等离子键合PDMS-玻璃微流控芯片

微流控芯片系统（Microfluidic Chip System）如图1.1所示，又称为芯片实验室（Labona Chip），是一种通过在微米尺度上操纵流体流动，继而进行各种生化分析的实验平台，该平台一般只有几平方厘米大小，可实现规模的集成化，达到多种分析同时进行的效果。微流控芯片技术一般是指利用微尺度下流体的流动性质对物质进行分离、检测并辅以某些主动或被动操作的技术。

图1.1 微流控芯片

等离子处理技术是微流控芯片制作过程中最常用的键合技术，能够实现PDMS-玻璃的永久性贴合。等离子键合是把玻璃和PDMS表面进行等离子处理，改变玻璃和PDMS表面性质，同时可以显著改善PDMS表面的亲水性能，将PDMS和玻璃贴合后，实现牢固不可逆键合，如图1.2所示。

图1.2 PDMS-玻璃键合示意图

PDMS-玻璃等离子键合原理

微流控芯片各组件制造完毕后使用等离子清洗机进行键合组装，等离子键合技术原理如图1.3所示，等离子清洗机中的氧气在高频电场中电离形成氧气等离子体，同时还存在有氧原子与臭氧，具有强氧化性，经过氧等离子体处理后的PDMS表面引入了亲水性质的-OH基团，使PDMS表面呈现出极强的亲水性质。同时玻璃或硅基底表面含有大量Si-O键，经氧等离子处理后，Si-O键被打断，在表面形成大量Si悬挂键并与空气中-OH结合形成Si-OH键。将经氧等离子处理后的PDMS与玻璃表面贴合，两个表面的Si-OH发生反应：2Si-OH®Si-O-Si+2H2O，PDMS与玻璃表面形成牢固的化学键，二者间的键合不可逆。

图1.3 PDMS-玻璃等离子键合原理示意图

将制备好的单个组件通过等离子清洗机完成键合的步骤如下：

（1）将玻璃片和PDMS芯片或两片PDMS芯片的待键合面 放在氧等离子体清洗机中。

（2）调节等离子清洗机功率为200W，氧气流量为100-200ml/min，进行1-2分钟清洗。

（3）清洗完毕后破真空取出组件，首先将PDMS置于玻璃中心位置，小心的赶走气泡，轻轻按压完成键合。

（4）将组装完毕的微流控芯片置于90℃热板加热10-15分钟，这将使组件间的化学键结合更牢固。

PDMS-玻璃键合效果测试|手动剥离测试

通过手动剥离试验，以确定是否发生了键合。用手将粘合的PDMS片强行从玻璃基板上取下。如果PDMS从基板上干净地分离，则表明键合失败。相反，如果PDMS无法轻易去除并最终撕裂并在表面留下残留物，则表明化学键已成功形成。

对粘合到载玻片上的PDMS板进行手动剥离试验的说明

PDMS最终被撕破，留下的残留物覆盖的面积与PDMS片原始未剥离的表面积相当。这表明键合发生在PDMS-玻璃界面的大部分区域，表明键合成功。

使用等离子清洗机对玻璃和PDMS表面改性键合时，需要特别注意以下几点问题：

（1）等离子清洗机腔室内的清洁，对玻璃和PDMS进行处理时，首先将需要改性的物品放入等离子清洗机的腔室内，放入时，防止在玻璃和PDMS的表面留下指纹。仪器腔室内的杂质同样会污染样品表面，要注意腔室内的清洁。

（2）等离子体处理后的时间，等离子体处理后，表面的化学键开始重组，几分钟后，表面活性下降，导致PDMS和玻璃的键合强度下降。所以，不可在等离子清洗机放气之后还将样品滞留于腔室内，必须立即取出进行贴合。

（3）贴合后热烘，为了使PDMS基板和导电玻璃基板接触后更容易发生化学链接，通过加热的方式加强化学链接的强度。