CN102452639A - 塑料微流控芯片的键合方法及塑料微流控芯片 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种塑料微流控芯片的键合方法以及由该方法得到的塑料微流控芯片，该键合方法用于将带有开放式微结构的塑料芯片基板和塑料封盖基板键合在一起形成塑料微流控芯片，将所述塑料封盖基板吸附有光敏化学组分层的表面与所述塑料芯片基板带微结构的表面贴合后，置于紫外光源下辐射以完成键合。本发明的键合方法在室温下完成塑料微流控芯片的共价键合，既具有高的键合强度，又几乎不对塑料微流控芯片的微结构造成影响，具有简单、快速等特点，得到的塑料微流控芯片可用于分析化学、生物学检测、健康安全等多个领域。

Description

塑料微流控芯片的键合方法及塑料微流控芯片

技术领域

本发明涉及微流控芯片的键合或封装技术领域，更具体而言，涉及一种塑料微流控芯片的键合方法，以及通过该键合方法得到的塑料微流控芯片。

背景技术

近年来，微流控芯片在DNA分离、PCR分析和细菌检测等分析化学和健康安全领域有着广泛的应用。采用微流控芯片进行化学分析及生物检测，不仅可以提高分析检测的效率和可靠性，而且大大减少了待检测样的用量。目前大多数微流控芯片的制造原料为无机硅材料，具有造价高、难加工等缺点。有机高分子材料，如聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚碳酸酯(PC)、聚苯乙烯(PS)等，具有易成型、低成本等优势，在作为微流控芯片制造材料方面已经开始被广泛研究。其中，塑料微流控芯片在DNA提取和纯化、PCR及电泳分析检测中的应用已有成功实例。

在塑料微流控芯片的制备过程中，芯片基板和封盖基板之间通过一定方法将芯片基板表面预成型的微结构(包括微通道，微阀，微储液室，微进样孔等)键合起来形成封闭的微空腔结构是最重要的一步。该封闭的空腔结构有进样、流动、分离等物理化学分析功能。在键合过程中，要求芯片基板的微结构不会被污染或发生变形/堵塞等，从而影响后续分析功能的实现。特别是对于具有PCR功能的微流控芯片而言，由于其具有复杂的微结构包括较长的廻转微通道及较高的宽深比，因而对其进行封装或键合具有很大的挑战性。

目前，用于塑料微流控芯片的键合或封装有许多种方法，如热键合法、等离子体/UVO辅助热键合法、胶粘剂法、溶剂法、微波法、超声焊接法等。其中热键合过程无污染产生，但是耗时长且易导致微结构变形。为了解决热键合过程中的变形问题，人们提出采用等离子体/UVO辅助键合法，大大降低了微结构的变形。然而，该方法键合强度较低。采用胶黏剂法容易堵塞微通道，如欧洲专利WO/2008/063124介绍了一种靠粒子尺寸控制键合间距的方法，采用红外线或紫外线固化粘接剂的键合法；美国专利USP7,122,093发明了一种树脂-气体辅助键合技术实现两表面的键合，首先在两个表面之间注入光敏树脂，充满微结构，然后通过气体的注入来替代封闭微空腔结构里的树脂，最后采用紫外线固化两表面之间的光敏树脂完成键合。溶剂法是一种有效和简便的用于连接高分子材料的方法，如USP6,632,318采用溶剂法组装塑料医疗设备。USP7,390,377介绍了溶剂法在微流控芯片键合中的应用。WO/2008/032128提出了低温旋涂法粘接微流控芯片的方法，两个基板中一个是硅材料，另一个是有机高分子材料，首先在基板表面接枝生成硅醇基团，然后采用等离子体处理活化表面并实现键合反应。

中国专利1,480,724利用红外激光作为热源热键合塑料微流控芯片，在照射过程中通过加热界面产生部分熔融达到粘接；专利1,588,669介绍了利用半导体热电制冷加热器热粘接聚合物微流控芯片的方法；1,740,788提出了通过塑料的表面改性，在基板表面化学接枝特定的化学官能团，进而通过官能团反应形成化学键的键合方法；101,088,912通过聚合物微结构及导能筋的精密设计，使得超声波焊接塑料微流控芯片成为可能。

