自從Harrison等首次將芯片毛細(xì)管電泳技術(shù)應(yīng)用于生物樣品的分離以來,微流控芯片 (microfluidicchip)技術(shù)得到了飛速發(fā)展,在許多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)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(qiáng) 度高、光學(xué)性能優(yōu)等諸多優(yōu)點(diǎn),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(yù)聚體,加熱聚合后脫模的方法進(jìn)行制作,整個(gè)流程需要數(shù)小時(shí),耗時(shí)較長。因此,PDMS微流控芯 片的批量生產(chǎn)需要大量的高質(zhì)量模具,快速并批 量制備芯片模具的工藝技術(shù)成為關(guān)鍵。目前應(yīng)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(jī)：http://ikhwaa.com/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(duì)SiO2基底不粘附,容易脫模,在微納米技術(shù)領(lǐng)域,如 LIGA 和納米壓印光刻(nanoimprintlithography,NIL) 等技術(shù)中被用于微納米結(jié)構(gòu)的高精度復(fù)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(jīng)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(duì)模具質(zhì)量的影響。

1. 實(shí)驗(yàn)材料及儀器設(shè)備

(1) 試 劑 及 材 料。

勻 膠 鉻 板 玻 璃,型 號(hào) 為 SG2506,等級(jí)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(fā)劑;其他所用化學(xué)試劑均為國產(chǎn)分析純。

(2) 儀器。

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

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(jī)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(yù)聚物和引發(fā)劑按10：1的體積比調(diào)勻,澆注于 PMMA模具表面,真空系 統(tǒng)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(zhì)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(jīng)氧等離子體轟擊活化后進(jìn)行對(duì)準(zhǔn)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(zhì)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(shí)驗(yàn)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(jìn)行腐蝕加工。研 究結(jié)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(yōu)于前者,因此我們選用該腐蝕體系進(jìn)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(shè)備及工藝已經(jīng)比較成熟。復(fù)制的質(zhì)量與熱壓 溫度、壓力及熱壓方式等工藝條件密切相關(guān)。

不同的PMMA材料熱變形溫度略有所差別, 一般可通過實(shí)驗(yàn)測定的溫度壓力曲線,確定熱壓成形的溫度。本實(shí)驗(yàn)選用1mm 厚度的PMMA,其熱變形溫度為100~140℃,在該溫度范圍內(nèi)時(shí), PMMA中大分子鏈段運(yùn)動(dòng)充分展開,令整體處于 高彈態(tài),受到一定壓力后可迅速發(fā)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(fù)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(dòng)性增強(qiáng),容易復(fù)制細(xì)微結(jié)構(gòu),但往往在微結(jié)構(gòu)的邊緣產(chǎn)生氣泡,嚴(yán)重影響 PMMA 凸模的平整度。通過實(shí)驗(yàn)摸索,本文確定的熱壓溫度為130℃。

實(shí)驗(yàn)結(jié)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(nèi)的壓力,恒壓模式都可獲得高質(zhì)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(zhì)量的重要影響因素。 PMMA基片面積大于玻璃基片時(shí),熱壓過程中 PMMA 基片整體處于軟化狀態(tài),邊緣區(qū)域由于沒有與玻璃母模接觸而發(fā)生向內(nèi)彎曲,造成 PMMA 基片整體熱應(yīng)力與所受壓力的分布不均勻,使模 具質(zhì)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(jìn)行熱壓制作,則可穩(wěn)定獲得高質(zhì)量模具。

圖4 PMMA模具的SEM 照片與截面的顯微照片

實(shí)驗(yàn)摸索后優(yōu)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(shí)間在內(nèi),制作一片模具耗時(shí)不到30min。

5.PDMS基片的澆注聚合與脫模

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

PDMS基片與表面未經(jīng)處理的 PMMA 模具 的粘附強(qiáng)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(xiàn)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(tuán),兩基團(tuán)性質(zhì)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(xiàn)較低表面自由能,因此容易脫模。 從圖5可以看出,復(fù)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(jié)構(gòu)完全互補(bǔ),說明脫模完整,復(fù)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(jié)構(gòu)和 PDMS基片的微凹槽上任意選取6個(gè)不同位置,測量每個(gè)位置微結(jié)構(gòu)的寬度和高度(或深度)。如表 1 所 示,PMMA 模具上凸起微結(jié)構(gòu)的寬度和高度平均 為102.0μm 和32.1μm,其相應(yīng)的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差分別是0.47%和1.33%。以上結(jié)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(jié)構(gòu)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(shí),我們也對(duì)同一玻璃基片上熱壓制作的 6個(gè) 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(jié)構(gòu)進(jìn)行測量,結(jié)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(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差均小于3%。

微流控分析即將進(jìn)入到實(shí)際應(yīng)用與生產(chǎn)的時(shí)期,芯片的大批量工業(yè)化生產(chǎn)技術(shù)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(chǎn)對(duì)其相應(yīng)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(kuò)大生產(chǎn)需要大批量的模具以及快速高質(zhì)量的模具制備工藝。針對(duì)這個(gè)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(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差小于3%,并且所用時(shí)間短, 30min內(nèi)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(xué)穩(wěn)定性良好、耐氣候變化、易于保存等優(yōu)點(diǎn),適合作為模具材料。但是,PMMA 的軟化點(diǎn)較低,只能適用于100℃以下的操作,從現(xiàn)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(duì)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(jié)構(gòu)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(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

（文章來源： 廈門大學(xué) 作者：葉嘉明 李明佳 周勇亮 文章編號(hào):1004—132X(2007)19—2379—04科學(xué)網(wǎng)科學(xué)網(wǎng)轉(zhuǎn)載僅供參考學(xué)習(xí)及傳遞有用信息，版權(quán)歸原作者所有，如侵犯權(quán)益，請(qǐng)聯(lián)系刪除）