自從Harrison等首次將芯片毛細管電泳技術應用于生物樣品的分離以來,微流控芯片 (microfluidicchip)技術得到了飛速發展,在許多領域得到了廣泛的應用。近幾年,聚二甲基硅 氧烷(PDMS)由于容易聚合成形、易脫模、鍵合強 度高、光學性能優等諸多優點,已成為微流控器件的重要材料。

PDMS微流控芯片主要采用在模具上澆鑄預聚體,加熱聚合后脫模的方法進行制作,整個流程需要數小時,耗時較長。因此,PDMS微流控芯 片的批量生產需要大量的高質量模具,快速并批 量制備芯片模具的工藝技術成為關鍵。目前應用 于 PDMS 芯片制作的模具材料主要有光刻膠、 硅、不銹鋼、金屬 Ni及 PDMS等。這些材料所制作的模具或容易損壞,或制備周期較長,均無法滿足PDMS微流控芯片批量制作的需要。(汶顥提供PDMS批量注塑成型機：http://www.huashan-bs.org.cn/yqsb/zscx.html ）

聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)材料的成形收 縮率一般為0.5%~0.7%,且其表面對SiO2基底不粘附,容易脫模,在微納米技術領域,如 LIGA 和納米壓印光刻(nanoimprintlithography,NIL) 等技術中被用于微納米結構的高精度復制[。 基于此,本文以 PMMA 為模具材料,采用玻璃為母模,通過熱壓法快速批量制作微流控芯片的模具,并利用該模具經澆模、鍵合批量制作PDMS微流控芯片,考察了 PMMA 模具與PDMS微流控芯片的一致性,主要探討了熱壓過程溫度與壓力對模具質量的影響。

1. 實驗材料及儀器設備

(1) 試 劑 及 材 料。

勻 膠 鉻 板 玻 璃,型 號 為 SG2506,等級為 Um,鉻層厚度為145nm,光膠類 別為 Az21805,膠 厚 為 570nm;PMMA,厚 度 為 1.0mm,熱變形溫度為100~140℃;硝酸鈰銨洗液(50g 硝 酸 鈰 銨 中 加 12mL 高 氯 酸,加 水 至 300mL);玻璃腐蝕液(HF、HNO3、H2O 的體積比為5:10:85以及 HF、NH4F 的摩爾濃度比為 1mol/L:1mol/L兩種體系);PDMS前聚體與引發劑;其他所用化學試劑均為國產分析純。

(2) 儀器。

JKG-2A 光刻機;JC1000電腦層壓機;LEO-1530 掃描電鏡系統;MoticE30/31 倒置生物顯微鏡,配有 CanonEOS350D 型數碼相機;DQ-500等離子體去膠機。

2.微流控芯片模具及芯片制作

PMMA微模具及PDM芯片的制作流程如圖1所示。

圖1 PMMA模具與 PDMS微流控芯片制作流程示意圖

(1) 玻璃母模的制作。

以商品勻

膠鉻板玻璃為基片,光刻后置于玻璃腐 蝕液中,40℃水浴腐蝕15min,在丙酮中浸泡振蕩 除光刻膠,用硝酸鈰銨/高氯酸洗液除Cr層,再用 大量去離子水清洗,用 N2 吹干,烘干后即獲可得 具微凹槽的玻璃基片。

(2) PMMA 模具的制作。

將有微凹槽的玻璃 基片與PMMA基片緊密貼合,移至電腦層壓機中,施加一定壓力,130℃,恒溫恒壓10min,緩慢冷卻至室溫,脫模后即獲得PMMA模具。

(3) PDMS微流控芯片的制作。

PDMS預聚物和引發劑按10：1的體積比調勻,澆注于 PMMA模具表面,真空系 統中除氣泡,在溫度為 60℃聚合2h,冷卻至室溫后剝離,即可獲得具微凹槽的 PDMS基片;用相同方法聚合平整 PDMS作為蓋片,采用自制打孔器（汶顥硅膠、PDMS等軟質芯片打孔器）加工直徑為 2mm 的圓孔。將 PDMS基片與蓋片在中真空下經氧等離子體轟擊活化后進行對準貼合,即可獲得PDMS芯片(圖2)。

圖2 PDMS微流控芯片

3. 玻璃的腐蝕

玻璃的腐蝕速度與質量主要取決于玻璃的成分、腐蝕的溫度、腐蝕液的成分與濃度。本實驗所使用的勻膠鉻板玻璃(SODA-LIME 玻璃)系鈉鈣硅酸鹽玻璃,主要成分為二氧化硅、氧化鈣和氧 化鈉,可在 HF 腐蝕液體系中進行腐蝕加工。研 究結果表明,40℃水浴恒溫條件下,在 HF、NH4F 的摩爾濃度比為 1mol/L暶1mol/L 腐蝕液體系中,玻璃的腐蝕速度約為3.2μm/min;而在 HF、 HNO3、H2O 的體積比為5：10：85的腐蝕液體系中,玻璃腐蝕速度約為2μm/min,但是微通道的表面平整度略優于前者,因此我們選用該腐蝕體系進行玻璃微通道加工。將光刻后的玻璃基片 在該腐蝕液中腐蝕15min,即可獲得寬100μm、深 30μm 的玻璃微通道,溝道邊緣寬度均勻,底部平整度高(圖3)。