然而，以上大多数键合或封装方法可能使得芯片微结构产生一定的变形，或残留有一定量的未反应化学试剂，键合强度也较低。换言之，目前尚没有一种键合方法不仅可以精确牢固封装塑料微流控芯片的微结构，而且不对芯片最终微结构产生物理或化学的影响。此外，在大多数上述键合方法中，材料发生的属于物理过程。例如，热键合、溶剂键合、激光或超声波焊接其键合机理均是高分子链间的互锁或扩散，粘接作用力是机械力或静电作用。少数方法接通过形成共价键实现键合。由于共价键键能远比物理键的要大的多，因此，如果能在芯片两个基板之间形成共价键合，则有望得到高键合强度。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术中塑料微流控芯片的键合方法不能既牢固封装微流控芯片，又不对塑料微流控芯片最终的微结构产生物理或化学的影响的缺陷，提供一种塑料微流控芯片的键合方法，该键合方法通过共价结合方式键合塑料微流控芯片的基板，键合强度高且微结构变形程度低。

本发明进一步要解决的技术问题在于，还提供一种塑料微流控芯片。

为达成上述目的，依据本发明，提供一种塑料微流控芯片的键合方法，用于将一侧表面带有开放式微结构的塑料芯片基板和塑料封盖基板键合在一起，形成带预定空腔结构的微流控芯片，其特征在于，将所述塑料封盖基板吸附有光敏化学组分层的表面与所述塑料芯片基板带有开放式微结构的表面贴合，置于紫外光源下辐射以完成键合。

本发明所述的塑料微流控芯片的键合方法，其中，所述键合方法还包括：

在25～100℃下加热光敏化学组分，通过热蒸发过程在所述塑料封盖基板一侧表面吸附一层光敏化学组分。

本发明所述的塑料微流控芯片的键合方法，其中，所述光敏化学组分层的厚度不超过3μm。

本发明所述的塑料微流控芯片的键合方法，其中，所述光敏化学组分包括可进行表面接枝的单体和光引发剂，所述光引发剂占所述光敏化学组分的重量比为3～8％；所述单体为甲基丙烯酸甲酯、苯乙烯、丙烯酸、甲基丙烯酸缩水甘油酯或丙烯酸丁酯，所述光引发剂为二苯甲酮及其衍生物。

本发明所述的塑料微流控芯片的键合方法，其中，还包括预清洗步骤，所述预清洗步骤用洗液除去所述塑料芯片基板和所述塑料封盖基板表面的油脂，所述洗液优选为乙醇或稀碱溶液。

本发明所述的塑料微流控芯片的键合方法，其中，所述紫外光源发射的特征波长为250～400nm，功率为100～1000W。

为达成上述目的，依据本发明，还提供一种塑料微流控芯片，由塑料芯片基板和塑料封盖基板键合而成，所述塑料芯片基板与所述塑料封盖基板键合一侧表面形成有开放式微结构，所述塑料芯片基板与所述塑料封盖基板通过上述的方法键合。

本发明所述的塑料微流控芯片，其中，所述塑料芯片基板和所述塑料封盖基板分别由聚丙基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯、聚碳酸酯、聚丙烯或聚乙烯衍生物制成。

本发明所述的塑料微流控芯片，其中，所述微结构至少包括微通道、微阀、微储液室和微进样孔，所述微通道和所述微阀的高度及宽度分别在5～500μm之间。

本发明的塑料微流控芯片的键合方法，首次提出将表面光接枝技术应用于塑料微流控芯片的键合中，由于塑料材料表面能低、憎水性强，故利用紫外光照射吸附有光敏化学组分的塑料基板，使光敏化学组分接枝于塑料基板以活化其表面，进而在塑料基板之间形成共价键连接，完成塑料微流控芯片的键合。由于是在室温下完成键合过程，对塑料微流控芯片上的微结构影响小，微结构基本无变形，既实现了塑料微流控芯片的高强度键合，又不会对塑料微流控芯片的微结构造成大的影响。

