淺析表面改性對微流控芯片鍵合和液滴生成的影響

張慧儒，張譽丹,2

（1.廣東順德工業(yè)設計研究院（廣東順德創(chuàng)新設計研究院），廣東 佛山 528300；2.西安理工大學材料科學與工程學院，陜西 西安 710000）

基于液滴的微流控（DMP）技術致力于用兩個互不相溶的液相將待測樣本分割成體積僅為納升或皮升級的小液滴，在其中一個液相中加入表面活性劑，很好的避免多個液滴合并，使微液滴體系在高溫環(huán)境下仍然可以處于穩(wěn)定狀態(tài)。在分子診斷領域，數字聚合酶鏈反應（PCR）技術是液滴微流控的典型應用注塑的聚合物芯片，因產能高成本低成為最佳選擇。常用的聚合物芯片鍵合方法有熱壓鍵合、超聲鍵合和溶劑鍵合等。熱壓鍵合工藝所追求的是在保證鍵合強度滿足要求的前提下，通過調節(jié)工藝參數，使得微通道發(fā)生最小變形。該工藝因其獨特的優(yōu)勢成為聚合物芯片鍵合的主流工藝，通常需要經過升溫、保溫加壓和退火等過程。環(huán)烯烴共聚物（COC）因其優(yōu)越的光學透明度、耐化學性、低吸水性和良好的生物相容性常用于微液滴芯片的原材料。但是由于其本征的疏水特性導致基片和蓋片鍵合成芯片后鍵合力較弱，只能在較小的壓力下使用。本研究將COC基片和蓋片的鍵合面采用空氣等離子處理，使其形成親水表面，表面能增高，相同條件下鍵合力較未處理增強。但是親水微通道無法形成油包水的微液滴，因此在鍵合后需要再進行微通道的疏水處理。本研究主要對COC芯片直接鍵合和等離子處理后鍵合的鍵合力和微滴生成情況進行對比分析，并提出有效的通道內疏水處理方法。

1 實驗方法

1.1 材料與設備

COC（日本Topas公司）是一種光學透明度、耐化學性和低吸水性等性能優(yōu)越的聚合物材料，其玻璃化轉變溫度為78℃，熔融指數為32cm3/10min。

FC-3283為3M公司生產的1-甲氧基-九氟代丁烷，C4F9OCH3.

1H，1H，2H，2H-全氟辛基三氯硅烷為上海麥克林生化科技有限公司生產。

PDC-MG型等離子清洗機（400W晶控13.56MHz射頻功率源）為成都銘恒科技發(fā)展有限公司生產。

芯片液滴生成使用的是蘇州文灝股份有限公司生產的WH-PMPP-15型恒壓泵，外接氣源為氮氣。

微流控芯片樣品為我單位自主研發(fā)的70μm聚合物微液滴芯片。

熱壓鍵合機是由我單位自主研發(fā)的真空熱壓鍵合機。

觀察微液滴生成的顯微鏡為日本奧林巴斯公司的IX73熒光倒置顯微鏡。

接觸角測試儀為東莞市盛鼎精密儀器有限公司生產的SDC-200S型接觸角測試儀。

1.2 實驗過程

（1）以空氣為介質等離子處理COC基片和蓋片的鍵合面，使用表1所示參數進行處理，并測試處理后的蓋片接觸角。每個參數做兩組樣品，一組用于評估鍵合后的鍵合力（屬于破壞性測試），另一組為疏水處理待用樣品，1#-1和1#-2不做處理，屬于空白對照。

表1 空氣等離子處理試驗方案

（2）將處理后的基片和蓋片（樣品1#和2#共4組樣品）使用表2參數進行熱壓鍵合，熱壓鍵合的工藝參數在其他研究中已進行可行性驗證。鍵合后將1#-1和2#-1芯片進行鍵合力評估。此處需要說明的因芯片為非標樣品，且基片為硬質塑料，蓋片為薄膜，難以使用常規(guī)的方法進行剝離強度測試，最終用手撕的方式進行定性評估，并挑選出鍵合力較強的樣品（鍵合力差異較大，較容易區(qū)分）。

表2 熱壓鍵合工藝參數

（3）用含0.5%1H，1H，2H，2H-全氟辛基三氯硅烷的FC-3283溶液對2#-2的第2個微通道進行潤濕，其方法是在油相孔和水相孔分別加入20μL溶液，用氮氣恒壓泵驅動溶液使其充分浸潤微通道并保持40s，之后用移液槍將溶液從水相孔、油相孔和微滴生成孔移除，并用恒壓泵的氮氣將微通道吹干待用。用相同的方法處理2#-2的第3個微通，浸潤時間為2h。試驗場景如圖1所示。

