CN108031500A - 一种微流控芯片内部微流道的疏水性改性方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种新的微流控芯片内部微流道的疏水性改性方法。所述方法采用纳米镀膜技术来实现微流控芯片内部微流道的疏水改性。在进行纳米镀膜前，首先实现芯片内部微流道的表面结构活化，以增加后续纳米镀膜的镀膜牢固性。并且，本发明方法采用低温低压等离子体通过真空度反复高低切换的方式进行处理，能够解决现有化学试剂处理微流控芯片内部通道而引入的试剂污染问题，排除第三种物质对于生物领域的应用研究带来的影响；对于整个芯片内部的微流道结构处理更加充分；对环境和操作人员更加友好；并且提高制备效率，降低芯片制造成本。

Description

一种微流控芯片内部微流道的疏水性改性方法
技术领域
本发明涉及微流控芯片技术领域，具体涉及一种微流控芯片内部微流道的疏水性改性方法。
背景技术
微流控芯片技术(Microfluidics)是把生物、化学、医学等学科领域分析过程的样品制备、反应、分离、检测等基本操作单元集成到一块微米尺度的芯片上，自动完成分析全过程。由于它在生物、化学、医学等领域的巨大潜力，已经发展成为一个生物、化学、医学、流体、电子、材料、机械等学科交叉的崭新研究领域。
为了匹配适应在微流控芯片上进行分离、分析等各种操作的物质的种类，提高分析物的处理效率，扩展微流控芯片的应用范围，通常会对微流控芯片内部微流道表面进行适当的修饰及改性，以有效控制电渗流(EOF)的大小，改善微流控芯片微流道表面的疏水性能，减小目标分子在微流控芯片微流道表面的非特异性吸附，从而获得更准确的分析物处理结果。
目前的微流控芯片的疏水改性技术大多采用化学试剂的方式进行，一方面是在芯片键合前通过化学试剂处理芯片并且烘干后再进行键合，然而这种方式通常会影响后续的键合强度；另一方面是将键合完成后的芯片再通过化学试剂处理来实现，通常是将活性剂等化学试剂注入到键合后的芯片微流道内，让试剂与微流道内部表面充分接触，并可以通过加热等工艺处理一段时间后将试剂泵出，然后烘干微流道。
但是，采用化学试剂来处理芯片都会存在这样的问题，即通过化学试剂处理通常无法将整个芯片内部的微流道结构处理充分，对于芯片内部几个微米等极其微小的结构区域，由于化学试剂液体张力等原因，经常会出现处理不到的情况。并且如此操作非常繁琐，由于液体封闭在芯片内部的微流道内，所以烘干时间很长，处理效率很低且通常处理效果不佳。
而且，化学试剂本身是除芯片和处理目标以外的第三种物质，在很多生物应用领域的相容性不佳。
此外，化学试剂的使用会造成环境的污染，并且对于操作人员也存在安全隐患；化学试剂处理后的污水排放产生麻烦，且增加了整个芯片制备的成本。
发明内容
本发明采用一种新的微流控芯片内部微流道的疏水性改性方法来解决前面采用化学试剂方式遇到的问题。所述方法能够解决现有化学试剂处理微流控芯片内部通道而引入的试剂污染问题，排除第三种物质对于生物领域的应用研究带来的影响；对于整个芯片内部的微流道结构处理更加充分；对环境和操作人员更加友好；并且提高制备效率，降低芯片制造成本。
为实现上述目的，本发明的技术方案为一种微流控芯片内部微流道的疏水性改性方法，所述方法包括，对热键合完成的微流控芯片通过低温低压等离子体处理来对内部微流道表面施加疏水性纳米镀膜，其中所述低温低压等离子体处理采用真空度反复高低切换的方式进行。
进一步的，所述真空度反复高低切换在20-60mTorr之间进行。
进一步的，所述疏水性纳米镀膜通过含氟单体的等离子体处理获得。所述含氟单体包括但不限于1,1,1,2,2,3,3,4,4,5,5,6,6-十三氟-8-碘辛烷(C8H4F13I)。
进一步的，所述疏水性纳米镀膜的厚度为50-120nm，优选70-100nm，更优选80-90nm。
进一步的，在施加疏水性纳米镀膜之前，对芯片内部微流道的表面结构进行活化处理，所述活化处理通过使用O2的低温低压等离子体处理来进行，且所述低温低压等离子体处理采用真空度反复高低切换的方式进行。
进一步的，所述使用O2的低温低压等离子体处理的真空度反复高低切换在60-150mTorr之间进行。
进一步的，所述微流控芯片内部微流道的疏水性改性方法包括以下工艺步骤：
