（分析化学专业论文）高聚物微流控芯片加工技术与分析性能的研究.pdf

摘要 生命科学的发展，对生化分析提出了更高的要求，对一次性使用的生化分析 装置的需求也越来越大。高聚物微流控芯片以其材料的价格较低、加工成型的方 法多种多样、适于大批量生产、样品试剂消耗少、可根据生化分析的需要进行各 种生物化学改性等特点，很大程度上满足了生化分析的需要。因此高聚物微流控 芯片的研究和发展具有非常重大的意义。 目前，对高聚物微流控芯片的研究已涉及到了方方面面，如高聚物材料的选 择、高聚物微流控芯片的阳模的制作方法、高聚物微流控芯片的加工成型方法、 高聚物微流控芯片的封接方法、高聚物微流控芯片表面改性、高聚物微流控芯片 与其他仪器的联用及高聚物微流控芯片在各种生化分析上的应用等等。但仍有很 多方面有待于成熟和完善。如提高阳模的寿命，某些高聚物芯片的简单有效的封 接技术，高聚物微流控芯片的改性技术及高聚物微流控芯片的应用等方面都有很 大的研究和发展空间。 本论文的工作旨在建立高聚物微流控芯片制作及性能研究的基础平台，并在 加工和制作高聚物微流控芯片的基础上在制作技术和应用方面有所创新。论文包 括五章内容： 第一章综述了高聚物微流控芯片的研究现状。 第二章研究了单晶硅阳模的制作工艺，讨论了延长硅阳模寿命的方法。考察 了光胶，前烘、后烘的温度，刻蚀剂浓度、组成及刻蚀温度等因素对单晶硅阳模 质量的影响。得出了单晶硅阳模制作的最佳条件，用a z 4 6 2 0 光胶转移图形及二氧 化硅为硅片刻蚀的牺牲层，前烘温度为9 0 。c ，后烘温度为1 2 0 。c ，刻蚀温度为6 0 ；刻蚀液组成为氢氧化钾2 3 4 ，异丙醇1 4 9 ，水6 1 7 。在该条件下制作的单 晶硅阳模表面光亮，通道侧壁较光滑。此阳模可用浇铸法快速复制聚二甲基硅氧 烷基质微流控芯片，用热压法快速复制高聚物微流控芯片，已成功地复制了聚碳 酸酯芯片3 0 0 片以上。在单晶硅阳模功能通道的周围增加的辅助线保证高聚物材 料与模具之间的间隙处处保持一致，避免了由于高聚物材料与模具不平行而在热 压时产生的剪切力，延长了硅阳模的寿命。 第三章研究了聚二甲基硅氧烷( p o l y d i m e t h y l s i l o x a n e ，p d m s ) 基质微流控芯 米经储、导师l 明 匆全文公布 塑兰苎童丝圭兰堡垒叁塑耋 片的制作和封接技术，研究了氧气氛处理p d m s 微流控芯片通道表面对电渗流的 影响。考察了p d m s 与固化剂问的配比、固化温度及加热时l 、丑j 对p d m s 芯片封接 性能的影响。得出p d m s 芯片封接的最佳条件为：两芯片所用p d m s 与固化剂质 量配比分别为1 0 ：1 与5 ：1 ，固化温度为7 5 ，两p d m s 片从开始加热到封接的最佳 时间分别为3 5 5 0m i n 和2 5 4 0r a i n 。封接后继续加热6 0m i n 。在该条件下封接 制作的微芯片历经半年，5 0 多次的分析、冲沈及抽液后未有明显的损坏，足以满 足一般分析任务的要求。 p d m s 材料的表面具有惰性和疏水性，因此在使用p d m s 微流控芯片前通常 需要进行改性以增强表面的极性来提高和稳定电渗流。本文通过试验氧气氛对 p d m s 微流控芯片通道表面的处理，使电渗流大小及稳定性有了显著的改善。同 时研究了氧气处理时间对p d m s 微流控芯片表面电渗流的影响，得到氧气处理的 最佳时间为3 天。在氧气处理3 天的p d m s 微流控芯片上进行氨基酸分离实验，得 到较好的分离效果，保留时间重现性达到1 6 6 。 第四章在自制的热压系统的基础上研究了聚碳酸酯( p c ) 微流控芯片) j 口n - 及封接的最佳条件。热压时的最佳温度是下加热块1 5 54 c ，上加热块1 4 4 4 c ，压力 1 2 m p a 。封接时的最佳温度是上下加热块均为1 4 3 。c ，压力0 9 m p a 。通过在单晶 硅阳模功能通道的周围增加的辅助线、改进热压系统并在p c 热压成型后缓慢降 温等方法延长了单晶硅阳模的寿命。 第五章在p c 微流控芯片上应用低粘度的筛分介质h p m c 一5 0 分离了d n a 样 品。研究了温度对d n a 分离的影响，优化了d n a 样品分离的条件。在通道宽度 为1 0 0g tm ，深度为2 8um 的p c 微流控芯片上，使用2 h p m c 一5 0 为筛分介质， 在分离距离为3 c m ，场强为1 5 0 v c m ，温度为1 8 时，o x 一1 7 4 h a e l i ld n a m a r k e r 得到了高效地分离。其0 0 7 2 b p 片段的理论塔板数达到了1 5 5 1 0 7 米，其他片段 的理论塔板数也都在2 ，5 x1 0 6 米以上。各相邻片段的分离度也都在1 2 以上，其中 2 7 1 b p 与2 8 1 b p 之间的分离度达到了2 5 1 。各片段的d n a 的保留时间相对标准偏差 也达到了0 8 3 1 5 3 。 