CN107876112A - 一种玻璃直接键合工艺玻璃基微流控通道封接的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种玻璃直接键合工艺封接玻璃微流控通道的方法，该封接方法包括如下步骤：1)将抛光清洗的玻璃先在H2SO4：H2O2混合液中表面激活，然后置入NH4OH:H2O2:H2O混合液中清洗。2）快速对齐并指压数分钟，3）样品入炉，加18‑28千帕压力块，升温至玻璃软化点附件保持1‑2小时后缓慢降至室温完成封接。良好抛光减小玻璃间隙宽度，表面激活使玻璃表面产生亲水性质，对齐方式增大接触表面，有利于排出气泡，增大静电场和范德华力。热处理使玻璃处于粘弹状态，既增大玻璃表面键能，同时微通道结构稳定。缓冷降温降低玻璃键合热应力。本发明键合力大，芯片寿命长，微通道保持完好，无变形，无堵塞塌陷。

Description

一种玻璃直接键合工艺玻璃基微流控通道封接的方法
技术领域
本发明涉及微流控生物芯片键合技术领域，尤其是涉及玻璃基微通道的封接键合方法。
背景技术
微流控芯片具有样品用量少、体积小、分析速度快的特点，可实现高度自动化和集成化，是当前分析化学领域发展的前沿，成为从基础生物技术到生物医学诊断等各个领域的富有活力的工具性方法平台。主要应用集中在大规模、高通量、低消耗的生命科学和分析化学实验中，包括单细胞培养与分析、干细胞操控与培养、单分子生物物理学、高通量的细胞与分子生物学筛选实验、药物发现、高通量合成生物学、高通量测序技术、单细胞基因组学等。
目前制作芯片的材料是玻璃和高分子。高分子聚合物包括PDMS、PMMA、聚碳酸酯等作为微流控芯片材料的最大缺点是耐温性差，使用寿命短，因此不适于大规模的批量生产，而且环氧基SU-8负光胶和PDMS模板上的图形易于剥落。尤其是高分子材料的表面改性困难，必须经过PEI 或者 APTES 以及CNT 功能化处理。这些高分子材料比如PDMS，COC等，虽然可塑性和价格方面占优势，但是超强的憎水性质要求内壁有涂层处理才能得到改善。为了获得较好的效果，需要高分子微管道表面进行繁琐、复杂的修饰，比如进行磷脂双分子层涂层、连续多重离子聚合物涂层处理等，涉及多个清洗和涂覆步骤以及高温处理过程，耗时长且需要繁琐操作，而且涂层效果不稳定。热压法和模塑法虽然能够用制备微流控高聚物芯片，但模板易坏寿命短的缺点只能满足实验室基础研究的需要而不适于商业上的批量生产。
玻璃良好的光学和电绝缘性能，通常可以通过光刻和酸蚀工艺制备微流体通道。而且玻璃和生物样品有良好的兼容，天然的表面亲水性，表面电荷稳定性以及良好的化学稳定性。玻璃的透氧气率和非特殊性吸附较低这一特点有利于细胞的长期培养。此外，由于其表面的高导热性和稳定的电渗移动性，由玻璃制成的微通道比其他材料具有更好的性能。比如很多微流体应用在化学合成，精确制作通道，电极甚至与电子电路集成等方面都需要高温处理，玻璃能展现出良好的耐高温性能。但是玻璃基微通道的封接比较困难。
玻璃微流控芯片的键合方式有高温键合、阳极键合，常温键合和粘合剂辅助。高温键合不能用于含温度敏感试剂和波导管芯片的封接，操作耗时，极易造成高温下微通道的变形，黏连甚至塌陷，因而成品率极低成为微流控分析技术普及的主要障碍之一。常温键合克服了这些缺点，然而该方法键合操作条件苛刻，且芯片容易泄露，尤其严重影响电泳实验。原因是由于在每次电泳中间需要用1M 氢氧化钠冲洗通道以去除蛋白质吸附残留, 而氢氧化钠冲洗会腐蚀常温键合物理结合部位，使芯片寿命大大缩短。
