一種PMMA-聚酯材料的微流控芯片加工工藝研究

穆莉莉　季明坤

（安徽理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，淮南232001）

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一種PMMA-聚酯材料的微流控芯片加工工藝研究

穆莉莉季明坤

（安徽理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，淮南232001）

摘要：本文論述了一種以聚酯材料為通道層、以PMMA（polymethyl methacrylate）為蓋板和底板的微流控芯片的制作工藝，以30mm（直徑）×2.2mm（厚）的液滴分離微流控芯片為例，詳述PMMA-聚酯芯片的設(shè)計(jì)和制作流程。實(shí)驗(yàn)表明，采用該工藝加工微流控芯片，表面質(zhì)量高，方法簡單，加工效率高。

關(guān)鍵詞：微流控芯片PMMA聚酯

引言

微流控技術(shù)是在納米級的微通道內(nèi)進(jìn)行的以皮升為單位的樣品的制備、反應(yīng)、分離、檢測等基本操作的流體傳質(zhì)或傳熱技術(shù)。即將常規(guī)的化學(xué)或生物實(shí)驗(yàn)室的各種功能集成在一個(gè)可控的微小平臺上，并實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)功能的靈活組合、規(guī)模集成。憑借高速、高效、簡單、低成本等優(yōu)點(diǎn)，微流控技術(shù)在環(huán)境監(jiān)測［1-2］、生化分析［3-4］、微創(chuàng)外科技術(shù)［5］、免疫分析［6］等眾多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。

微流控芯片通道的表面質(zhì)量是影響微流體流動的重要因素。影響芯片表面質(zhì)量的因素包括兩個(gè)方面：微流控芯片的材料和加工工藝。國內(nèi)外研究了包括玻璃、硅、石英、聚二甲基硅氧烷（PDMS）以及聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）等材料的微流控芯片［7-11］，其中，基于玻璃和石英的微流控芯片制作成本高、工序復(fù)雜、毒害大。硅材料作為微流控芯片的加工材料，其絕緣性和透光性差，因此聚合物材料PDMS和PMMA得到了人們的廣泛關(guān)注。相對而言，PMMA材料具有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，如高透光性、高強(qiáng)度、高韌性以及很好的耐熱性、耐腐蝕性、生物兼容性，都促使這種材料得到了廣泛應(yīng)用。Houaria Bourbaba等人［12］對PDMS和PMMA兩種高分子材料進(jìn)行比較，得出當(dāng)芯片的剛度需求較大和有機(jī)溶劑為液相時(shí)，首先應(yīng)選擇的是PMMA材料。以PMMA為材料的芯片加工方法目前有熱壓法［13］、注塑成型法［14-15］、激光燒蝕法等等［16］。

在研究以PMMA為微流控芯片材料的過程中，不僅需要注重芯片的表面質(zhì)量和加工精度，也要注重芯片加工的簡易程度和經(jīng)濟(jì)成本。用PMMA材料結(jié)合聚酯材料制作微流控芯片的方法，是一種新型微流控芯片的加工方法，具有以下優(yōu)點(diǎn)：表面質(zhì)量好，加工方法簡單，成本低，易于加工成型，且可以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的批量生產(chǎn)。本文詳述了一種以聚酯層為通道層、以PMMA材料為蓋板和底板的微流控芯片的制作方法，包括通道層和基層的雕刻、鍵合、封裝三個(gè)步驟。

1 微流控芯片的設(shè)計(jì)

本文以應(yīng)用于液滴分裂的微流控芯片為例，對PMMA-聚酯微流控芯片的加工方法進(jìn)行介紹。本文設(shè)計(jì)的芯片結(jié)構(gòu)包括T型通道和ψ型通道兩部分。其中，T型通道用于液滴的產(chǎn)生，ψ型通道用于液滴的分裂。連續(xù)相和分散相通過T型通道產(chǎn)生連續(xù)的母液滴，在液滴隨著連續(xù)相進(jìn)入ψ型通道時(shí)分裂成為三個(gè)子液滴。

本文設(shè)計(jì)的微流控芯片的尺寸大小為30mm（直徑）× 2.2mm（厚），芯片通道的截面尺寸為500μm×500μm× 20μm。

2 微流控芯片的加工

2.1 加工設(shè)備和材料

加工設(shè)備包括二氧化碳激光雕刻機(jī)、芯片熱壓鍵合機(jī)、吸塵機(jī)、PMMA板材等，如表1所示。

表1 微流控芯片的加工設(shè)備及材料

材料包括PMMA片材（厚度為1mm）、聚酯（厚度為10μm）、酒精溶液（質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%）、微細(xì)鋼管、UV紫外線膠等。

2.2 微流控芯片的加工流程

芯片設(shè)計(jì)流程圖如圖1所示。首先進(jìn)行芯片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，然后采用CO2激光雕刻機(jī)分別對基板層和通道層進(jìn)行刻蝕，并對各層進(jìn)行清洗，進(jìn)行粘結(jié)鍵合，最后安裝各通道入口和出口進(jìn)行封裝。