坚塑型塑塑型! ! ：型型墅些些 垒坠坠 a b s t r a c t t h ed e v e l o p m e n to fl i f es c i e n c ec a l l sf o r i m p r o v e m e n t s i nb i n c h e m i c a l a n a l y s i s t h e d e m a n d sf o rd i s p o s a b l eb i n 。c h e m i c a la n a l y t i c a ld e v i s e sa r eb e c o m i n g g r e a t e ra n dg r e a t e r p o l y m e r m i c r o f l u i d i cc h i p sh a v em a n y a d v a n t a g e sf o rp e r f o r m i n gc h e m i c a la n db i o l o g i c a la s s a y si n c l u d i n g l o wm a t e r i a lc o s t ，h i g hs a m p l ep r o c e s s i n gr a t e s ，m i n i m i z e dc o n s u m p t i o no f s a m p l ea n dr e a g e n t ， d i v e r s ef a b r i c a t i o nt e e h n l q u e s ，e a s yt ou s ei nm a s sp r o d u c t i o n t h e r ea r ea l s oaw i d ev a r i e t yo f p o l y m e r m a t e r i a l sw i t hd i f f e r e n tp h y s i c a la n dc h e m i c a lp r o p e r t i e st h a tc a nb ea p p l i e dt od i f f e r e n t k i n d so fm i c r o f l u i d i ct e c h n o l o g i e s i nt h ep a s ty e a r s ，p o l y m e rm i c r o f i u i d i cc h i p sh a v ea r r a c t e d e n o r m o u si n t e r e s t sa s t h e yo p e nu p t h er o a dt oa h i g h v o l u m ep r o d u c t i o n o f d i s p o s a b l e m i c r o f i u i d i cd e v i s e s r e s e a r c h e sa b o u t p o l y m e rm i c r o f l u i d i cc h i ph a v ei n v o l v e di nm a n ya s p e c t ss u c ha sm a t e r i a l c h o o s i n g , t e c h n i q u e sf o r m a s t e rf a b r i c a t i o n ，f a b r i c a t i o n t e c h n i q u e sf o r p o l y m e rm l c r o d e v i c e s ， m a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g y f o r c o m p l e t ed e v i c e s ，s u r f a c e m o d i f i c a t i o no f m i c r o c h a n n e l s ， t e c h n i q u e sf o rc o u p l i n gw i t ho t h e rd e v i c e sa n da p p l i c a t i o n so nb i o c h e m i c a la s s a y s t h e r ea r es t i l l al o to f p r o b l e m si nt h ef i e l do fp o l y m e r m i c r o f l u i d i cc h i p ，h o w e v e r , a r et ob er e s o l v e d s u c ha s p r o l o n g i n gt h el i f e t i m eo f t h em a s t e ld e v e l o p i n gs i m p l ea n de f f e c t i v ew a y sf o rp o l y m e rm i c r o c h i p s u r f a c em o d i f i c a t i o na sw e l la sn e w a p p l i c a t i o n st oc h e m i c a la n db i o l o g