的表面材料和原有的表面污染物生成揮發性氣態物質除去，固體表面變粗糙，形成許多微細坑洼，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，材料表面物質化學鍵獲得足夠能量而被打斷，產生自由基，并形成網狀的交聯結構，增強了PDMS表面活性。如果引入反應性氣體，被等離子體活化的物質表面與反應性氣體發生某種復雜化學反應，從而產生新的活性基團，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），然后把玻璃片經過濃硫酸處理后經氧氣等離子體處理，取出對準鍵合，硅烴基之間發生硅烷化反應，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的-OH基團，代替了-CH基團，從而使PDMS表面表現出極強的親水性質。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之間發生如下反應：2Si-OH=Si-O-Si+2H2O。在硅基底與PDMS之間形成了牢固的Si-O鍵結合，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，快速等優點，在不用任何化學試劑的條件下，使PDMS表面具有親水性能。等離子體鍵合技術是利用等離子活化，在真空狀態下的氧離子轟擊鍵合材料表面使得表面的化學鍵打開，比如玻璃表面大量的Si-OH基團，PDMS表面大量的Si-C鍵，Si-O鍵等化學鍵被斷裂，當兩種材料相互貼合，在貼合表面發生脫水等反應使得彼此化學鍵互相結合，從而實現鍵合，是一種不可逆的鍵合過程。

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