(1)将热键合完成的微流控芯片放入等离子舱室中，关闭舱门，将舱室内的真空度抽到14-16mTorr；
(2)采用O2作为工艺气体，O2流量为90-110sccm，CH4流量为6-8sccm；设置等离子功率为100W；并将O2的气体出口压力控制在0.8-1.1Bar；
(3)使O2气体进入等离子舱室中，将舱室内的真空度稳定在85-95mTorr，持续50-65s；
(4)进行放电产生等离子体；
(5)产生等离子体后，例如通过真空阀控制，使舱室内的真空度经过约6s匀速下降至60mTorr并稳定2s，然后将真空度经过约7s匀速上升至150mTorr并稳定2s，接着将真空度经过约7s匀速下降至60mTorr并稳定2s，此后在150mTorr和60mTorr之间以上述真空度升降速度和稳定时间反复进行舱室内的真空度高低切换循环，处理12-18min，共进行40-60个循环(所述循环是指真空度从60mTorr上升至150mTorr后再回到60mTorr，即真空度值在上述范围内完成一个循环回到原值)；
(6)处理结束后关闭电源和阀门，待舱室真空度达到10mTorr时，通入含氟单体，流量设置为7-10sccm；
(7)将舱室内的真空度稳定在35-45mTorr，持续50-65s；
(8)设置等离子功率为35mW，进行放电产生等离子；
(9)产生等离子体后，例如通过真空阀控制，使舱室内的真空度经过约4s匀速下降至20mTorr并稳定3s，然后将真空度经过约15s匀速上升至60mTorr并稳定3s，接着将真空度经过约9s匀速下降至20mTorr并稳定3s，此后在60mTorr和20mTorr之间以上述真空度升降速度和稳定时间反复进行舱室内的真空度高低切换循环，处理15-25min，共进行30-50个循环(所述循环是指真空度从20mTorr上升至60mTorr后再回到20mTorr，即真空度值在上述范围内完成一个循环回到原值)；
(10)处理结束后关闭电源和阀门，将压缩空气通入等离子舱室，打开舱门取出芯片。
进一步的，步骤(1)中优选将舱室内的真空度抽到15mTorr。
进一步的，步骤(2)中优选O2流量为100sccm，纯度在99.95％以上。
进一步的，步骤(2)中将O2的气体出口压力控制在0.9-1.0Bar；。
进一步的，步骤(3)中将舱室内的真空度优选稳定在90mTorr，持续60s。
进一步的，步骤(5)中进行舱室内的真空度高低切换优选处理15min。
进一步的，步骤(6)中含氟单体流量设置为8sccm。
进一步的，步骤(6)中通入含氟单体之前使含氟单体罐体温度稳定在160℃。
进一步的，步骤(7)中真空度优选稳定在40mTorr，持续60s。
进一步的，步骤(8)中进行舱室内的真空度高低切换优选处理15min。
进一步的，本发明的等离子体处理过程中温度稳定在40±1℃。可以通过等离子体设备带有的水冷系统以及加热系统来确保等离子舱室内的温度稳定在40℃左右。
本发明的等离子体是在相对真空低压环境下产生的，且处理温度维持在40℃左右。等离子体在处理过程中由于在低温下进行真空度高低反复切换，通过这种方式可以有效地实现芯片微流道内部压强的高低同步切换，这样就实现了微流道内部等离子填充和等离子抽空的切换，进而实现微流道内部表面的充分处理，更好地实现了疏水性改性。
综上，针对现有化学改性技术的工艺复杂性及其产生的问题，本发明采用了上述疏水改性方式来解决，即本发明采用纳米镀膜技术来实现微流控芯片内部微流道的疏水改性。在进行纳米镀膜前，首先实现芯片内部微流道的表面结构活化，表面结构活化的目的是增加后续纳米镀膜的镀膜牢固性。芯片内部微流道表面结构活化后，紧接着利用含氟类单体通过加热使其挥发成气体状态，然后通过例如MFC来精确控制该蒸汽进入等离子舱室中的流量。等离子舱室真空度是通过例如节流阀控制的。当压力稳定后，产生等离子放电来实现芯片内部微通道的纳米镀膜，从而实现疏水改性。芯片内部表面结构活化以及后续纳米镀膜过程中的真空度都是反复高低切换的，从而确保芯片内部微流道均能充分处理。
除上述提到的特点外，本发明方法还具有如下优点：
1、所述疏水改性方法不引入液体化学试剂，整个过程属于干式处理，不需要后续的烘干工艺。没有后续的水污染处理问题，对环境和操作人员更加友好。
2、由于排除了化学试剂残留的影响，对于微流控芯片在生物领域的应用更加广泛稳定。