i c a la s s a y s t h ep u r p o s eo fo u rw o r ki st oe s t a b l i s ht h ep l a t f o r mo ff a b r i c a t i o na n d s t u d y i n g t h e a n a l y t i c a lp e r f o r m a n c eo fp o l y m e r m i c r o f l u i d i cc h i p sa sw e l la sm a k i n gi n n o v a t i o n so nf a b r i c a t i o n t e c h n i q u e sa n da p p l i c a t i o no f p o l y m e r m i c r o f l u i d i cc h i p t h i sp a p e ri so r g a n i z e da sf o l l o w s ： i nc h a p t e r1 ，t h es t a t u sq u oo ft h er e s e a r c hi nt h ef i e l do fp o l y m e rm i c r o f i u i d i cc h i pw a s r e v i e w e d i n c h a p t e r2 ，t h em i c r o f a b r i c a t i o nt e c h n o l o g yo fs i l i c o nm i c r o - m o l df o rr e p r o d u c t i o no f p o l y m e rm i c r o f l u i d i cc h i pw a sd e v e l o p e d t h ee f f e c t s o fp h o t o r e s i s t s ，p r e b a k ea n d p o s t b a k e t e m p e r a t u r e s ，e t c h a n tc o n c e n t r a t i o na n dc o m p o s i t i o na n de t c h i n gt e m p e r a t u r eo nt h eq u a l i t yo f t h e s i l i c o nm o l dw e r ei n v e s t i g a t e d t h ec o n d i t i o n sf o rf a b r i c a t i o no ft h es i l i c o nm o l dw e r e o p t i m i z e d a z 4 6 2 0p h o t o r e s i s tw a su s e dt ot r a n s f e rt h ep a t t e ma n ds i l i c o nd i o x i d ew a su s e da sas a c r i f i c i a l m a s k t h e p r e h a k ea n dp o s t b a k et e m p e r a t u r ew e r e9 0 a n d1 2 0 r e s p e c t i v e l y ；e t c h i n g t e m p e r a t u r ew a s6 0 c ；t h eo p t i m a le t c h a n tc o m p o s i t i o ni sk o h2 3 4 ，i s o p r o p y la l c o h o l1 4 9 ， 1 1 1 呈! 尘型呈些些! ! ! ! ! ! 墅坠! ! ：坚些垒坠型 h 2 06 1 7 u s i n gt h e s ei m p r o v e de t c h i n gt e c h n o l o g y , h i g hq u a l i t ys i l i c o nm i c r o m o l dw i t h s m o o t hs i d ew a l io ft h ec h a n n e lc a nb e f a b r i c a t e d b ya d d i n ga c c e s s o r i a l l i n e sa r o u n dt h e f u n c t i o n a lc h a n n e lo nt h es i l i c o nm a s t e r ，t h em i c r o s t r u c t u r eo fs i l i c o nm a s t e ra n dt h ep o l y m e r s u b s t r a t ew e r ek e p tp a r a l l e li nt h ep r o c e s so fh o te m b o s s i n g s ot h el i f e t i m eo fs i l i c o nm a s t