聚合物芯片材料的基本要求及加工技术

 DateTime:2017-11-14

微流控芯片技术,是把生物、化学、医学分析过程的样品制备、反应、分离、检测等基本操作单元集成到一块微米尺度的芯片上,自动完成分析全过程。作为微流控芯片的基本载体,材料对于微流控芯片的构建起着关键的作用,不同功能的实现常常需要利用材料的不同特性,如:硬度、导电性能、疏水亲水性、透光性、抗腐蚀能力、加工工艺的可行性以及生物相容性等方面的差异,而且针对不同的芯片材料常常需要选择不同的加工方法。有机聚合物芯

微流控芯片技术,是把生物、化学、医学分析过程的样品制备、反应、分离、检测等基本操作单元集成到一块微米尺度的芯片上,自动完成分析全过程。

 

作为微流控芯片的基本载体,材料对于微流控芯片的构建起着关键的作用,不同功能的实现常常需要利用材料的不同特性,如:硬度、导电性能、疏水亲水性、透光性、抗腐蚀能力、加工工艺的可行性以及生物相容性等方面的差异,而且针对不同的芯片材料常常需要选择不同的加工方法。

  

有机聚合物芯片材料的基本要求

 

选择聚合物做芯片材料时,应根据加工工艺、应用环境及检测方法等诸多因素和聚合物的光电、机械及化学性质选择适用的类型,并注意聚合物材料在所使用的环境下的惰性、电绝缘性、热性能和表面合适的修饰改性方法等。

一般应注意以下几个方面的问题:

 

  良好的加工性

不同的加工方法对聚合物的加工性有不同的要求。由于微通道的构型越来越趋于复杂,高深宽比的微通道的优点很多,所以聚合物材料应具有良好的加工性。

 

② 良好的电绝缘性和热性能

由于微流控芯片中的液体驱动经常采用电驱动方式,而且芯片经常被用于进行电泳分离,加高压电场会产生热量,高温或局部高温都会对分离效果造成影响,所以材料应有良好的电绝缘性和热性能。

 

③ 良好的光学性质

对于荧光检测和紫外检测而言,材料必须在相应的波长范围内有良好的透光性,才能进行有效的检测。

 

④ 表面易于修饰改性

聚合物材料的表面易于进行改性,如通过紫外、等离子体、激光和化学处理等,不仅可改变电渗流,而且还可减少样品的吸附。

 

⑤ 在使用条件下材料呈化学惰性

由于在微分析操作中经常要接触到各种试剂,需要一定抗溶剂能力和耐酸碱能力,因此,在所采用的分析条件下材料应是惰性的。

 

⑥ 根据应用场合合理选择

当制作普通微流控芯片时,可选用软化温度较低的材料,如有机玻璃或聚苯乙烯;制作PCR与CE集成芯片时,可选用软化温度较高的材料,如聚碳酸酯或聚丙烯等。

 

 

微流控分析芯片的材料和特点

 

高分子聚合物材料由于成本低、易于加工成型和批量生产等优点,得到了越来越多的关注。用于加工微流控分析芯片的高分子聚合物材料主要有三大类:热塑性聚合物、固化型聚合物和溶剂挥发型聚合物。

 

热塑性聚合物包括有聚酰胺(PI)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚碳酸酯(PC)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)等。

固化型聚合物有聚二甲基硅氧烷(也称硅酮弹性体或硅橡胶,PDMS)、环氧树脂和聚氨酯等,将它们与固化剂混合后,经过一段时间固化变硬后得到微流控芯片。溶剂挥发型聚合物有丙烯酸、橡胶和氟塑料等,将它们溶于适当的溶剂后,经过缓慢的挥发溶剂而得到芯片。

 

下面我们主要分析PMMA、PC、PDMS三种材质的优缺点:

 

PMMA,即聚甲基丙烯酸甲酯 

优点 :

1、透明,而且能透过其它透明材料不能透过的光线。光线可以在它内部传导,做光纤用。

2、能耐室外老化,爆晒而不影响它的透明度,而其它透明塑料则不具备。

3、有独特的电性能,功率因数随频率升高而降低。

4、有良好的机械性能,耐稀的无机酸碱和油、脂、印刷性能良好。 

 

缺点:

PMMA最大的缺点是表面硬度低,不耐划伤。

 

PC,即聚碳酸酯 

优点:

1、是几乎无色的玻璃态的无定形聚合物,高度透明性及自由染色性。

2具高强度及弹性系数、高冲击强度、使用温度范围广。

3、成形收缩率低、尺寸安定性良好。

4、无味无臭对人体无害,符合卫生安全。

5、可经受蒸汽、清洗剂、加热和大剂量辐射消毒,且不发生变黄和物理性能下降

 