粘合剂键合芯片容易发生泄漏而使芯片寿命缩短。因为微通道仅数十微米深，很少量的粘合剂进入通道就能引起堵塞，且样品不能做热处理培养。
阳极键合是在玻璃表面沉积上一层薄膜材料如多晶硅、氮化硅等作为中间层，在约700伏的电场下，升温到400℃时，玻璃中的导电离子如Na+,在外加电场作用下漂移至负电极的玻璃表面，利用多晶硅和玻璃之间的静电吸引力，使两者紧密接触，通过形成Si-O共价键从而达到键合。该工艺对键合温度、电压、压力、键合片表面质量等要求苛刻，键合区域容易出现气泡并影响键合质量，而且键合速度慢，键合面不均匀。
近年来出现一些缓冲的键合方式，比如在两层键合片之间增加第三层网格，以降低高温键合对通道造成的塌陷和堵塞，或者用高分子溶剂浇筑法键合等，这些方法对通道的塌陷和堵塞有所改善，但同时存在制备工艺复杂，增加成本，而且不利于微流体操作等缺点。因此，急需发展一种制备微流控通道的工艺，能够提高效率，减少环境污染并降低微流控芯片的加工成本。
目前，微流控芯片研究正在向广泛的应用领域及深度产业化转型。玻璃越来越多地被用于微流控应用，玻璃基微流控通道的封接技术是一个亟待解决的课题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种设备简单应用广泛的玻璃直接键合微流控通道，同时本发明还提供了一种成本低操作更简便的玻璃基微流控通道的封接方法。
为实现上述目的，本发明可采取下述技术方案：
本发明所述的玻璃基微流控通道的封接方法为:
抛光：使用光学抛光仪器对玻璃样品进行抛光，其表面粗糙度Ra不大于50纳米 (500Ӑ), 并用丙酮和去离子水对样品进行清洁处理。
表面激活：在抽风柜中把样品置入(3:1 体积比)的H2SO4 (96%):H2O2 (30%)混合液中75摄氏度保持30分钟,然后清洗样品并置入(0.5:1:5 体积比)NH4OH(70%): H2O2(30%):H2O混合液中在75摄氏度保持10分钟。最后去离子水清洗样品并吹干。
对齐：快速将上诉待封接样品在显微镜下对齐，慢慢推进直至全面接触并指压1分钟。
放样品进入马弗炉，样品上面放置压力为18千帕的刚玉压块（根据压块重量/样品面积计算），以每分钟15摄氏度升温至560度保持2小时，并以每分钟5摄氏度降至室温。去掉压块，样品完成封接。
所述玻璃成分为盖玻片sodalime 玻璃。
本发明的优点在于设备简单、成本低廉，耗时少，易于推广使用。良好的表面质量减小玻璃之间间隙宽度，表面亲水性质有利于接触面产生并较长时间保持范德华力。独特的样品对齐方式有利于排除出气泡，增大范德华力。退火点温度附近保温既加速两表面Si-OH 键合的形成，又使微通道结构稳定。最后缓冷降温使微通道回复原始状态。所得产品交界面键合力用剪切强度试验得以检测，键合力达到32兆帕。交界面键合质量通过SEM 观察到无气泡空隙，键合均匀。微流控通道通过SEM扫描发现封接之后保持无变形，无堵塞塌陷。制备方法简单易行且无毒污染，反应条件温和，能耗最低，环境友好，整个制备流程操作简单，技术较易掌握，可投入批量生产。
附图说明
图1 为本发明对微流控通道的封接流程图；
图2本发明实施例1玻璃表面亲水性质水接触角照片；
图3 为本发明实施例1封接的玻璃基微流控通道的SEM照片；
图4 为本发明实施例1封接的玻璃基微流控通道交界面剪切强度 ；