e rw a s g r e a t l yp r o l o n g e d ，al o to fp o l y c a r b o n a t em i c r o f l u i d l cc h i p s ( 3 0 0 ) h a v e b e e nr e p l i c a t e dw i t ht h e s a m es i l i c o nm o l du s i n g h o t e m b o s s i n gm e t h o d i nc h a p t e r3 ，t h ee f f e c t so f p r o p o r t i o n so fp o l y ( d j m e t h y l s i l o x a n e ) ( p d m s ) a n dc u r i n ga g e n t ， c u r i n gt e m p e r a t u r e a n dt i m eo nt h eb o n d i n gs t r e n g t ho fp d m sw a f e r sw e r ei n v e s t i g a t e d o p t i m i z e dc o n d i t i o n sf o rp d m sc h i pb o n d i n gw e r e ：p r o p o r t i o n so f p d m sa n dc u r i n ga g e n tf o r t h et w op d m sw a f e r sw e r e1o ：1a n d5 ：1 r e s p e c t i v e l y ；c u r i n gt e m p e r a t u r ef o rt h ep d m s w a f e r s w a s7 5 ：c u r i n gt i m ef o rt h et w ow a f e r sb e f o r ea d h e s i o nw e r e3 5 - 5 0 r a i na n d2 5 4 0 m i n r e s p e c t i v e l y , a n d6 0r a i nf o l l o w i n ga d h e s i o n t h eb o n d i n gs t r e n g t hf o rt h ec h i pf a b r i c a t e du s i n g t h en e wm e t h o dw a sa b o u t5t i m e sh i g h e rt h a nt h ec h i p sb o n d e du s i n gt h ec o n v e n t i o n a lm e t h o d w i t h o u ts p e c i a lt r e a t m e n t t h eb o n d e dc h i p ss h o w e dg o o db o n d i n gs t r e n g t hw i t h i nap e r i o do fs i x m o n t h sw i t hm o r et h a n5 0c y c l e so fo p e r a t i o n si n v o l v i n gs o l u t i o nl o a d i n gi nt h ec h a n n e la n d c h a n n e lw a s h i n g p d m sa r ei n e r ta n dh y d r o p h o b i ci nn a t u r e t h e r e f o r e ，t h e yd i d n ts u p p o r te l e c t r oo s m o t i c f l o wt h a ti sn e e d e di n a p p l i c a t i o no fm i c r o f l u i d i cc h i p i n t h i s p a p e rw ed e v e l o p e das i m p l e m e t h o db yp l a c i n gn e w l yf a b r i c a t e dp d m sm i c r o f l u i d i cc h i p si no x y g e na t m o s p h e r et oi m p r o v e i t se l e c t r oo s m o t i cf l o w a n dt h em o s t a p p r o p r i a t et i m eo f 0 2a t m o s p h e r et r e a t m e n ti s3d a y s t h e m e c h a n i s mo f 0 2w o r k e do nt h es u r f a c eo f p d m sw a sd i s c u s s e d t w oa m i n oa c i d sw e r es e p a r a t