聚合物微流控芯片熱壓鍵合工藝參數(shù)研究

張慧儒，梁 帥，劉 彬

（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）

1 研究背景

微流控是指，通過向微納結(jié)構(gòu)中的流體施加壓力、電場(chǎng)和磁力等操控微升或納升體積流體的技術(shù)。20世紀(jì)末至今微流控技術(shù)的發(fā)展突飛猛進(jìn)，已經(jīng)從簡(jiǎn)單的分析化學(xué)工具發(fā)展到高度集成的芯片實(shí)驗(yàn)室[1]。微流控技術(shù)在諸多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，尤其在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，微流控技術(shù)大幅改善了傳統(tǒng)生化實(shí)驗(yàn)方法的弊端，比如通量低、樣本消耗大、復(fù)雜生物樣本的假陰性或假陽性干擾等[2]。

近年來，基于液滴的微流控（DMP）技術(shù)致力于用兩種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，很好地避免多個(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)[3-4]。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[5-6]。

數(shù)字PCR中應(yīng)用的微液滴生成芯片，均采用一次性芯片，避免因生物樣本間的交叉污染導(dǎo)致測(cè)試結(jié)果出現(xiàn)問題。注塑的聚合物芯片，因產(chǎn)能高、成本低成為最佳選擇。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作為液滴芯片的原材料[7-9]。

聚合物芯片在熱壓鍵合中的難點(diǎn)是盡量使微通道的變形最小，且最大程度保證與注塑基片一致，因此精確的溫度、壓力和時(shí)間等工藝參數(shù)的選擇和控制成為本研究的重點(diǎn)。

2 實(shí)驗(yàn)方法

2.1 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32 cm3/10 min。

微流控芯片基片樣品為我單位自主研發(fā)的70μm聚合物微液滴基片，蓋片為采購的COC擠塑薄膜。熱壓鍵合機(jī)是由筆者所在單位自主研發(fā)的真空熱壓鍵合機(jī)。測(cè)試微通道尺寸和微液滴直徑的顯微鏡為日本奧林巴斯公司的IX73倒置顯微鏡。微液滴生成儀為筆者所在單位自制微液滴生成儀。測(cè)試壓力均一性使用的壓敏紙型號(hào)為日本富士4LW型。

2.2 實(shí)驗(yàn)過程

試驗(yàn)過程如下：①測(cè)試未鍵合的基片液滴生成口的尺寸，測(cè)試位置如圖1所示，其中OW為油相通道寬度，SW為水相通道，測(cè)三次；②完成7組熱壓鍵合實(shí)驗(yàn)，分別為不同保溫溫度、壓力和保溫時(shí)間；③測(cè)試鍵合后的芯片通道的變形情況；④用芯片生成微液滴，評(píng)估通道尺寸對(duì)液滴直徑的影響。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)如表1所示。

表1 熱壓鍵合工藝試驗(yàn)方案

圖1 鍵合前后尺寸測(cè)試位置

3 結(jié)果與討論

3.1 保溫溫度對(duì)微通道變形的影響

分別對(duì)1#、2#和7#樣品在保溫溫度分別為76℃、78℃和80℃，壓力為160 kPa，保溫時(shí)間為4 min條件下鍵合，將鍵合后的芯片尺寸（測(cè)試位置如圖1所示）與鍵合前的進(jìn)行對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)鍵合后的水相和油相通道尺寸較鍵合前有明顯收縮，且呈現(xiàn)溫度越高收縮率越大的趨勢(shì)，如圖2所示。這主要是因?yàn)樵摬牧系牟ＡЩD(zhuǎn)變溫度為78℃，隨著溫度的上升，材料由脆性轉(zhuǎn)變?yōu)閺椝苄詫?dǎo)致變形量增大，通道收縮率相應(yīng)增大。