图5 为本发明实施例2封接的玻璃基微流控通道交界面维氏硬度。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明做进一步说明。
实施例1
1)抛光：用光学抛光仪对玻璃样品进行抛光，按照先粗后细的原则，使其表面粗糙度Ra不超过50纳米，平整度好，并用丙酮和去离子水对样品进行清洗。2）表面激活：在抽风柜中把样品置入的H2SO4 (96%):H2O2 (30%) 混合液中在75摄氏度保持30分钟，然后清洗样品并移入NH4OH(70%): H2O2(30%):H2O 混合液中75摄氏度浸泡10分钟。最后用去离子水清洗样品并吹干。3）对齐：快速将待封接样品在显微镜下对齐，慢慢推进直至全面接触并指压1分钟，4）放样品进入马弗炉，样品上面放置压力为18千帕的刚玉压块 （根据压块重量/样品面积计算），以每分钟15摄氏度速率升温至560°保持2小时，最后以每分钟5摄氏度速率降至室温。去掉压块，样品完成封接。
本发明实施例1封接玻璃微通道的流程如图1所示。
本发明实施例1玻璃表面亲水性质水接触角照片如图2所示。可以看到水接触角度明显小于20度，为亲水性质。
本发明实施例1封接的玻璃基微流控通道的SEM照片如图3所示，所封接的微流控通道尺寸(25-50)微米×(100-150)微米,无破损堵塞，无塌陷。
本发明实施例1封接的玻璃基微流控通道交界面剪切强度照片如图4所示，所封接芯片的交界面承受剪切强度32兆帕,而且断裂面不是沿着交界面断裂，证明键合力强度很大。
实施例2
1)抛光：用光学抛光仪对玻璃样品进行抛光，按照先粗后细的原则，使其表面粗糙度Ra不超过50纳米，平整度好，并用丙酮和去离子水对样品进行清洗。2）表面激活：在抽风柜中把样品置入的H2SO4 (96%):H2O2 (30%) 混合液中在75摄氏度保持30分钟，然后清洗样品并移入NH4OH(70%): H2O2(30%):H2O 混合液中75摄氏度浸泡10分钟。最后用去离子水清洗样品并吹干。3）对齐：快速将上诉待封接样品对齐，慢慢推进直至全面接触并指压1分钟，4）放样品进入马弗炉，样品上面放置压力为28千帕的刚玉压块 （根据压块重量/样品面积计算），以每分钟15摄氏度速率升温至560°保持1小时，最后以每分钟5摄氏度速率降至室温。去掉压块，样品完成封接。
本发明实施例2封接的玻璃基微流控通道交界面维氏硬度如图5所示，所封接的微流控通道交界面维氏硬度为759HV，且承受压力之后界面无开裂，微通道无开裂，无塌陷。

Claims (2)

1.一种利用玻璃直接键合工艺封接玻璃基微流控通道的方法，其特征在于：
1) 抛光：使用光学抛光仪器对玻璃样品进行抛光，使其表面粗糙度Ra达到50纳米，并用去离子水对样品进行清洗；
2）表面激活：在抽风柜中把样品置入的H2SO4 (96%):H2O2 (30%) 混合液中在一定温度下保持若干时间，然后清洗样品并置入NH4OH(70%): H2O2(30%):H2O 混合液中保温数分钟；最后用去离子水清洗样品并吹干；
3）对齐：快速将待封接样品随着接触点慢慢推进对齐并指压数分钟；
4）放样品进马弗炉，并加置压力为18-28千帕的刚玉压块 （根据压块重量/样品面积计算），中速升温至玻璃软化点附件温度保持1-2小时，最后缓慢降至室温；去掉压块，样品完成封接。
2.根据权利要求1 所述的玻璃基微流控通道封接方法，所述玻璃样品为普通盖玻片sodalime玻璃。
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