e d p e r f e c t l yo n t h ep o m sm i c r o f l u i d i cc h i p st r e a t e di n0 2 a t m o s p h e r ef o r3d a y s i nc h a p t e r4 ，t h eo p t i m a lc o n d i t i o nf o rh o te m b o s s i n ga n dt h e r m a lb o n d i n go f p o l y c a r b o n a t e ( p c ) m i c r o f l u i d i cc h i pw e r ed e t e r m i n e do nt h es e l f - m a d eh o te m b o s s i n gs y s t e m t h ee m b o s s i n g t e m p e r a t u r e w e r e l 5 5 f o r t h e b o t t o mh e a t i n gb l o c k a n d1 4 4 cf o r t h eu p p e r h e a t i n gb l o c k t h e e m b o s s i n gp r e s s u r ew a s1 2 m p a t h eo p t i m a lt e m p e r a t u r ef o rt h e r m a lb o n d i n gw a s1 4 0 ( 2 ，a n d p r e s s u r ew a s0 9 m p a b ya d d i n ga c c e s s o r i a ll i n e sa r o u n dt h ef u n c t i o n a lc h a n n e l so nt h es i l i c o n m a s t e r , m o d i f y i n gt h eh o te m b o s s i n gs y s t e ma n dc o o l i n gd o w n t h eh e a t i n gb l o c k ss l o w l ya f t e rp c h o te m b o s s i n g ，t h el i f e t i m eo f t h es i l i c o nm a s t e rw a sg r e a t l yp r o l o n g e d i nc h a p t e r5 t w od n am a r k e r sw e r es e p a r a t e ds u c c e s s f u l l yo np cm i c r o f l u i d i cc h i p su s i n g 1 v l o w v i s c o s i t yh y d r o x y p r o p y l m e t h y l c e l l u l o s e 5 0s o l u t i o n s 。t h ee f f e c to f t e m p e r a t u r e o nt h e e f f i c i e n c yo fd n a s e p a r a t i o nw a ss t u d i e d t h eo p t i m a lc o n d i t i o n sf o rs e p a r a t i o no f2 5u g m l 中 x - 1 7 4 h a e l i id n am a r k e ro np cm i c r o f i u i d i cc h i pw e r ea sf o l l o w s ：t h es i e v i n gm a t r i xi s 2 h p m c - 5 0 1 t b es o l u t i o n t h ef i e l ds t r e n g t hi s15 0 v c m t h es e p a r a t i o nw a sc a r r i e do u ta t i8 t h ed i m e n s i o no f p cm i c r o c h a n n e lw a s1 0 0um 2 8um 5 4 c mf o rw i d t h d e p t ha n d l e n g t h s e p a r a t i o nl e n g t hi s3 c m u n d e r t h es e p a r a t i o nc o n d i t i o n ，e a c hf r a g m e n to ft h ed n a m a r k e r g o ta h i g ht h e o r e t i c a lp l a t en u m b e ru pt o2 5 1 0 6 m ，t h et h e o r e t i c a lp l a t en u m b e ro f7 2 b pe v e n r e a c h e dt o1 5 5 1 