缺点:

耐水解性差,不能用于重复经受高压蒸汽的制品。

耐有机化学品性,耐刮痕性较差,长期暴露于紫外线中会发黄。

 

PDMS,即聚二甲硅氧烷,简称有机硅。

优点:

1、透光性好,能透过250 nm以上的紫外光与可见光,易于检测。

2、无毒,生物相容性佳。

3、成本低,使用简单,同硅片之间具有良好的粘附性。

 

缺点:

PDMS材料制成的微结构的稳定性较差,疏水性较强,经常需要进行特别处理来进行改进。

 

加工技术

 

通常微流控芯片的加工按流程分为两部分:芯片微通道加工和芯片的封合。

目前,微通道的加工方法主要有光刻和蚀刻法、模塑、热压法、激光刻蚀法、LIGA技术和软光刻法等。

 

其中,光刻和蚀刻法主要是用于无机材料芯片的加工及芯片模具的加工。模塑、热压法、激光刻蚀法、LIGA技术和软光刻法等主要是用于高分子聚合物芯片的加工。芯片的封合技术则有热键合、常温键合、黏结法等,不同材质的芯片封合方法各有不同。

 

模塑法(cast molding)

用光刻和刻蚀的方法先制出阳模 (所需通道部分突起),然后浇注液态的高分子材料。将固化后的高分子材料与阳模剥离就得到具有微通道的芯片。这种制备微芯片的方法称为模塑法。模塑法的关键在于模具和高分子材料的选择,理想的材料应相互之间粘附力小,易于脱模。

 

通过光刻可在SU28负光胶上得到高深宽比(20 : 1)和分辩率高达几微米的图形,经显影烘干后可直接作模具用;用聚二甲基硅氧烷浇注于由硅材料、玻璃等材料制体积的母模上可制得聚二甲基硅氧烷模具。

 

浇注用的高分子材料应具有低粘度,低固化温度,在重力作用下,可充满模子上的微通道和凹槽等处。

 

可用的材料有两类:固化型聚合物和溶剂挥发型聚合物。固化型聚合物有聚二甲基硅氧烷(硅橡胶)、环氧树脂和聚胺酯等,将它们与固化剂混合,固化变硬后得到微流控芯片;溶剂挥发型聚合物有丙烯酸、橡胶和氟塑料等,通过缓慢地挥发去溶剂而得到芯片。

 

软刻蚀(soft lithography)

软刻蚀技术的核心是图形转移元件——弹性印章。其方法有微接触印刷法、毛细微模塑法、转移微模塑法、微复制模塑法等。它不仅可在高聚物等材料上制造复杂的三维微通道,而且可以改变材料表面的化学性质。有可能成为生产低成本的微流控分析芯片的新方法。

 

制作弹性印章的最佳聚合物是聚二甲基硅氧烷(PDMS)。它表面自由能低(~21.6dyn/cm),化学性质稳定、与其它材料不粘连;与基片正交接触严密,容易取模;柔软,易变形,弹性好,可在曲面上复制微图形。

 

热压法(imprinting)

在热压机中加热聚甲基丙烯酸甲酯至135℃,保温条件下放上硅的阳模加压5min,即可在聚甲基丙烯酸甲酯片上压制出微通道。将带通道的基片和有孔洞的盖片加热封接可得微流控分析芯片。此法可大批量复制,设备简单,操作简便。但是所用材料有限,对其性能研究较少,应用价值尚需实验。

 

激光切蚀法(laserablation)

用紫外激光使可降解高分子材料曝光 ,把底片上的二维几何图形精确复制下来。调整曝光强度可控制材料的光解深度。用压力吹扫去除降解产物 ,得到带有微通道的基片。它和另一片打好孔洞的盖片热粘合就得到所需的芯片。

 

LIGA技术

LIGA技术是由光刻、电铸和塑铸三个环节组成。

第一步为同步辐射深度X光爆光,可将掩膜上的图形转移到有几百微米厚的光刻胶上,得到一个与掩膜结构相同,厚度几百微米、最小宽度为几微米的三维立体结构。

 

电铸可采用电镀的方法。利用光刻胶下面的金属进行电镀,将光刻胶图形上的间隙用金属填充,形成一个与光刻胶图形凹凸互补的金属凹凸版图,将光刻胶及附着的基底材料除掉,就得到铸塑用的金属模具。通过金属注塑版上的小孔将塑料注入金属模具腔体内,加压硬化后就得到与掩膜结构相同塑料芯片。通常以聚甲基丙烯酸甲酯作为塑铸材料。

 

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