聚合物芯片材料的基本要求及加工技術

 DateTime:2017-11-14

微流控芯片技術,是把生物、化學、醫學分析過程的樣品制備、反應、分離、檢測等基本操作單元集成到一塊微米尺度的芯片上,自動完成分析全過程。作為微流控芯片的基本載體,材料對于微流控芯片的構建起着關鍵的作用,不同功能的實現常常需要利用材料的不同特性,如:硬度、導電性能、疏水親水性、透光性、抗腐蝕能力、加工工藝的可行性以及生物相容性等方面的差異,而且針對不同的芯片材料常常需要選擇不同的加工方法。有機聚合物芯

微流控芯片技術,是把生物、化學、醫學分析過程的樣品制備、反應、分離、檢測等基本操作單元集成到一塊微米尺度的芯片上,自動完成分析全過程。

 

作為微流控芯片的基本載體,材料對于微流控芯片的構建起着關鍵的作用,不同功能的實現常常需要利用材料的不同特性,如:硬度、導電性能、疏水親水性、透光性、抗腐蝕能力、加工工藝的可行性以及生物相容性等方面的差異,而且針對不同的芯片材料常常需要選擇不同的加工方法。

  

有機聚合物芯片材料的基本要求

 

選擇聚合物做芯片材料時,應根據加工工藝、應用環境及檢測方法等諸多因素和聚合物的光電、機械及化學性質選擇适用的類型,并注意聚合物材料在所使用的環境下的惰性、電絕緣性、熱性能和表面合适的修飾改性方法等。

一般應注意以下幾個方面的問題:

 

  良好的加工性

不同的加工方法對聚合物的加工性有不同的要求。由于微通道的構型越來越趨于複雜,高深寬比的微通道的優點很多,所以聚合物材料應具有良好的加工性。

 

② 良好的電絕緣性和熱性能

由于微流控芯片中的液體驅動經常采用電驅動方式,而且芯片經常被用于進行電泳分離,加高壓電場會産生熱量,高溫或局部高溫都會對分離效果造成影響,所以材料應有良好的電絕緣性和熱性能。

 

③ 良好的光學性質

對于熒光檢測和紫外檢測而言,材料必須在相應的波長範圍内有良好的透光性,才能進行有效的檢測。

 

④ 表面易于修飾改性

聚合物材料的表面易于進行改性,如通過紫外、等離子體、激光和化學處理等,不僅可改變電滲流,而且還可減少樣品的吸附。

 

⑤ 在使用條件下材料呈化學惰性

由于在微分析操作中經常要接觸到各種試劑,需要一定抗溶劑能力和耐酸堿能力,因此,在所采用的分析條件下材料應是惰性的。

 

⑥ 根據應用場合合理選擇

當制作普通微流控芯片時,可選用軟化溫度較低的材料,如有機玻璃或聚苯乙烯;制作PCR與CE集成芯片時,可選用軟化溫度較高的材料,如聚碳酸酯或聚丙烯等。

 

 

微流控分析芯片的材料和特點

 

高分子聚合物材料由于成本低、易于加工成型和批量生産等優點,得到了越來越多的關注。用于加工微流控分析芯片的高分子聚合物材料主要有三大類:熱塑性聚合物、固化型聚合物和溶劑揮發型聚合物。

 

熱塑性聚合物包括有聚酰胺(PI)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚碳酸酯(PC)、聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)等。

固化型聚合物有聚二甲基矽氧烷(也稱矽酮彈性體或矽橡膠,PDMS)、環氧樹脂和聚氨酯等,将它們與固化劑混合後,經過一段時間固化變硬後得到微流控芯片。溶劑揮發型聚合物有丙烯酸、橡膠和氟塑料等,将它們溶于适當的溶劑後,經過緩慢的揮發溶劑而得到芯片。

 

下面我們主要分析PMMA、PC、PDMS三種材質的優缺點:

 

PMMA,即聚甲基丙烯酸甲酯 

優點 :

1、透明,而且能透過其它透明材料不能透過的光線。光線可以在它内部傳導,做光纖用。

2、能耐室外老化,爆曬而不影響它的透明度,而其它透明塑料則不具備。

3、有獨特的電性能,功率因數随頻率升高而降低。

4、有良好的機械性能,耐稀的無機酸堿和油、脂、印刷性能良好。 

 

缺點:

PMMA最大的缺點是表面硬度低,不耐劃傷。

 

PC,即聚碳酸酯 

優點:

1、是幾乎無色的玻璃态的無定形聚合物,高度透明性及自由染色性。

2具高強度及彈性系數、高沖擊強度、使用溫度範圍廣。

3、成形收縮率低、尺寸安定性良好。

4、無味無臭對人體無害,符合衛生安全。

5、可經受蒸汽、清洗劑、加熱和大劑量輻射消毒,且不發生變黃和物理性能下降

 

缺點:

耐水解性差,不能用于重複經受高壓蒸汽的制品。

耐有機化學品性,耐刮痕性較差,長期暴露于紫外線中會發黃。

 

PDMS,即聚二甲矽氧烷,簡稱有機矽。

優點:

1、透光性好,能透過250 nm以上的紫外光與可見光,易于檢測。

2、無毒,生物相容性佳。

3、成本低,使用簡單,同矽片之間具有良好的粘附性。

 

缺點:

PDMS材料制成的微結構的穩定性較差,疏水性較強,經常需要進行特别處理來進行改進。

 

加工技術

 

通常微流控芯片的加工按流程分為兩部分:芯片微通道加工和芯片的封合。

目前,微通道的加工方法主要有光刻和蝕刻法、模塑、熱壓法、激光刻蝕法、LIGA技術和軟光刻法等。

 

其中,光刻和蝕刻法主要是用于無機材料芯片的加工及芯片模具的加工。模塑、熱壓法、激光刻蝕法、LIGA技術和軟光刻法等主要是用于高分子聚合物芯片的加工。芯片的封合技術則有熱鍵合、常溫鍵合、黏結法等,不同材質的芯片封合方法各有不同。

 

模塑法(cast molding)

用光刻和刻蝕的方法先制出陽模 (所需通道部分突起),然後澆注液态的高分子材料。将固化後的高分子材料與陽模剝離就得到具有微通道的芯片。這種制備微芯片的方法稱為模塑法。模塑法的關鍵在于模具和高分子材料的選擇,理想的材料應相互之間粘附力小,易于脫模。

 

通過光刻可在SU28負光膠上得到高深寬比(20 : 1)和分辯率高達幾微米的圖形,經顯影烘幹後可直接作模具用;用聚二甲基矽氧烷澆注于由矽材料、玻璃等材料制體積的母模上可制得聚二甲基矽氧烷模具。

 

澆注用的高分子材料應具有低粘度,低固化溫度,在重力作用下,可充滿模子上的微通道和凹槽等處。

 

可用的材料有兩類:固化型聚合物和溶劑揮發型聚合物。固化型聚合物有聚二甲基矽氧烷(矽橡膠)、環氧樹脂和聚胺酯等,将它們與固化劑混合,固化變硬後得到微流控芯片;溶劑揮發型聚合物有丙烯酸、橡膠和氟塑料等,通過緩慢地揮發去溶劑而得到芯片。

 

軟刻蝕(soft lithography)

軟刻蝕技術的核心是圖形轉移元件——彈性印章。其方法有微接觸印刷法、毛細微模塑法、轉移微模塑法、微複制模塑法等。它不僅可在高聚物等材料上制造複雜的三維微通道,而且可以改變材料表面的化學性質。有可能成為生産低成本的微流控分析芯片的新方法。

 

制作彈性印章的最佳聚合物是聚二甲基矽氧烷(PDMS)。它表面自由能低(~21.6dyn/cm),化學性質穩定、與其它材料不粘連;與基片正交接觸嚴密,容易取模;柔軟,易變形,彈性好,可在曲面上複制微圖形。

 

熱壓法(imprinting)

在熱壓機中加熱聚甲基丙烯酸甲酯至135℃,保溫條件下放上矽的陽模加壓5min,即可在聚甲基丙烯酸甲酯片上壓制出微通道。将帶通道的基片和有孔洞的蓋片加熱封接可得微流控分析芯片。此法可大批量複制,設備簡單,操作簡便。但是所用材料有限,對其性能研究較少,應用價值尚需實驗。

 

激光切蝕法(laserablation)

用紫外激光使可降解高分子材料曝光 ,把底片上的二維幾何圖形精确複制下來。調整曝光強度可控制材料的光解深度。用壓力吹掃去除降解産物 ,得到帶有微通道的基片。它和另一片打好孔洞的蓋片熱粘合就得到所需的芯片。

 

LIGA技術

LIGA技術是由光刻、電鑄和塑鑄三個環節組成。

第一步為同步輻射深度X光爆光,可将掩膜上的圖形轉移到有幾百微米厚的光刻膠上,得到一個與掩膜結構相同,厚度幾百微米、最小寬度為幾微米的三維立體結構。

 

電鑄可采用電鍍的方法。利用光刻膠下面的金屬進行電鍍,将光刻膠圖形上的間隙用金屬填充,形成一個與光刻膠圖形凹凸互補的金屬凹凸版圖,将光刻膠及附着的基底材料除掉,就得到鑄塑用的金屬模具。通過金屬注塑版上的小孔将塑料注入金屬模具腔體内,加壓硬化後就得到與掩膜結構相同塑料芯片。通常以聚甲基丙烯酸甲酯作為塑鑄材料。

 

 (以上内容據網絡資料整理,僅作學習交流分享

相關新聞:
上一條
下一條
http://m.zhongte84144.cn|http://wap.zhongte84144.cn|http://www.zhongte84144.cn||http://zhongte84144.cn