0 7 m e v e r y t w oa d j a c e n tf r a g m e n t sw e r ew e l l s e p a r a t e d t h e i rr e s o l u t i o n s w e r ea l l l a r g e rt h a n 1 2 t h er s do fm i g r a t i o nt i m eo fe v e r yf r a g m e n tr a n g e df r o m08 3 t o 15 3 v 第一章文献综述 1 1 引言 自从2 0 世纪9 0 年代初m a n z 1 2 和w i d m e r 首次提出了微全分析系统 ( m i n i a t u r i z e dt o t a la n a l y s i ss y s t e m ，“t a s ) 概念，在短短的十余年中，l at a s 已成 为分析化学的一个独立领域，并已成为当前世界上最前沿的科技领域之- - 1 ”。 微全分析系统( ut a s ) 是在一个芯片大小的区域内集成各种微装置，并完 成进样、样品预处理、混合、分离和检测等功能，具有快速、高通量、样品试剂 消耗少、分析集成化和制造费用低等优点，已应用于多种生化分析如生物医学领 域的d n a n u 序、基因分析、蛋白质分析及药物学领域的新药发现、组合化学等f 4 】。 微流控芯片( m i c r o f l u i d i cc h i p ) 是ut a s 当前最活跃的领域和发展前沿。毛 细管电泳则是ut a s 装置的最基本的分离技术。大多数微流控电泳芯片都是以玻 璃【5 9 1 或石英 1 0 - 1 3 1 为基片的，然而石英与玻璃易碎且加工成本较高，大批量生产 成本较高。且玻璃在湿法刻蚀中的各向同性使微通道难以得到较高的深宽比1 7 】。 高聚物材料的价格较低，用高聚物可以加工出较高深宽比的微结构。用复制 的方法如注射成型、压印或热压成型、浇铸法等易在高聚物基片上加工微通道； 高聚物材料性质和表面化学结构多种多样，可根据需要选择最佳的基片材料。同 时，便捷的封接方法如热封合，层压( 1 a m i n a t i o n ) 或等离子体氧化等也方便了 大批量生产【1 4 】。从而使微流控分析芯片的一次性使用成为可能。 因此，对于实现ut a s 的最终目标鸭即实现分析试验室的“个人化”、“家 用化”，从而使分析科学及分析仪器从化学实验室解放出来，进入千家万户，高 聚物微流控芯片的研究和发展具有非常重大的意义。 1 2 高聚物的种类 高聚物的种类多种多样，目前应用于微流控芯片的材料有聚甲基丙烯酸甲酯 ( p m m a ) l l s - 3 n 、聚碳酸酯( p c ) 2 9 4 2 】、聚二甲基硅氧烷( p d m s ) 4 3 - 6 3 】、聚酰 亚胺( p i ) 【1 4 4 2 ，6 4 1 、聚苯乙烯( p s ) 1 9 , 2 9 , 6 5 1 、聚对苯二甲酸乙二醇酯( p e t g ) 4 0 9 6 6 删、 聚丙烯( p p ) 1 1 4 , l5 1 、聚乙烯( p e ) 1 1 4 , 1 5 1 、聚对苯二甲酸乙二酯( p e t ) 6 6 , 7 0 1 、醋 酸纤维酯 2 9 1 等。各种材料的化学结构不同，其表面及本体的物理化学性质也各不 楣同( 表1 1 ) 。因此要根据微流控芯片的加工工艺、应用对象和检测方法等因素 及高聚物的光电、机械和化学性质，选择适用的高聚物材料。特别要注意以下几 个方面口j 6 1 ： 高聚物材料应有良好的光学性质 高聚物要能透过可见光与紫外光，入射光不能产生显著的背景信号。高聚物 微流控芯片的应用常用激光荧光法检测，要注意芯片材料的本底荧光要尽量低。 使用高本底荧光的芯片材料会引起信噪比降低和检测下限升高。 高聚物材料应容易被加工 不同的加工方法对高聚物材料的可加工性有不同的要求。例如，用激光烧蚀 法加工芯片时，高聚物材料应能吸收激光辐射，并在激光照射下降解成气体。热 压法及注射成型法加工时要求芯片材料具有热塑性。而浇铸法用的高聚物材料应 具有低粘度，低固化温度，在重力作用下，可充满模具上的微通道和凹槽等处。 用于制作微流控分析芯片的高聚物主要有三类：热塑性高聚物、固化型高聚 物和溶剂挥发型高聚物。热塑性高聚物有聚酰胺、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、 聚苯乙烯等；固化型高聚物有p d m s 、环氧村脂和聚胺酯等。它们常温下为液态， 与固化剂混合后，经过一段时间固化变硬；溶剂挥发型高聚物有丙烯酸、橡胶和 氟塑料等，将它们溶于适当的溶剂后，通过缓慢地挥发去溶剂而硬化。 在所采用的分析条件下材料应是惰性的 有机高聚物能溶于某些有机溶剂中，例如聚甲基丙烯酸甲酯( p m m a ) 的微 结构在乙腈中会发生溶涨、塌陷甚至堵塞等现象，而它对离浓度的甲醇则是惰性 的。因此选择高聚物材料时要考虑芯片材料和可能使用的有机溶剂间的相容性。 另外，要求高聚物材料对生物分子的吸附尽可能地小。 材料应有良好电绝缘性和导热性 微芯片在分析时如用到电泳分离，材料应有良好电绝缘性以避免被高压击 穿。