3、所述疏水改性方法由于采用气体等离子在真空条件下进行，不引入液体等，不需要烘干等繁杂的处理过程，相比现有的化学处理方式而言效率更高，可以在芯片键合完成后进行内部微流道的疏水改性，实现微流控芯片内部微结构的充分处理。
4、所述疏水改性方法由于首先将芯片内部微结构活化，然后通过纳米镀膜的方式在微流控芯片内部的微流道内镀上一层纳米膜，该膜的纳米结构具有良好的疏水性且在微流道内壁上的牢固性相比传统的化学处理方式要高。
5、该镀层满足相应的生物相容性指标要求，对生物微流控实验比如细胞培养实验等没有影响。
附图说明
图1至图9分别为经本发明疏水性改性方法处理后获得的9片相同的微流控芯片，每隔3个月进行疏水性效果测量时获得的照片。其中分别利用去离子水接测量触角。
具体实施方式
以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
实施例
本实施例中微流控芯片内部微流道的疏水性改性方法包括以下步骤：
1、将热键合完成的芯片放在等离子舱室中，关闭舱门。
2，在舱室温度稳定在40℃，加热含氟单体C8H4F13I罐体温度稳定在160℃后进行等离子处理，具体工艺参数如下：
(1)工艺气体采用O2，O2流量100sccm，O2的纯度在99.95％以上；
(2)设置等离子功率100W；
(3)将气体流量控制器MFC1接O2，将气瓶气体出口压力调制在1.0Bar；
(4)打开等离子设备的真空泵，通过软件操作打开真空阀门，将舱室内的真空度抽到15mTorr；
(5)打开MFC1让气体进入真空舱室，控制节流阀将舱室内的真空度稳定在90mTorr，让舱室压力稳定60s；
(6)打开等离子电源进行放电产生等离子；
(7)产生等离子体后，通过真空阀控制，使舱室内的真空度经过6s匀速下降至60mTorr并稳定2s，然后将真空度经过7s匀速上升至150mTorr并稳定2s，接着将真空度经过7s匀速下降至60mTorr并稳定2s，此后在150mTorr和60mTorr之间以上述真空度升降速度和稳定时间反复进行舱室内的真空度高低切换循环，处理15min，共进行50个循环；
(8)处理结束后关闭等离子电源，关闭MFC1，待舱室真空度达到10mTorr时，将C8H4F13I单体流量设置为8sccm后打开单体控制阀门以及单体MFC；
(9)控制节流阀将舱室内的真空度稳定在40mTorr，让舱室压力稳定60s；
(10)将等离子电源输出功率设置为35mW，打开等离子电源进行放电产生等离子；
(11)产生等离子体后，通过真空阀控制，使舱室内的真空度经过4s匀速下降至20mTorr并稳定3s，然后将真空度经过15s匀速上升至60mTorr并稳定3s，接着将真空度经过9s匀速下降至20mTorr并稳定3s，此后在60mTorr和20mTorr之间以上述真空度升降速度和稳定时间反复进行舱室内的真空度高低切换循环，处理20min，共进行40个循环；
(12)处理结束后关闭等离子电源，关闭单体MFC，关闭真空阀门以及节流阀门，将压缩空气通入真空舱室，打开舱门取出芯片即可。
3、关闭真空泵以及等离子设备。
这种单体经过等离子处理会发生薄膜沉积。获得的芯片样品经实验测量，在微流体通道内部形成一层厚度在80-90nm左右的疏水层。
试验例：疏水性试验
通过上述实施例进行疏水性改性处理获得9片相同的微流控芯片，进行疏水性测试。试验开始时剥开其中一片测量内部结构面的疏水性效果，然后每隔三个月时间依次剥开跟踪两年测量内部结构面的疏水性效果，利用去离子水接触角测量结论如下：
时间 初始 第3月 第6月 第9月 第12月 第15月 第18月 第21月 第24月
接触角 121° 117° 120° 122° 118° 133° 135° 131° 139°
由上表并结合图1-9可以看出，微流控生物芯片其内部通道经过本发明疏水性改性方法处理后，疏水时效性保持两年的时间没有明显变化，也没有下降趋势，因此认为微流控生物芯片内部通道经过本发明疏水性方法处理后，疏水时效性理论上可以保持永久。
本发明利用低温低压等离子表面改性处理设备匹配一定流量的工艺气体O2和含氟单体，在一定的真空度以及功率下实现封装后的微流控芯片内部微结构的疏水改性，该处理之所以能处理到芯片内部的微小结构是因为处理过程中采用了真空度反复高低切换变化的方式，该方式处理效率高且无污染，应用在微流控芯片内部微流道的疏水处理上能够获得理想的处理效果。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (10)

