CN108080045A - 一种微流控芯片内部微流道的亲水性改性方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种新的微流控芯片内部微流道的亲水性改性方法。所述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亲水性改性方法
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亲水性改性方法。
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亲水性能，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亲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。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。
此外，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。
通过化学试剂来处理生物微流控芯片还存在下列问题：化学试剂对于微流道的亲水改性在处理完成后需要进行烘干处理，由于液体封闭在芯片内部的微流道内，所以烘干时间很长，整个芯片制备效率降低。
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亲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亲水性改性方法，所述方法包括，对热键合完成的微流控芯片进行低温低压等离子体处理，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40-100mTorr之间进行。
进一步的，所述低温低压等离子体处理包括以下工艺步骤：
(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N2O和CH4作为工艺气体，N2O流量为26-30sccm，CH4流量为6-8sccm；设置等离子功率为80W；并将N2O和CH4的气体出口压力均控制在0.8-1.1Bar；
(3)使N2O和CH4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8s匀速下降至40mTorr并稳定2s，然后将真空度经过约10s匀速上升至100mTorr并稳定2s，接着将真空度经过约10s匀速下降至40mTorr并稳定2s，此后在100mTorr和40mTorr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32-45个循环(所述循环是指真空度从40mTorr上升至100mTorr后再回到40mTorr，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，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N2O流量为28sccm，CH4流量为7ccm。
进一步的，步骤(2)中N2O和CH4的纯度均在99.95％以上。
进一步的，步骤(2)中将N2O和CH4的气体出口压力优选均控制在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，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，更好地实现了亲水性改性。
本发明中所使用的工艺气体N2O和CH4在大致4:1的体积流量比条件下通入等离子舱室内进行反应，等离子反应会在芯片产品内微流道表面形成极性官能团，如氨基、羧基、羟基等基团，从而实现亲水效果。
本发明方法具有如下优点：
1，该亲水处理方式不引入化学试剂，整个过程环保无污染且对操作人员更加友好。
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、该亲水处理方式相比现有的化学处理方式而言效率更高，可以实现微流控芯片内部微结构的充分处理。
4、该亲水处理工艺由于采用气体等离子的方式进行不引入液体等，不需要烘干等繁杂的处理过程，整个芯片制备效率得到大大提升且降低了芯片制备成本。
附图说明
图1至图7分别为经本发明亲水性改性方法处理后获得的7片相同的微流控芯片，每隔2个月进行亲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亲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℃后进行等离子处理，具体工艺参数如下：
1)工艺气体采用N2O和CH4，N2O流量28sccm，CH4流量7sccm；N2O和CH4的纯度均在99.95％以上；
2)设置等离子功率为80W；
3)将气体流量控制器MFC1接N2O，MFC2接CH4，将两气瓶气体出口压力均调制在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和MFC2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，使舱室内的真空度从90mTorr经过8s匀速下降至40mTorr并稳定2s，然后将真空度经过10s匀速上升至100mTorr并稳定2s，接着将真空度经过10s匀速下降至40mTorr并稳定2s，此后在100mTorr和40mTorr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，共进行了37个完整循环；
8)处理结束后关闭等离子电源，关闭MFC1和MFC2，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。
试验例：亲水性试验
通过上述实施例进行亲水性改性处理获得7片相同的微流控芯片，进行亲水性测试。试验开始时剥开其中一片测量内部结构面的亲水性效果，然后每隔二个月时间依次剥开跟踪测量内部结构面的亲水性效果，利用去离子水接触角测量结论如下：
时间 初始 第2月 第4月 第6月 第8月 第10月 第12月
接触角 21° 25° 27° 33° 39° 41° 49°
由上表并结合图1-7可以看出，微流控生物芯片其内部通道经过本发明亲水性改性方法处理后，亲水时效性可以保持至少一年的时间。
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混合工艺气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亲水改性，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亲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亲水性改性方法，其特征在于，所述方法包括对热键合完成的微流控芯片进行低温低压等离子体处理，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所述的亲水性改性方法，其特征在于，所述真空度反复高低切换在40-100mTorr之间进行。
3.根据权利要求1所述的亲水性改性方法，其特征在于，所述低温低压等离子体处理包括以下工艺步骤：
(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N2O和CH4作为工艺气体，N2O流量为26-30sccm，CH4流量为6-8sccm；设置等离子功率为80W；并将N2O和CH4的气体出口压力均控制在0.8-1.1Bar；
(3)使N2O和CH4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8s匀速下降至40mTorr并稳定2s，然后将真空度经过10s匀速上升至100mTorr并稳定2s，接着将真空度经过10s匀速下降至40mTorr并稳定2s，此后在100mTorr和40mTorr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32-45个循环；
(6)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。
4.根据权利要求3所述的亲水性改性方法，其特征在于，步骤(1)中将舱室内的真空度抽到15mTorr。
5.根据权利要求3所述的亲水性改性方法，其特征在于，步骤(2)中N2O和CH4在4:1的体积流量比条件下通入等离子舱室内进行反应。
6.根据权利要求5所述的亲水性改性方法，其特征在于，步骤(2)中N2O流量为28sccm，CH4流量为7ccm。
7.根据权利要求3所述的亲水性改性方法，其特征在于，步骤(2)中将N2O和CH4的气体出口压力均控制在0.9-1.0Bar。
8.根据权利要求3所述的亲水性改性方法，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3所述的亲水性改性方法，其特征在于，步骤(5)中进行舱室内的真空度高低切换处理15min。
10.根据权利要求3-9中任一项所述的亲水性改性方法，其特征在于，等离子体处理过程中温度稳定在40±1℃。
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