散热性能好的材料有利于焦耳热的散发。随着微通道和微结构的尺寸下降， 焦耳热散发能力随之增加，因此有机高聚物的导热能力在微尺度时重要性也降 低。芯片中的化学反应需要在高温下进行时，就必须考虑芯片材料的耐热性，如 p c r 扩增用微流控芯片的材料要能承受d n a 片段变性时所需的9 5 。c 高温。 高聚物材料的表面要有合适的改性方法 通常高聚物的表面性质不能符合样品分析的要求。因此，高聚物微流控芯片 在使用前通常需要进行改性，以达到较好的分析效果。 t a b l e lib a s i cp h y s i c a la n dc h e m i c a lp r o p e r t i e so f p o y m e r m a t e d a 【s 4 6 , 7 1 】 p o l y m e r p m m ap cp d m s p s 覆f 一 l g l a s st e m p e r a t u r e t g ( ) 1 0 6 i5 088 0 - 1 0 06 7 c o n d u c t i v i t s , ( w m k ) l i n e a re x p a n s i o n t o e f f i c i e n t a ( 1 0 - 6 k ) a c i da n da l k a l i n e 01 8 6 7 0 - 9 0 r e s i m m a t a g a i n s t d i l u t e da c i d sa n d d i l u t e da l k a l i n e s s o l v e n tr e s i s t a n c er e s i s t a n ea g a i n s tr e s i s t a n t m i n e r a lo i l s ，f u e l ，a g a i n s tw a t e r , f a t t yo i l s m i n e r a lo i l s ， b e n z e n e ，e t h e r , a l c o h o l s ，e s t e r d i e l c c t r i c s t r e n g t h 1 0 1 7 7 ( v c m ) l ig l t9 0 t r a n s m i t t a n c e ( ) 03 8 8 5 9 0 r e s i s t a n t a g a i n s t a c i d sa n d a l k a l i n e s n o co r h a r d l y r e s i s t a n t 1 5 9 0 r e s i s t a n ta g a i n s t a c i d sa n d a l k a l i n e se x c e p t n i t r i ca c i d r e s i s t a n ta g a i n s t a l c o h o l s ，p o a x a o | v c l l t a n o to r h a r d l yr e s i s t a n t a g a i n s te t h e r , b e n z e n e + 05 - 07 8 8 9 2 r e s i s t a n ta g a i n s t h f ，h 】p 0 4 h a c _ n o tr e s i s t a n t a g a i n s ta l k a l i n e s r e s i s t a n ta g a i n s t m o s ts o l v e n t s n o to rh a r d l y r e s i s t a n t a g m n s t c h l o r i n a t e d r a y d r o c a r b o n s 23 6 9 0 1 3 高聚物微流控芯片的加工方法 在高聚物基片上加工微结构的技术很多。高聚物的加工技术可分为复制成型 技术和直接成型技术。复制成型技术是高聚物材料对一个具有与微芯片通道相应 的凸形阳模进行复制而形成微结构。复制技术是一项低成本的加工技术，因为高 费用的微加工技术在该过程中仅需一次即阳模的加工。阳模可以通过多种不同 的技术加工制作，同时可以根据需要设计不同的图形。直接成型技术是直接在高 她以 硅“ 耋 = 一 ： 丝望苎兰堡圭兰堡垒耋 苎三童塞些叁篁 聚物上加工所需的微结构【4 6 l 。出于无需制作阳模，直接成形技术能快速地加工单 个微装置。但批量生产时需要时间较长 目前用于高聚物微流控芯片的复制成型技术有热压成型( h o te m b o s s i n g ) 和 浇铸法( c a s t i n g ) 、注射成型( i n j e c t i o nm o l d i n g ) 等直接成型技术主要有激光 烧蚀( u va b l a t i o n ) 、光聚a ( p h o t op o l y m e r i z a t i o n ) 、厚光胶光亥e j ( o p t i c a ll i t h o g r a p yi n t h i c kr e s i s t ) 、立体光亥1 ( s t e r e o l i t h o g r a p h y ) 及层叠技术( l a y e r i n gt e c h n o l o g y ) 等 7 “。 