本发明的塑料微流控芯片的键合方法，在室温下通过紫外光照射光敏化学组分使塑料微流控芯片完成键合，具有简单、快速、键合强度高等特点。

本发明的塑料微流控芯片的键合方法，还利用热蒸发过程将光敏化学组分吸附到塑料微流控芯片的基板上，通过该热蒸发过程，可以控制吸附到塑料基板上的光敏化学组分的量，使光敏化学组分在塑料基板上形成不超过3μm的层，既满足了在表面光接枝键合过程中对光敏化学组分的需求，又不会因光敏化学组分量过多而对塑料微流控芯片造成污染，或堵塞塑料微流控芯片中的微通道。

本发明的塑料微流控芯片的键合方法，还包括预清洗步骤，用于清洗除去塑料基板表面的油脂等污染物，使其不会影响到后续进行的表面光接枝键合过程。

本发明的塑料微流控芯片，其塑料芯片基板与塑料封盖基板通过表面光接枝键合形成分子共价键，得到了具有预定空腔结构的微流控芯片，键合强度高，且对微结构基本无影响，可用于分析化学及健康安全领域用塑料微流控芯片。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是塑料微流控芯片的结构示意图；

图2是图1中微结构的放大示意图；

图3是表面光接枝键合方法的化学反应机理示意图；

图4表示通过热蒸发过程在塑料封盖基板表面吸附光敏化学组分；

图5表示吸附有光敏化学组分的塑料封盖基板；

图6表示塑料芯片基板和塑料封盖基板二者贴合；

图7表示采用紫外光源对待键合的塑料微流控芯片辐射；

图8表示键合后的塑料微流控芯片。

具体实施方式

图1是塑料微流控芯片的结构示意图，图2是图1中的微结构120的放大示意图。如图1中所示，塑料微流控芯片包括塑料芯片基板12和塑料封盖基板10，在塑料芯片基板12的一侧表面带有开放式的微结构120，当塑料封盖基板10与塑料芯片基板12键合之后，该开放式的微结构120即形成了被封闭的预定的空腔微结构，塑料微流控芯片的键合也告完成。

作为塑料芯片基板12和塑料封盖基板10，其构成原材料分别为热塑性塑料，例如聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚苯乙烯(PS)、聚碳酸酯(PC)、聚丙烯(PP)或聚乙烯衍生物等。

如图2所示，该情况下，此塑料微流控芯片的位于塑料芯片基板12表面的微结构120包括微通道122、微阀123、微储液室124和微进样孔125，在键合后，待分析测试的样品可通过微进样孔125加入塑料微流控芯片的密闭的空腔结构中进行分析和检测。其中，微通道122和微阀123的高度及宽度尺寸分别在5～500μm之间，例如5μm、20μm、100μm或200μm等。如同图所示，多个平行排列的微通道122的截面形状为锯齿状或梳齿状。可以理解的是，除了上述组成之外，微结构120也可以包括其它结构。

图3是是表面光接枝键合方法的化学反应机理示意图。本发明的塑料微流控芯片的键合方法，利用表面光接枝方法完成塑料微流控芯片的两个塑料基板之间的键合，即封装。

如图3所示，在塑料芯片基板12和塑料封盖基板10之间存在有用于通过表面光接枝方法完成键合的光敏化学组分。在紫外光的照射下，光敏化学组分中的引发剂诱使塑料基板失去H原子，塑料基板因此带有自由基。带有自由基的塑料基板接着与光敏化学组分中的单体相互作用，进行自由基聚合生长过程，活化塑料微流控芯片的两个塑料基板。最后，在紫外光的照射下，通过光敏化学组分在塑料芯片基板12和塑料封盖基板10之间的聚合形成超薄的连接层，将二者紧密地键合在一起，形成带有预定的封闭空腔微结构的塑料微流控芯片。

