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一文讀懂微流控芯片PDMS與鈮酸鋰鍵合

來源: | 作者:善準(zhǔn)科技技術(shù)部 | 發(fā)布時(shí)間: 2025-01-10 | 610 次瀏覽 | 分享到:

聚二甲基硅氧烷（PDMS）是一種常見聚合物材料，具有良好機(jī)械、物理和化學(xué)的特性，如表面能低，成膜后易脫落且不損傷模具；能用于多種光學(xué)檢測系統(tǒng)制備且透光性能強(qiáng)；可重復(fù)使用，絕緣性與化學(xué)性穩(wěn)定；能用于多種細(xì)胞培養(yǎng)，生物相容性較好；價(jià)格便宜，且加工成型方便等，目前，已成為制備微流控芯片的主要材料。

鈮酸鋰（LiNbO?）又稱“光學(xué)硅”，集壓電、鐵電、熱釋電、非線性、電光、光彈、光折變等性能于一體的多功能材料。鈮酸鋰晶體的物理和化學(xué)性能穩(wěn)定，具有成本低、硬度大、抗腐蝕、耐高溫、易于加工、機(jī)械性能穩(wěn)定等特點(diǎn)，已在聲表面波(SAW)濾波器、光波導(dǎo)基片、光通訊調(diào)制器、光隔離器等方面獲得了廣泛的實(shí)際應(yīng)用,并在光子海量存儲(chǔ)器、光學(xué)集成等方面具有廣闊的應(yīng)用前景。

聚二甲基硅氧烷（PDMS）分子結(jié)構(gòu)式鈮酸鋰（LiNbO?）分子結(jié)構(gòu)式

一、PDMS與鈮酸鋰鍵合的操作方法

PDMS屬于高分子聚合物，推薦使用善準(zhǔn)的真空等離子處理儀VP-R系列和VP-RS系列，等離子激發(fā)頻率為13.56MHz，對材料表面處理既有清潔、刻蝕的物理作用，也有活化、改性的化學(xué)作用。

第一步：打開真空等離子處理儀腔門，將含有通道和干凈的PDMS和鈮酸鋰放入真空腔體內(nèi)，把需要鍵合的面朝上。

第二步：設(shè)置處理參數(shù)，VP-R系列建議功率放在高檔（標(biāo)準(zhǔn)版是160W,高功率版是200W）,VP-RS系列功率建議調(diào)到200W，通入高純度的氧氣和氮?dú)?，氣體流量為160ml/min，觸摸屏上設(shè)置清洗時(shí)間60秒，點(diǎn)擊“啟動(dòng)”,儀器即可自動(dòng)運(yùn)行：啟動(dòng)后會(huì)先抽真空，大約50秒之后發(fā)出等離子體，清洗時(shí)間開始計(jì)時(shí)，60秒清洗時(shí)間到了之后會(huì)自動(dòng)關(guān)閉真空泵，自動(dòng)關(guān)閉等離子體，自動(dòng)泄壓，待泄壓完成即可打開腔門，取出樣品。

第三步：將PDMS和鈮酸鋰表面對齊后輕輕摁壓，保持十分鐘左右，即可實(shí)現(xiàn)不可逆鍵合。

Applied Surface Science-SCI:Q1（真空等離子處理儀VP-R3處理微流控芯片PDMS鍵合） Chemical Engineering Journal-SCI:Q1（真空等離子處理儀VP-RS8活化PDMS表面）

二、PDMS氧等離子體鍵合機(jī)理分析

在通入高純度的氧氣情況下，善準(zhǔn)的真空等離子處理儀激發(fā)產(chǎn)生氧等離子體，氧等離子體會(huì)在PDMS與鈮酸鋰的表面引入極性的羥基（-OH）基團(tuán)。PDMS表面的化學(xué)鍵被打斷，引入的-OH基團(tuán)與硅（Si）原子連接形成硅醇（Si-OH），而少數(shù)的-OH 基團(tuán)與C原子相連，形成了碳氧（C-O）鍵。鈮酸鋰表面的化學(xué)鍵斷裂，鈮（Nb）原子與-OH基團(tuán)連接，形成Nb-OH鍵。氧等離子體處理后，PDMS 與鈮酸鋰相互接觸，界面處的-OH基團(tuán)之間發(fā)生脫水反應(yīng)，形成Si-O-Nb共價(jià)鍵連接表面，實(shí)現(xiàn)永久不可逆鍵合（如圖）。

三、PDMS鍵合效果的測試方法

PDMS鍵合完成后，可以通過拉力測試鍵合的強(qiáng)度，經(jīng)過氧和氮等離子體處理的PDMS和鈮酸鋰鍵合的拉力測試可達(dá)到1.3MPa，也可以搭建微流控芯片流量測試平臺(tái)，設(shè)置不同流量梯度，如在流量為10μL/min、20μL/min、40μL/min 與 80μL/min 的條件下均可保持穩(wěn)定通過，當(dāng)流量增大到 100μL/min 時(shí)發(fā)生了泄漏，經(jīng)過氧和氮等離子體處理的PDMS和鈮酸鋰鍵合微流控器件最高可承受100μL/min 的入口流量。

PDMS與鈮酸鋰鍵合機(jī)理示意圖聲表面波微流控芯片器件泄漏測試

四、善準(zhǔn)用戶PDMS應(yīng)用方向

微流控芯片是善準(zhǔn)真空等離子處理儀用戶應(yīng)用的一個(gè)大方向，從銷售端反饋的信息看，已購買善準(zhǔn)真空等離子處理儀的用戶有做PDMS表面活化改性、PDMS與PDMS鍵合、PDMS與硅片鍵合，PDMS與玻璃鍵合、PDMS與PMMA鍵合、PDMS與鈮酸鋰鍵合等，微流控芯片鍵合我們推薦使用等離子激發(fā)頻率是13.56MHz真空等離子處理儀，對應(yīng)的是我們的VP-R系列和VP-RS系列，這兩個(gè)系列均有四個(gè)型號(hào)，主要區(qū)別是腔體大小的不同，樣品尺寸較小或單次處理量較少的客戶可以選擇小腔體，反之，選擇大腔體，一般高?？蒲袉挝贿x擇VP-R3、VP-R5、VP-RS6和VP-RS8較多，企業(yè)用戶選VP-R10、VP-RS15和VP-RS20較多,這兩個(gè)系列效果都很好，用戶復(fù)購率和轉(zhuǎn)介紹率都很高，可放心選購。