1 3 1 加工阳模的方法 可用于高聚物微流控芯片的阳模的材料及加工方法有很多，但在选择及加工 制作微流控芯片阳模时应注意下面几点f 7 1 j ：用热压法加工高深宽比的微结构时， 必需注意以下几点： 模具侧面的租糙度 为了便于脱模，防止因脱模力过大而损坏微结构，模具和高聚物微结 构之间的摩擦力越小越好。模具的寿命和高深宽比的复制件的质量都 取决于模具的表面质量和脱模时高聚物微结构与模具之间的摩擦力。通 常，要得到一个好的、可靠的复制效果，模具的表面粗糙度要控制在 1 0 0 r i m 的均方根以下。制备深宽比为o 5 的微结构，模具侧面粗糙度不 得大于8 0n m 。用l i g a 技术加工的模具侧面粗糙度可达到1 0n m 。 模具侧面的角度 在许可的情况下，与脱模方向平行的微结构外表面应有合理的斜度。 模具与基片的界面 模具与高聚物基片间的界面化学也是一个关键因素。如果在复制过程 中两种材料问产生了任何形式的化学或物理键，将会增加脱模时的摩擦 力。因此，模具和基片表面的化学活性点应越少越好。使用脱模削可复 制深宽比高达5 0 的微结构，但只能在脱模剂不产生污染的前提下使用。 温度系数 由于模具和基片的温度系数不同，在热压法复制微结构时，如果温度降 低时基片比模具收缩得更多，会产生附加的力。这一因素必需予以考虑。 下面介绍一些目前已用于高聚物微流控芯片制作的阳模加工技术。 1 3 1 1 计算机数码控制微加工( c n cm a c h i n i n g ) 1 5 9 。 3 l 随着传统加工技术的微型化，现代的微加工技术如锯、切割、磨、镟制等已 能加工出几十微米尺度微结构。这些技术在计算机数码控制下，可以将设计好的 通道图形转移到模具基片上，并且可以加工出不同深度的图形。该方法的特点是 可加工的材料很多，尤其是不锈钢，用别的方法很难加工出微结构。在加工简单 的通道结构时，该方法具有快速简便的优点。 对于尺寸大于5 0um 的微结构，c n c 技术是一 种简单便捷的加工技术。图1 1 为个c n c 技 术加工而成的带有四个标准结构的塑料c d 平 台1 7 ”。然而，c n c 加工技术在加工微米尺度的 结构时难以达到满意的精度，微结构的尺寸受 刀具的尺寸限制。且表面粗糙、深宽比小( 小 f i g u r e liac n c m a c h i n e dc d m i c r o f l u i d i c 于1 5 ) 等因素都制约了该方法在微流控芯片 9 1 a 竹”“ 中的应用。 1 3 1 2 电铸 电铸是最常用的模具加工方法。电铸制得的阳模由镍或镍铬、镍铁合金构成。 电铸过程由光刻开始，在带有导电层的基片上涂覆一层光胶经曝光、显影后， 将这一结构的置于电镀液中，利用光胶下面的导电层作电极进行电镀，将光胶图 形上的间隙用金属镍【4 6 1 填充，使电镀的金属镍将光胶层完全覆盖住，继续电解产 生一个有一定的强度和厚度镍金属凹凸版图，它与光胶上的图形凹凸互补。然后 将光胶及附着的基底材料除掉，就得到注塑和热压法需要的镍模具。也可以用镍 钴合金和其他合金作为电铸材料制作模具【7 “。l i g a 4 6 1 是最常见的光刻和电铸结 合的技术。l i g a 是德文l i t h o g r a p h i e ， g a l v a n o f o r r n u n g ，a b f o r r m m g 三个字的字头缩 写。它由x 光深层光刻、微电铸和微复制三 个环节组成。l i g a 技术的工艺流程( 7 5 1 示于图 1 2 。应用同步辐射x 光进行光刻，具有良好 的平行性能和高辐射光强，可将掩模上的图形 转移到有几百微米厚的光胶上。p m m a 是x 9 j g u 。1 2t y p i 。8 15 。q 。f o r t h e 光光刻常用的光胶材料【4 6 7 4 7 6 1 。在x 光射线l i g a t e e h n i q u e 堂堡苎兰堡圭篓垫垄墨墅= 耋耋些堑些 照射后，p m m a 骨架恻的键断裂，生成的小分于易溶于显影荆中。光刻时。通 过掩模上图形区阻挡x 光的作用，而非图形区下的光胶受到x 光射线强烈照射 而分解，显影时被溶解。通常，根据微流控芯片中微通道的设计深度来确定光胶 层的厚度，控制x 光的能量和曝光时间进行深度x 光光刻。这样就得到一个与 掩模结构相同，厚度几百微米、最小宽度为几微米的三维立体结构。l i g a 技术 中所用的x 光掩模板要能选择性地透过和阻挡x 光一般的紫外光掩模板不适 合做x 光掩模板。s o p e r “肄详细介绍了两种x 光掩模板的制作方法。 由于l i o a 技术的同步辐射x 光深层光刻需要昂贵的仪器，后来又发展了多 种准l i g a 技术： 硅模深刻蚀l i g a 9 5 年，s a n d e r 等报道了硅模深刻蚀l i g a 技术【”i 。硅模深刻蚀示意图如图1 3 所示。用 二氧化硅作为保护掩模层，在1 5 a m 厚的