圖3 濕法腐蝕玻璃微溝道的SEM 照片和截面顯微照片

PMMA微模具的熱壓工藝

模具熱壓成形制作PMMA微流控器件的設備及工藝已經比較成熟。復制的質量與熱壓 溫度、壓力及熱壓方式等工藝條件密切相關。

不同的PMMA材料熱變形溫度略有所差別, 一般可通過實驗測定的溫度壓力曲線,確定熱壓成形的溫度。本實驗選用1mm 厚度的PMMA,其熱變形溫度為100~140℃,在該溫度范圍內時, PMMA中大分子鏈段運動充分展開,令整體處于 高彈態,受到一定壓力后可迅速發生形變。如果溫 度較低(低于120℃),即使在較大壓力下,也無法或 較難完全復制,并且容易損壞玻璃母模。反之,如果溫度過高(高于140℃),雖然 PMMA 流動性增強,容易復制細微結構,但往往在微結構的邊緣產生氣泡,嚴重影響 PMMA 凸模的平整度。通過實驗摸索,本文確定的熱壓溫度為130℃。

實驗結果表明,壓力的影響不如溫度的影響明顯,在特定溫度下,一定范圍內的壓力,恒壓模式都可獲得高質量的 PMMA 模具(圖4)。但是, 由于母模為玻璃,壓力過大則易造成損壞。 此外,待壓 PMMA 基片與玻璃母模的面積匹配程度也 是模具質量的重要影響因素。 PMMA基片面積大于玻璃基片時,熱壓過程中 PMMA 基片整體處于軟化狀態,邊緣區域由于沒有與玻璃母模接觸而發生向內彎曲,造成 PMMA 基片整體熱應力與所受壓力的分布不均勻,使模 具質量難以控制。而選擇面積等于或略小于玻璃 母模面積的 PMMA 基片進行熱壓制作,則可穩定獲得高質量模具。

圖4 PMMA模具的SEM 照片與截面的顯微照片

實驗摸索后優化的條件為,在一定壓力下, 130℃,恒溫恒壓10min。包括冷卻脫模的時間在內,制作一片模具耗時不到30min。

5.PDMS基片的澆注聚合與脫模

PDMS是通過預聚體和引發劑均勻混合后聚 合而成,聚合反應可在4~130℃下發生,聚合溫度越高,所需聚合時間越短。在硅基或鎳基模具上聚合時,通常采用100℃。為避免 PMMA 熱變形而導致模具損壞,本文采用60℃為聚合溫度, 聚合時間2~3h。

PDMS基片與表面未經處理的 PMMA 模具 的粘附強度并不高,只要沿著微凸起的方向小心 操作,便可輕松地將 PDMS脫模。多次澆注聚合 后,也未有剝離困難或 PDMS殘余在 PMMA 模 具表面的現象。這是由于 PMMA 表面存在極性 的甲酯基,而 PDMS表面則含—O—Si(CH3)2— 基團,兩基團性質差異較大;此外,PMMA 表面的 水接觸角約為89°,而 PDMS表面的水接觸角則 約109°,均表現較低表面自由能,因此容易脫模。 從圖5可以看出,復制獲得的 PDMS基片微凹槽 寬度均勻,表面平整度高,其截面與 PMMA 凸起 結構完全互補,說明脫模完整,復制精確高。

圖5 PDMS微凹槽的SEM 照片與截面的顯微照片

6.模具與芯片的一致性

分別在 PMMA 模具的凸起結構和 PDMS基片的微凹槽上任意選取6個不同位置,測量每個位置微結構的寬度和高度(或深度)。如表 1 所 示,PMMA 模具上凸起微結構的寬度和高度平均 為102.0μm 和32.1μm,其相應的相對標準偏差 分別是0.42%和1.46%。PDMS微凹槽的寬度和深度平均為100.3μm和31.6μm,其相應的相對標準偏差分別是0.47%和1.33%。以上結果表明,熱壓法制作的 PMMA 模具及采用該模具 澆注聚合獲得的 PDMS 芯片,微結構的均勻性 好,PDMS芯片與 PMMA 模具的一致性也較好。

表1 PMMA模具與 PDMS芯片上微通道的一致性分析

同時,我們也對同一玻璃基片上熱壓制作的 6個 PMMA 模具,以及同一 PMMA 模具上澆鑄獲得的6片 PDMS微流控芯片的微結構進行測量,結果表明不同 PMMA 模具和 PDMS微流控芯片上相同位置上的寬度與高度(或深度)的相對標準偏差均小于3%。

微流控分析即將進入到實際應用與生產的時期,芯片的大批量工業化生產技術成為重要的研究課題。以高聚物材料為主的一次性微流控分析芯片的批量生產對其相應的模具材料與工藝提出新的要求。PDMS的澆注聚合制備工藝的擴大生產需要大批量的模具以及快速高質量的模具制備工藝。針對這個需求,本文提出以濕法腐蝕的玻璃基片為母模,采用熱壓法快速、批量制作微流控芯片的 PMMA 模具,所得模具平整度高、一致性好,相對標準偏差小于3%,并且所用時間短, 30min內即可獲得一片模具。所制備的 PMMA 模具可用于澆注聚合制備 PDMS微流控芯片。

PMMA 常溫下具有一定的硬度,并具有化學穩定性良好、耐氣候變化、易于保存等優點,適合作為模具材料。但是,PMMA 的軟化點較低,只能適用于100℃以下的操作,從現有的芯片材料來看,適合于 PDMS的澆注聚合。其他高分子材料(如 PMMA)的常溫聚合也可以使用PMMA 模具,但需要對模具表面修飾或改性以便于脫模。 此外,類似于其他的模塑法,該法制備微流控芯片 在溝道截面形狀和結構方面也有一些限制,如適用于易脫模的上寬下窄的截面和較簡單的二維溝道網絡系統。

（文章來源： 廈門大學 作者：葉嘉明 李明佳 周勇亮 文章編號:1004—132X(2007)19—2379—04科學網科學網轉載僅供參考學習及傳遞有用信息，版權歸原作者所有，如侵犯權益，請聯系刪除）