（4）將1#-2芯片的通道1和2#-2（每組樣品有8個微滴生成孔，如圖1所示）的通道1、通道2和通道3進行微液滴生成實驗，生成條件為油相壓力0.031MPa，水相壓力0.026MPa，生成設備為氮氣恒壓泵。顯微鏡實時觀察液滴生成情況。試驗場景如圖1所示。

圖1 溶液浸潤和微滴生成試驗設備和場景

2 結果與討論

2.1 空氣介質等離子處理對蓋片表面接觸角的影響

測試未處理和經空氣等離子處理后的COC蓋片接觸角，結果如圖2所示，未經等離子處理的蓋片接觸角為92.5°（圖2a），經等離子處理的接觸角為48.7°（圖2b）。結果表明，等離子處理前后，COC蓋片表面的接觸角從92.5°降低至48.7°，明顯改善了材料表面的潤濕性，進而增強材料的表面活性，改善粘結性能。

圖2 接觸角測試結果

2.2 空氣等離子處理對芯片鍵合力的影響

將4組樣品進行熱壓鍵合，鍵合參數為保溫溫度78℃，鍵合壓力0.2MPa，保溫時間240s，鍵合后再通過手撕的方式判定未進行表面處理（1#-1）和等離子體表面處理（2#-1）的樣品的鍵合力的強弱，結果表明，2#-1的鍵合力明顯強于1#-1，實驗結果如圖3所示，圖3a為未經表面處理鍵合的芯片，基片和蓋片較容易分離，圖3b為空氣等離子處理后鍵合的芯片，基片和蓋片較難分離，甚至在分離過程中造成蓋片嚴重變形。這與3.1中分析的空氣等離子處理增加表面的潤濕性，進而使鍵合力增強的結果一致。

圖3 芯片鍵合力強弱的定性對比圖

2.3 疏水試劑浸潤微通道時間對微液滴生成的影響

分別將1-2芯片的通道1和2-2的通道1進行微液滴生成實驗，1#-2可以形成穩(wěn)定的微液滴（圖4a），而2#-2發(fā)生水相和油相的層流（圖4b），無法形成微液滴，該結果符合之前的分析，油包水的微液滴形成需要微通道具有一定的疏水性。

圖4 顯微鏡拍攝微液滴生成圖

2#-2的通道2經過0.5%1H，1H，2H，2H-全氟辛基三氯硅烷的FC-3283溶液浸潤40s后進行微液滴的生成實驗，在給壓力的瞬間有微液滴形成，而后發(fā)生層流，無法再形成微液滴，結果如圖5a所示，圖中十字交叉口可以展示從微液滴生成到層流的過程。而2#-2的通道3經過0.5%1H，1H，2H，2H-全氟辛基三氯硅烷的FC-3283溶液浸潤2h后進行微液滴的生成實驗，可以穩(wěn)定形成微液滴，直至10μL水相樣本全部生成完畢，結果如5b所示。對比結果顯示，浸潤2h的微液滴生成情況明顯優(yōu)于40s的，這可能是由于浸潤2h的微通道有更好的疏水性，附著表面的疏水層與40s的相比更厚或更穩(wěn)定。

圖5 顯微鏡拍攝微液滴生成圖

3 結語

等離子處理前后，COC蓋片表面的接觸角有較大幅度的降低，明顯改善了材料表面的潤濕性。未經表面處理鍵合的芯片，基片和蓋片較容易分離，而經空氣等離子處理后鍵合的芯片，基片和蓋片較難分離，鍵合力顯著提高，這與材料表面的潤濕性密切相關，空氣等離子處理后，微通道表面能增高，鍵合力增強。未進行等離子處理的基片和蓋片直接鍵合后可以形成穩(wěn)定的微液滴，而空氣等離子清洗后因微通道的親水表面，無法形成微液滴，需要進行疏水表面改性才能形成油包水微液滴。經過0.5%1H，1H，2H，2H-全氟辛基三氯硅烷的FC-3283溶液浸潤40s后的微通道，在給壓力的瞬間有微液滴形成，隨即發(fā)生層流，無法再形成微液滴，疏水改性有微弱效果，但是仍然達不到使用要求，而浸潤2h的微通道，可以穩(wěn)定形成微液滴，說明浸潤2h的微通道表面疏水情況明顯優(yōu)于40s的，附著表面的疏水層與40s的相比更厚或更穩(wěn)定。