圖2所示為微流控芯片結(jié)構(gòu)圖，包括基板層和聚酯層?；鍖影ǖ装鍖雍蜕w板層，材料為PMMA。通道層選用聚酯材料。連接裝置包括細(xì)鋼管、PMMA圓環(huán)與聚酯圓環(huán)。

圖1 芯片制作流程圖

圖2 PMMA微流控芯片結(jié)構(gòu)圖

（1）芯片設(shè)計(jì)與激光雕刻。根據(jù)項(xiàng)目需求，設(shè)計(jì)微流控芯片結(jié)構(gòu)。首先，在Proe軟件中繪制芯片的三維效果圖，并通過Proe到導(dǎo)出通道二維圖，并在CAD中進(jìn)行芯片的通道加工修改。

選取全透明PET聚酯（平均厚度為10μm）作為材料，剪取略大于芯片尺寸的聚酯兩片，并撕去保護(hù)膜粘貼在一起。使用CO2激光雕刻機(jī)在聚酯上雕刻通道圖形并裁切。CO2激光雕刻機(jī)的激光筆參數(shù)選擇分別為速度為10mm/s，功率為28W，PPI為100，深度選擇20μm，寬度選擇500μm。將雕刻成功的PET聚酯通道部分與周圍的材料移去，留待備用。

CO2激光雕刻機(jī)的激光筆參數(shù)選擇分別為速度為4mm/s，功率為85W，PPI為100。切割相同大小尺寸的PMMA底板和蓋板各一塊，然后在蓋板上雕刻出直徑0.6mm的入口及出口孔，使后續(xù)實(shí)驗(yàn)中可將這兩個(gè)孔作為流體的儲液池，并在底板上雕刻出微通道。為減少粉塵對微通道的污染以及減少對環(huán)境和實(shí)驗(yàn)人員的影響，整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程使用吸塵機(jī)吸走激光燒蝕所產(chǎn)生的有毒氣體。

在激光刻蝕PMMA蓋板與底板后，會產(chǎn)生一定的通道污染，將PMMA蓋板和底板在超聲波清洗機(jī)中清洗3～5min，并用吹風(fēng)機(jī)在常溫下將蓋板和底板吹干。

（2）鍵合。將PMMA蓋板、底板和聚酯按照次序放好。常溫下采用芯片壓力鍵合機(jī)粘壓到一起，形成聚酯在中間層的三明治結(jié)構(gòu)，如圖2（a）所示。

（3）封裝。如圖2（b）所示，使用微細(xì)鋼管和PMMA小圓環(huán)與PMMA蓋板粘接來進(jìn)行封裝。使用激光雕刻機(jī)在2mm厚的PMMA板上裁刻出小圓環(huán)（內(nèi)徑為0.5mm，外徑為6mm），并裁切出取與圓環(huán)相應(yīng)大小的聚酯圓環(huán)。將外徑為0.5mm的微細(xì)鋼管套入內(nèi)徑為小圓環(huán)內(nèi)。使用聚酯圓環(huán)將小圓環(huán)的另一面粘貼在出（入）口通道上，將液體UV紫外線膠涂抹與上述的接口部分，在陽光下照射兩三分鐘或在UV燈下照射一段時(shí)間后，紫外線膠固化，便可以制成如圖2（c）所示的聚酯PMMA微流控芯片。

圖3所示為PMMA微流控芯片鍵合后制作完成后的電鏡照片。圖中通道壁有少許彎曲，是由于通道的側(cè)面在加工時(shí)，由于激光對通道壁的燒蝕，使通道壁產(chǎn)生了少量變形，T型通道處基本沒有變形，因此對于實(shí)驗(yàn)基本沒有影響。且從圖中可以看出，微流控芯片粘貼均勻，表面無氣泡，加工質(zhì)量好，可以用于實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行微流體基礎(chǔ)理論實(shí)驗(yàn)研究。

圖3 PMMA微流控芯片的電鏡照片

3 結(jié)論

本文提出的PMMA微流控芯片的制作方法簡單、快速，具有表面質(zhì)量高、處理周期短、成本低等優(yōu)點(diǎn)，不需要光刻設(shè)備，不需要繁瑣的加工步驟，聚酯材料化學(xué)穩(wěn)定性高，是微流控芯片最為便捷的加工方法。它不僅適用于快速產(chǎn)品開發(fā)，也適合用于實(shí)驗(yàn)室做微流體基礎(chǔ)理論研究。此外，本文所提出的制作微流控芯片的方法尚有不足之處，如不適于與聚酯材料發(fā)生相溶的試劑場合，不適于對流道表面質(zhì)量要求特別高的場合。

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Study on Processing Technology of Micro Fluidic Chip for PMMA-Polyester Material

MU Lili,JI Mingkun
（School of mechanical engineering, Anhui University Of Science And Technology, Huainan 232001）

Abstract:This paper deals with a polyester material for channel layer, with PMMA（polymethyl methacrylate）for fabrication of microfluidic chip with the cover plate and the bottom plate, with 30 mm（diameter）x 2.2 mm（thick）of droplet separation microfluidic chip as an example, detailing the design and production process of PMMA polyester chip. The experimental results show that the micro fluidic chip has high surface quality, simple method and high processing efficiency.

Key words:microfluidic chip, PMMA, polyester