圖2 不同溫度下鍵合后油相和水相通道收縮率

3.2 壓力對(duì)鍵合面缺陷的影響

2#、3#和4#樣品的鍵合條件為：保溫溫度和時(shí)間均為78℃和4 min，壓力分別為160 kPa、100 kPa和130 kPa。鍵合后觀察鍵合面，3#和4#有肉眼可見的氣泡，而160 kPa下鍵合的樣品，微通道周邊區(qū)域沒有氣泡。對(duì)比三種壓力下鍵合前后的通道尺寸收縮沒有太明顯的規(guī)律。根據(jù)鍵合面的判斷，認(rèn)為160 kPa為更適合于該材料的熱壓鍵合。在該參數(shù)下用壓敏紙表征了鍵合面的受力均一性，壓敏紙顏色變化情況如圖3所示，顏色相對(duì)較均勻，這與肉眼觀察鍵合面的情況基本一致。

圖3 160 kPa下鍵合面的受力表征結(jié)果

3.3 保溫時(shí)間對(duì)微通道變形的影響

2#、5#和6#樣品的鍵合條件是保溫溫度和壓力為78℃和160 kPa，保溫時(shí)間分別為4 min、2 min和6 min。對(duì)比三個(gè)樣品鍵合前后通道變化情況發(fā)現(xiàn)，鍵合后通道均收縮，且收縮率在保溫時(shí)間為4 min時(shí)為最小，2 min的收縮率次之，6 min的收縮率達(dá)到最大，結(jié)果如圖4所示。因此，基于本臺(tái)設(shè)備的熱壓鍵合工藝中的保溫時(shí)間應(yīng)該考慮設(shè)定在4 min。

圖4 不同保溫時(shí)間下鍵合后油相和水相通道收縮率

3.4 通道寬度的變化對(duì)液滴直徑的影響

將芯片樣品進(jìn)行微液滴生成實(shí)驗(yàn)，每組樣品有8個(gè)微滴生成孔，如圖1（a）所示，生成條件為油相壓力31 kPa，水相壓力26 kPa，生成設(shè)備為筆者單位自制的生成儀。生成的液滴在顯微鏡下測(cè)量尺寸，圖5（a）為測(cè)試微液滴直徑所使用的熒光倒置顯微鏡，圖5（b）為微液滴直徑尺寸的測(cè)試方法照片。以下分析中涉及的微液滴尺寸均按照該顯微鏡10倍放大測(cè)試。

圖5 測(cè)試微液滴用顯微鏡和微液滴直徑測(cè)試方法圖片

將微液滴直徑和通道尺寸數(shù)據(jù)進(jìn)行一一對(duì)應(yīng)后發(fā)現(xiàn)，微液滴直徑隨著水相和油相通道寬度的變化呈線性趨勢(shì)，通道越寬，微滴越大，如圖6所示。本芯片設(shè)計(jì)目標(biāo)微滴直徑為70μm，當(dāng)水相通道為60～62μm，油相通道為58～60μm時(shí)，液滴更有可能達(dá)到目標(biāo)直徑。

圖6 通道寬度與液滴直徑對(duì)應(yīng)關(guān)系

4 結(jié)論

保溫溫度為76℃、78℃和80℃，壓力為160 kPa，保溫時(shí)間為4 min條件下鍵合的芯片尺寸與鍵合前的進(jìn)行對(duì)比分析，鍵合后的水相和油相通道尺寸較鍵合前有明顯收縮，且呈溫度越高，收縮率越大的趨勢(shì)，因此，為了通道盡可能保持原有基片尺寸，在保證鍵合力的同時(shí)，傾向于使用更低的鍵合溫度。

保溫溫度和時(shí)間均為78℃和4 min，壓力分別為100 kPa、130 kPa和160 kPa的三組實(shí)驗(yàn)對(duì)比結(jié)果顯示，160 kPa壓力鍵合的樣品，微通道周邊區(qū)域沒有氣泡且鍵合面受力較均勻。保溫溫度和壓力為78℃和160 kPa，保溫時(shí)間分別為2 min、3 min和6 min時(shí)，收縮率在保溫時(shí)間為4 min時(shí)為最小，因此，4 min的保溫時(shí)間更符合鍵合工藝要求。

微液滴直徑隨著水相和油相通道寬度的變化呈線性趨勢(shì)，通道越寬，微滴越大，當(dāng)水相通道為60～62μm，油相通道為58～60μm時(shí)，液滴更有可能達(dá)到70μm目標(biāo)直徑。