下面结合附图4～8对本发明的塑料微流控芯片的键合方法的优选实施方式进行详细的说明，以便更好地理解本发明的内容。

首先，采用合适的洗液对塑料芯片基板12和塑料封盖基板10进行清洗，以去除它们表面的油脂以及可能的其它杂质或污染物。

接着，通过热蒸发过程在塑料封盖基板10一侧表面吸附光敏化学组分。如图4所示，在保护箱20内，将盛装有光敏化学组分23的容器22置于温度调节器21上，并利用温度调节器21调节光敏化学组分23的温度，使其通过热蒸发过程吸附到置于容器22开口处的塑料封盖基板10表面。该步骤中，优选地，光敏化学组分层的厚度不超过3μm。

作为光敏化学组分，其包括可表面接枝的单体和光引发剂，光引发剂在混合物中所占重量比为3～8％。其中，可表面接枝的单体包含化学双键结构，具体可举出甲基丙烯酸甲酯(MMA)、苯乙烯(St)、丙烯酸(AA)、甲基丙烯酸缩水甘油酯(GMA)或丙烯酸丁酯(BA)等。光引发剂包括可发生光致夺氢反应的化学物质，例如二苯甲酮及其衍生物等。

为了使光敏化学组分23容易地通过热蒸发过程吸附到塑料封盖基板10的表面上，应调节温度调节器21，对容器22中的光敏化学组分23进行加热，加热温度在25～100℃之间，加热时间依不同的光敏化学组分及不同的加热温度而具体确定。应当理解，对于本领域的普通技术人员而言，加热温度因光敏化学组分中的单体不同而不同，本领域的普通技术人员可以容易地根据光敏化学组分中包含的单体的沸点等物理性质相应地决定合适的加热温度。

经过热蒸发过程后，如图5中所示，在塑料封盖基板10的一侧表面吸附有一层光敏化学组分23，该光敏化学组分层的厚度不超过3μm。该塑料封盖基板10吸附有光敏化学组分23的表面接下来用于与塑料芯片基板12的键合。表面吸附有光敏化学组分23的超薄层的塑料封盖基板10，在紫外光辐照下可以发生夺氢型表面光接枝反应，从而进行自由基聚合生长过程，最终活化塑料封盖基板10和塑料芯片基板12的表面，在它们之间形成共价键连接，完成键合过程(参见图3)。

如图6所示，将塑料芯片基板12带有微结构120(未在图6中示出标号)的表面与塑料封盖基板10吸附有光敏化学组分23的表面贴合，并通过施加于塑料芯片基板12和塑料封盖基板10的另一表面上的力F，将二者贴紧以便在接下来的步骤中进行表面光接枝键合。

如图7所示，在密闭的保护室200中进行表面光接枝键合过程。塑料封盖基板10和塑料芯片基板12紧密贴合后置于保护室200内的照射台上，并利用紫外光源25对塑料封盖基板10和塑料芯片12进行紫外光辐射，从而使位于塑料封盖基板10和塑料芯片基板12之间的光敏化学组分发生光致夺氢型表面光接枝反应，将塑料封盖基板10和塑料芯片基板12以共价键键合，密封塑料芯片基板12表面的微结构120(图7中未示出标号)形成预定的密闭空腔结构。作为紫外光源25，优选地，其发射的紫外光的特征波长为250～400nm，功率为100～1000W。若紫外光源发射的紫外光的波长过短，则会破坏塑料微流控芯片的基板；反之，若紫外光源发射的紫外光的波长过长，则有无法有效地诱发夺氢型共价接枝反应之虞。

最后，如图8所示，为通过表面光接枝法完成共价键合的塑料微流控芯片100，其塑料芯片基板12和塑料封盖基板10已键合在一起，将微结构120(图8中未示出标号)密封于二者之间，形成预定的空腔微结构。经键合后，试样可注入封闭的空腔微结构中进行分析、检测等，可用于分析化学、生物学检测及健康安全等多个领域。