1.一种微流控芯片内部微流道的疏水性改性方法，其特征在于，所述方法包括，对热键合完成的微流控芯片通过低温低压等离子体处理来对内部微流道表面施加疏水性纳米镀膜，其中所述低温低压等离子体处理采用真空度反复高低切换的方式进行。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述真空度反复高低切换在20-60mTorr之间进行。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述疏水性纳米镀膜通过含氟单体的等离子体处理获得，所述含氟单体包括1,1,1,2,2,3,3,4,4,5,5,6,6-十三氟-8-碘辛烷。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其特征在于，在施加疏水性纳米镀膜之前，对芯片内部微流道的表面结构进行活化处理，所述活化处理通过使用O2的低温低压等离子体处理来进行，且所述低温低压等离子体处理采用真空度反复高低切换的方式进行。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述使用O2的低温低压等离子体处理的真空度反复高低切换在60-150mTorr之间进行。
6.一种微流控芯片内部微流道的疏水性改性方法，其特征在于，所述方法包括以下工艺步骤：
(1)将热键合完成的微流控芯片放入等离子舱室中，关闭舱门，将舱室内的真空度抽到14-16mTorr；
(2)采用O2作为工艺气体，O2流量为90-110sccm，CH4流量为6-8sccm；设置等离子功率为100W；并将O2的气体出口压力控制在0.8-1.1Bar；
(3)使O2气体进入等离子舱室中，将舱室内的真空度稳定在85-95mTorr，持续50-65s；
(4)进行放电产生等离子体；
(5)产生等离子体后，使舱室内的真空度经过6s匀速下降至60mTorr并稳定2s，然后将真空度经过7s匀速上升至150mTorr并稳定2s，接着将真空度经过7s匀速下降至60mTorr并稳定2s，此后在150mTorr和60mTorr之间以上述真空度升降速度和稳定时间反复进行舱室内的真空度高低切换循环，处理12-18min，共进行40-60个循环；
(6)处理结束后关闭电源和阀门，待舱室真空度达到10mTorr时，通入含氟单体，流量设置为7-10sccm；
(7)将舱室内的真空度稳定在35-45mTorr，持续50-65s；
(8)设置等离子功率为35mW，进行放电产生等离子；
(9)产生等离子体后，使舱室内的真空度经过4s匀速下降至20mTorr并稳定3s，然后将真空度经过15s匀速上升至60mTorr并稳定3s，接着将真空度经过9s匀速下降至20mTorr并稳定3s，此后在60mTorr和20mTorr之间以上述真空度升降速度和稳定时间反复进行舱室内的真空度高低切换循环，处理15-25min，共进行30-50个循环；
(10)处理结束后关闭电源和阀门，将压缩空气通入等离子舱室，打开舱门取出芯片。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤(2)中O2流量为100sccm，纯度在99.95％以上；且O2的气体出口压力控制在0.9-1.0Bar。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤(3)中将舱室内的真空度稳定在90mTorr，持续60s。
9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤(6)中含氟单体流量设置为8sccm，且在通入含氟单体之前使含氟单体罐体温度稳定在160℃。
10.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤(7)中将舱室内的真空度稳定在40mTorr，持续60s。
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