微流控芯片鍵合前PMMA的表面處理
在粘合之前對(duì)被粘接物表面進(jìn)行處理是粘合工藝中最重要的環(huán)節(jié)之一。初始的粘接強(qiáng)度和耐久性完全取決于膠粘劑接觸的表面類(lèi)型。被粘接物處理的程度和使用環(huán)境與極限粘接強(qiáng)度有關(guān)。在許多低強(qiáng)度到中等強(qiáng)度應(yīng)用中，大范圍的表面處理或許沒(méi)有必要。但是，要求最大粘接強(qiáng)度、永久性和可靠性的地方，必須仔細(xì)地控制表面處理工藝。
影響PMMA板材粘合性能的因素很多，包括材料本身的潤(rùn)濕性和粘合表面的清潔度等。材料的潤(rùn)濕性極為復(fù)雜，因而，為了提高材料粘合面的質(zhì)量，可采用以下一項(xiàng)或多項(xiàng)措施:清除材料表面污物;控制吸附水;抑制促使聚合物分解的表面粒子;被粘接物內(nèi)部結(jié)構(gòu)應(yīng)與膠粘劑分子結(jié)構(gòu)相容合;控制表面粗糙度。實(shí)驗(yàn)證明進(jìn)行過(guò)處理的表面粘接效果比未處理前有明顯的提過(guò)。除此以外，為避免粘接過(guò)程在兩塊板之間產(chǎn)生氣泡，須保證粘接表面的平整性，為此，基片上打出儲(chǔ)液孔后，孔的周?chē)鑸A滑處理，去除高于粘接表面的粗糙部分，維持原有平面的平整。

PMMA 板材表面處理的有效性可用多種方法加以評(píng)價(jià)。在粘接之前，可以使用“水膜殘跡”試驗(yàn)和接觸角試驗(yàn)。在粘合后，采取對(duì)芯片拉應(yīng)力破壞試驗(yàn)測(cè)定粘合強(qiáng)度來(lái)評(píng)價(jià)處理的效果。在實(shí)際應(yīng)用中，“水膜殘跡”試驗(yàn)是一種比較經(jīng)濟(jì)實(shí)用的方法，通過(guò)觀察清潔表面(用化學(xué)方法激活或極化的表面)能否保持連續(xù)水膜來(lái)判定。又稱作無(wú)水膜殘跡條件。水膜斷開(kāi)表示有油跡或污染的區(qū)域。由于殘留的清洗液遺留在表面上，形成連續(xù)水膜的可能性亦存在，所以在試驗(yàn)前務(wù)必保證表面用水徹底沖洗。如果在表面上不能觀察到無(wú)水膜殘跡條件，就不能用于粘合或粘接。
芯片的熱粘合
熱粘合的溫度、加熱時(shí)間和壓力是關(guān)系成敗的重要參數(shù)。由于基片和蓋片采用了同種材料，相應(yīng)的熱粘合條件與微通道熱壓成形相當(dāng)，只是根據(jù)鍵合質(zhì)量的需要對(duì)參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)卣{(diào)整。通常粘合溫度要低于玻璃化溫度，但要高于熱壓成形溫度。如果溫度不夠高、壓力過(guò)小或加熱時(shí)間太短，容易在兩塊板的接觸面間產(chǎn)生氣泡(如圖1a)，使芯片通道不能完全密封，導(dǎo)致樣品泄漏;反之，則通道變淺甚至消失。
玻璃化溫度是關(guān)系到高聚物芯片熱粘合的重要參數(shù)，同一單體不同的幾何立構(gòu)可能對(duì)應(yīng)截然不同的玻璃化溫度。如間規(guī)力構(gòu)的PMMA的玻璃化溫度是115℃，而全同力構(gòu)的 PMMA的玻璃化溫度是43℃。因而，兩種材料粘合條件的懸殊可以推測(cè)為是由兩種PMMA微觀結(jié)構(gòu)的差異決定的，而這種差異是由不同生產(chǎn)條件導(dǎo)致。
芯片的溶劑粘合
本文除了嘗試?yán)梦锢淼臒嵴澈现?還成功地使用化學(xué)溶劑將蓋片和基片有效地粘合。該方法適于無(wú)定形熱塑性自身的粘合，同時(shí)也可用于性能相近的不同塑料的粘合。這種方法對(duì)溶劑要求較高，首先要求溶劑必須具有足夠的活性，可使整個(gè)粘合面均勻地溶解或溶脹到可粘程度，略施加壓力即可粘合;其次要求溶劑具有適當(dāng)?shù)膿]發(fā)速度，在未使塑料發(fā)生龜裂或產(chǎn)生白色霧狀膜的情況下，盡量揮發(fā)得快一些，這樣可使粘接強(qiáng)度在較短時(shí)間內(nèi)達(dá)到最高值。由此可見(jiàn)，在溶劑粘合中，對(duì)溶劑的選擇，特別是按照塑料和溶劑的溶解參數(shù)(SP)以及溶劑的沸點(diǎn)選擇適當(dāng)溶劑尤為重要。
一般來(lái)說(shuō)，溶劑與塑料之間的溶解度參數(shù)越接近，溶劑對(duì)塑料的溶解性就越好，表2列出了一些塑料和溶劑的溶解度參數(shù)。從表中可以看到，丙酮(SP=10)可溶解PMMA(SP=9.3),可作為芯片粘合用的溶劑。然而試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，丙酮很容易在PMMA表面產(chǎn)生“混濁膜”，而且還容易使表面發(fā)生龜裂，產(chǎn)生無(wú)數(shù)細(xì)小的裂紋痕。導(dǎo)致最終的粘接質(zhì)量下降，芯片透光率降低，既影響了芯片的美觀，也給接下來(lái)的藥物檢測(cè)增加了困難。
被粘接聚合物一般與其單體具有很好的相容性。在進(jìn)行PMMA溶劑粘合試驗(yàn)中，采用PMMA的粉末溶于其單體MMA，制成粘合芯片用的溶膠。因?yàn)镸MA在空氣中具有揮發(fā)性，旋涂在PMMA表面上在數(shù)十秒內(nèi)就能揮發(fā)殆盡。因此很難對(duì)芯片表面達(dá)到有效地溶解，未溶解的部位無(wú)法粘合，未粘合部分將出現(xiàn)氣泡。為改善粘合效果，在MMA溶劑中加入少許膠粘劑PMMA微粉，配制成溶劑膠粘劑。如果此類(lèi)單體在室溫下聚合或在塑料軟化點(diǎn)以下加熱促進(jìn)聚合，把少量的同質(zhì)聚合物粉末加入單體中，不但可促進(jìn)聚合還可避免龜裂現(xiàn)象。
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審核編輯 黃宇