低成本微流控芯片鍵合技術

除紙基微流控芯片可以采用開放式流道外，其他各類型微流控芯片在微結構加工完成后都需要在流道上方覆蓋一層材料（蓋片）完成流道的封閉，即微流控芯片的鍵合。蓋片材料與基底材料可以是同類、同厚度材料，特殊用途時也可對不同類型和厚度的材料進行鍵合。不同于超凈間內使用精密儀器設備完成的硅、玻璃芯片間的鍵合，近年來，研究者提出了各類低成本的微流控芯片鍵合方法，主要包括熱壓鍵合（thermal compression bonding）、粘合（adhesive bonding）、表面氧等離子處理鍵合（plasma surface treatment）以及激光焊接（laser welding）等，如圖1所示。

圖1常見微流控芯片鍵合方法

熱壓鍵合

熱壓鍵合圖1（a）是基于PMMA、PC、PS、COC/COP等熱塑性材料微流控芯片較為理想的鍵合方法，待鍵合的兩層材料接觸并對準后，通過同時加熱加壓的方式完成芯片鍵合，加熱溫度略高于熱塑性塑料的玻璃化溫度（Tg），壓力則可根據實際情況進行設定。研究者在使用熱壓方法對微流控芯片進行鍵合的領域進行了較為深入的探索，完成了PMMA/PMMA、PMMA/PS、COC/COC等材料在不同溫度和壓力下鍵合強度的研究。熱塑性材料使用熱壓鍵合最常出現的失敗情況是由于溫度或者壓力過高導致鍵合過程中微結構發生坍塌，實際使用中一方面需要嚴格控制溫度和壓力的設定，另一方面也可使用氧等離子或紫外光對材料表面進行預處理，降低聚合物材料待鍵合表面的分子量以降低表面的玻璃化溫度。

粘性鍵合

粘性鍵合圖1（b），是指在芯片基底材料上添加一層粘性材料，再覆蓋蓋片進行鍵合。這里的粘性材料通常是具有紫外固化性質的材料（如SU-8、干膜等），需要經過紫外曝光實現基底和蓋片材料的鍵合。此外，非紫外固化材料如蠟也可以用來進行簡易的芯片鍵合。除使用粘性材料外，還可在待鍵合材料的接觸面上涂覆一層有機溶劑，通過有機溶劑材料對表面的部分溶解實現鍵合，缺點在于粘性材料或有機溶劑鍵合后在微流道內有殘留，與流道內液體接觸后會溶解到實驗溶液中，可能嚴重影響實驗結果。

氧等離子表面處理鍵合

具有微結構的PDMS基片通常使用氧等離子體對表面進行處理后與PDMS、玻璃、PMMA、PC等材料進行鍵合圖1（c）。如果使用PDMS、玻璃或硅材料的蓋片，PDMS基片與蓋片需要同時進行氧等離子表面處理，從低成本加工的角度看，氧等離子表面處理設備的成本較高，實際應用中如果不具備設備條件也可使用低成本的手持式等離子電暈設備代替氧等離子表面處理。使用氧等離子表面處理對基于PDMS材料的微流控芯片進行鍵合，其優勢在于：表面清潔無污染、鍵合速度較快；其劣勢在于芯片清洗等操作較為復雜，且設備成本較高。

從芯片鍵合技術發展看，目前可逆（reversible）鍵合和混合（hybrid）材料鍵合領域的研究最為活躍。研究者嘗試了各種物理和化學方法實現PDMS等材料的可逆鍵合，以及PDMS /SU-8等物理化學性質完全不同材料間的混合鍵合。 

結論

針對分析化學和生命科學領域，介紹現階段低成本微流控芯片材料和加工領域的最新技術和成果。介紹的各類低成本微流控芯片及其加工方法都是可以通過化學和生物實驗室的常見材料和儀器設備加工完成的，對于分析化學和生命科學領域希望使用微流控芯片的研究者具有實踐意義。

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