实施例1

首先，通过热蒸发方法在塑料封盖基板10(聚甲基丙烯酸甲酯片材，厚度1.5mm)表面吸附上一超薄层(2μm)光敏化学组分23。其中光敏化学组分的组成为：甲基丙烯酸甲酯单体(MMA)和光引发剂二苯甲酮(BP)，光引发剂的浓度为3wt％。通过调整加热温度及加热时间对过程进行控制：加热温度恒定为60℃，加热时间为5分钟。然后，塑料芯片基板12(聚甲基丙烯酸甲酯片材，厚度1.0mm)具有微结构的表面与具超薄层光敏化学组分的封盖基板10紧密贴合。最后，如图7所示，将贴合后的待键合芯片迅速放入紫外线照射设备中辐照，待键合芯片距离紫外光源(主发射波长365nm，300W)15cm，10分钟后停止辐射并取出已键合或封装的塑料微流控芯片。

实施例2

首先，通过热蒸发方法在塑料封盖基板10(聚苯乙烯片材，厚度1.5mm)表面吸附上一超薄层(1μm)光敏化学组分23。其中光敏化学组分的组成为：苯乙烯单体(St)和光引发剂二苯甲酮(BP)，光引发剂的浓度为6wt％。通过调整加热温度及加热时间对过程进行控制：加热温度恒定为50℃，加热时间为6分钟。然后，塑料芯片基板12(聚苯乙烯片材，厚度1.5mm)具微结构的表面与具超薄层光敏化学组分的塑料封盖基板10紧密贴合。最后，如图7所示，将贴合后的待键合芯片放入紫外线照射设备中辐照，待键合芯片距离紫外光源(主发射波长365nm，300W)15cm，10分钟后停止辐射并取出已键合或封装的塑料微流控芯片。

以上所述仅为本发明的具有代表性的实施例，不以任何方式限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种塑料微流控芯片的键合方法，用于将一侧表面带有开放式微结构的塑料芯片基板和塑料封盖基板键合在一起，形成带预定空腔结构的微流控芯片，其特征在于，将所述塑料封盖基板吸附有光敏化学组分层的表面与所述塑料芯片基板带有开放式微结构的表面贴合，置于紫外光源下辐射以完成键合。

2.根据权利要求1所述的塑料微流控芯片的键合方法，其特征在于，所述键合方法还包括：

在25～100℃下加热光敏化学组分，通过热蒸发过程在所述塑料封盖基板一侧表面吸附一层光敏化学组分。

3.根据权利要求1或2所述的塑料微流控芯片的键合方法，其特征在于，所述光敏化学组分层的厚度不超过3μm。

4.根据权利要求1或2所述的塑料微流控芯片的键合方法，其特征在于，所述光敏化学组分包括可进行表面接枝的单体和光引发剂，所述光引发剂占所述光敏化学组分的重量比为3～8％；所述单体为甲基丙烯酸甲酯、苯乙烯、丙烯酸、甲基丙烯酸缩水甘油酯或丙烯酸丁酯，所述光引发剂为二苯甲酮及其衍生物。

5.根据权利要求1或2所述的塑料微流控芯片的键合方法，其特征在于，还包括预清洗步骤，所述预清洗步骤用洗液除去所述塑料芯片基板和所述塑料封盖基板表面的油脂。

6.根据权利要求5所述的塑料微流控芯片的键合方法，其特征在于，所述洗液为乙醇或稀碱溶液。

7.根据权利要求1或2所述的塑料微流控芯片的键合方法，其特征在于，所述紫外光源发射的特征波长为250～400nm，功率为100～1000W。

8.一种塑料微流控芯片，由塑料芯片基板和塑料封盖基板键合而成，所述塑料芯片基板与所述塑料封盖基板键合一侧表面形成有开放式微结构，其特征在于，所述塑料芯片基板与所述塑料封盖基板通过权利要求1～7任一项所述的方法键合。

9.根据权利要求8所述的塑料微流控芯片，其特征在于，所述塑料芯片基板和所述塑料封盖基板分别由聚丙基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯、聚碳酸酯、聚丙烯或聚乙烯衍生物制成。

10.根据权利要求8所述的塑料微流控芯片，其特征在于，所述微结构至少包括微通道、微阀、微储液室和微进样孔，所述微通道和所述微阀的高度及宽度分别在5～500μm之间。

Images