淺析表面改性對(duì)微流控芯片鍵合和液滴生成的影響

張慧儒，張譽(yù)丹,2

（1.廣東順德工業(yè)設(shè)計(jì)研究院（廣東順德創(chuàng)新設(shè)計(jì)研究院），廣東 佛山 528300；2.西安理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710000）

基于液滴的微流控（DMP）技術(shù)致力于用兩個(gè)互不相溶的液相將待測(cè)樣本分割成體積僅為納升或皮升級(jí)的小液滴，在其中一個(gè)液相中加入表面活性劑，很好的避免多個(gè)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(lǐng)域，數(shù)字聚合酶鏈反應(yīng)（PCR）技術(shù)是液滴微流控的典型應(yīng)用注塑的聚合物芯片，因產(chǎn)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(qiáng)度滿(mǎn)足要求的前提下，通過(guò)調(diào)節(jié)工藝參數(shù)，使得微通道發(fā)生最小變形。該工藝因其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)成為聚合物芯片鍵合的主流工藝，通常需要經(jīng)過(guò)升溫、保溫加壓和退火等過(guò)程。環(huán)烯烴共聚物（COC）因其優(yōu)越的光學(xué)透明度、耐化學(xué)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(dǎo)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(qiáng)。但是親水微通道無(wú)法形成油包水的微液滴，因此在鍵合后需要再進(jìn)行微通道的疏水處理。本研究主要對(duì)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(jìn)行對(duì)比分析，并提出有效的通道內(nèi)疏水處理方法。

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 材料與設(shè)備

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

FC-3283為3M公司生產(chǎn)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(chǎn)。

PDC-MG型等離子清洗機(jī)（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(chǎn)。

芯片液滴生成使用的是蘇州文灝股份有限公司生產(chǎn)的WH-PMPP-15型恒壓泵，外接氣源為氮?dú)狻?/p>

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(jī)是由我單位自主研發(fā)的真空熱壓鍵合機(jī)。

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(cè)試儀為東莞市盛鼎精密儀器有限公司生產(chǎn)的SDC-200S型接觸角測(cè)試儀。

1.2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

（1）以空氣為介質(zhì)等離子處理COC基片和蓋片的鍵合面，使用表1所示參數(shù)進(jìn)行處理，并測(cè)試處理后的蓋片接觸角。每個(gè)參數(shù)做兩組樣品，一組用于評(píng)估鍵合后的鍵合力（屬于破壞性測(cè)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(duì)照。

表1 空氣等離子處理試驗(yàn)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(shù)進(jìn)行熱壓鍵合，熱壓鍵合的工藝參數(shù)在其他研究中已進(jìn)行可行性驗(yàn)證。鍵合后將1#-1和2#-1芯片進(jìn)行鍵合力評(píng)估。此處需要說(shuō)明的因芯片為非標(biāo)樣品，且基片為硬質(zhì)塑料，蓋片為薄膜，難以使用常規(guī)的方法進(jìn)行剝離強(qiáng)度測(cè)試，最終用手撕的方式進(jìn)行定性評(píng)估，并挑選出鍵合力較強(qiáng)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(shù)

（3）用含0.5%1H，1H，2H，2H-全氟辛基三氯硅烷的FC-3283溶液對(duì)2#-2的第2個(gè)微通道進(jìn)行潤(rùn)濕，其方法是在油相孔和水相孔分別加入20μL溶液，用氮?dú)夂銐罕抿?qū)動(dòng)溶液使其充分浸潤(rùn)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?dú)鈱⑽⑼ǖ来蹈纱谩Ｓ孟嗤姆椒ㄌ幚?#-2的第3個(gè)微通，浸潤(rùn)時(shí)間為2h。試驗(yàn)場(chǎng)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(gè)微滴生成孔，如圖1所示）的通道1、通道2和通道3進(jìn)行微液滴生成實(shí)驗(yàn)，生成條件為油相壓力0.031MPa，水相壓力0.026MPa，生成設(shè)備為氮?dú)夂銐罕谩ｏ@微鏡實(shí)時(shí)觀察液滴生成情況。試驗(yàn)場(chǎng)景如圖1所示。

圖1 溶液浸潤(rùn)和微滴生成試驗(yàn)設(shè)備和場(chǎng)景

2 結(jié)果與討論

2.1 空氣介質(zhì)等離子處理對(duì)蓋片表面接觸角的影響

測(cè)試未處理和經(jīng)空氣等離子處理后的COC蓋片接觸角，結(jié)果如圖2所示，未經(jīng)等離子處理的蓋片接觸角為92.5°（圖2a），經(jīng)等離子處理的接觸角為48.7°（圖2b）。結(jié)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(rùn)濕性，進(jìn)而增強(qiáng)材料的表面活性，改善粘結(jié)性能。

圖2 接觸角測(cè)試結(jié)果

2.2 空氣等離子處理對(duì)芯片鍵合力的影響

將4組樣品進(jìn)行熱壓鍵合，鍵合參數(shù)為保溫溫度78℃，鍵合壓力0.2MPa，保溫時(shí)間240s，鍵合后再通過(guò)手撕的方式判定未進(jìn)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(qiáng)弱，結(jié)果表明，2#-1的鍵合力明顯強(qiáng)于1#-1，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示，圖3a為未經(jīng)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(guò)程中造成蓋片嚴(yán)重變形。這與3.1中分析的空氣等離子處理增加表面的潤(rùn)濕性，進(jìn)而使鍵合力增強(qiáng)的結(jié)果一致。

圖3 芯片鍵合力強(qiáng)弱的定性對(duì)比圖

2.3 疏水試劑浸潤(rùn)微通道時(shí)間對(duì)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(jìn)行微液滴生成實(shí)驗(yàn)，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(wú)法形成微液滴，該結(jié)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(jīng)過(guò)0.5%1H，1H，2H，2H-全氟辛基三氯硅烷的FC-3283溶液浸潤(rùn)40s后進(jìn)行微液滴的生成實(shí)驗(yàn)，在給壓力的瞬間有微液滴形成，而后發(fā)生層流，無(wú)法再形成微液滴，結(jié)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(guò)程。而2#-2的通道3經(jīng)過(guò)0.5%1H，1H，2H，2H-全氟辛基三氯硅烷的FC-3283溶液浸潤(rùn)2h后進(jìn)行微液滴的生成實(shí)驗(yàn)，可以穩(wěn)定形成微液滴，直至10μL水相樣本全部生成完畢，結(jié)果如5b所示。對(duì)比結(jié)果顯示，浸潤(rùn)2h的微液滴生成情況明顯優(yōu)于40s的，這可能是由于浸潤(rùn)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(jié)語(yǔ)

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(rùn)濕性。未經(jīng)表面處理鍵合的芯片，基片和蓋片較容易分離，而經(jīng)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(rùn)濕性密切相關(guān)，空氣等離子處理后，微通道表面能增高，鍵合力增強(qiáng)。未進(jìn)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(wú)法形成微液滴，需要進(jìn)行疏水表面改性才能形成油包水微液滴。經(jīng)過(guò)0.5%1H，1H，2H，2H-全氟辛基三氯硅烷的FC-3283溶液浸潤(rùn)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(wú)法再形成微液滴，疏水改性有微弱效果，但是仍然達(dá)不到使用要求，而浸潤(rùn)2h的微通道，可以穩(wěn)定形成微液滴，說(shuō)明浸潤(rùn)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。