一種聚合物微控晶片及其溶劑輔助熱鍵合方法與流程

2023-05-20 14:25:36

本發明涉及一種微控晶片技術領域，尤其涉及一種聚合物微控晶片及其溶劑輔助熱鍵合方法。

背景技術：

微流控晶片是把化學和生物等領域中所涉及的樣品製備、反應、分離、檢測及細胞培養分選和裂解等基本操作單元集成或基本集成到一塊幾平方釐米的晶片上，由微通道形成網絡，以可控流體貫穿整個系統，用以取代常規化學或生物實驗室的各種功能的一種技術平臺。

通過熱壓或注射成型方法製作出的微流控晶片基片的微通道是不封閉的，需要在具有微通道的基片表面上覆蓋微流控晶片蓋片以形成封閉的微通道才能進行各種分析檢測操作，這個形成封閉微通道的過程稱為鍵合。鍵合是微流控晶片製作過程中一個關鍵的工藝環節，其加工質量與晶片的使用性能緊密相關。按照鍵合原理可將當前的鍵合工藝方法分為物理鍵合和化學鍵合。物理鍵合是通過加熱材料的接觸表面，使其發生一定程度的熔融,將兩種材料粘結起來。化學鍵合則是在接觸表面間形成共價鍵，通過此類化學鍵將基片和蓋片粘接在一起。實際鍵合過程中這兩種作用往往同時發生，很難嚴格的區分開來。

聚合物晶片的鍵合方法主要有熱鍵合、溶劑鍵合和超聲鍵合等方法。目前，聚碳酸酯、聚苯乙烯等傳統聚合物材料雖然製備、鍵合工藝成熟，但是光學透過性較差，不適宜製作用於光學檢測特別是生物螢光檢測的微流控晶片製作，聚甲基丙烯酸甲酯雖然在可見光區透光性較好，但是在深紫外光區有較大吸收值，而聚甲基丙烯酸甲酯的極性側甲基引起的材料的吸溼性(吸水率達 0.3％-0.4％)導致片基的形貌彎曲和密閉腔體中生物試劑的受潮變質，限制了聚甲基丙烯酸甲酯基材晶片的應用；超聲鍵合對設備條件要求較高，並且需要一定的鍵合餘量，不適合低高度微通道的封接；溶劑鍵合可在低溫下進行，但塗抹法會導致殘餘溶劑難以從晶片中排出，產生氣泡，燻蒸法條件難以精確控制，要求操作人員在高濃度有機溶劑蒸汽中進行快速而準確的操作，易對操作人員生體健康產生危害。

技術實現要素：

針對現有技術的不足，本發明一方面提供一種聚合物微控晶片的溶劑輔助熱鍵合方法，該溶劑輔助熱鍵合方法採用特定的混合溶劑侵泡溶脹環烯烴共聚物蓋片或基片，達到部分溶脹以降低玻璃轉化點又不產生溶劑殘留，製得的聚合物微控晶片微通道結構完整，且鍵合強度高，保障了人體健康。

本發明採用以下技術方案。

一種聚合物微控晶片的溶劑輔助熱鍵合方法，包括以下步驟：

(1)將環烯烴共聚物蓋片和/或帶有微通道結構的基片置於混合溶劑中浸泡10～40min，取出，使用氮氣吹乾表面；

所述混合溶劑由環烯烴共聚物的良溶劑和不良溶劑組成，其中，所述良溶劑為所述混合溶劑體積分數的5～40％；

(2)將所述環烯烴共聚物蓋片與所述基片對準貼合，放入壓印機中進行熱鍵合，製得聚合物微控晶片。

優選地，所述良溶劑選自氯仿、環己烷或正十六烷中的一種或至少兩種的混合物。

優選地，所述不良溶劑選自丙酮、甲醇或二甲基亞碸中的一種或至少兩種的混合物。

環烯烴共聚物(Cyclic Olefin Copolymer，COC)具有優良的機械性、較好的耐熱性、極低的水分吸收率、對一般生化試劑的高度的穩定性、優異的光學透過性特別是高紫外光透過率，與聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)，聚碳酸酯(PC)聚苯乙烯(PS)相比，更加適宜製作微流控晶片，尤其適合紫外、近紫外下的螢光檢測晶片。採用環烯烴共聚物蓋片，改善光線的吸收、透過性能，特別是材料對紫外光區的吸收問題，同時解決了材料自身的吸水性。

環烯烴共聚物熱鍵合是將帶有微通道的基片和蓋片對齊，放到工作檯上，基板溫度升至設定值，施加一定壓力並保持一段時間，而後卸載，即可完成晶片熱鍵合過程。然而環烯烴共聚物玻璃轉化溫度(Tg)在100～120℃附近，單純熱鍵合很難控制精確的升溫速率，加之聚合物導熱性較差，加熱面很容易過熱軟化，導致微通道被封閉從而鍵合失敗，無法鍵合精細的結構。

良溶劑優選氯仿，可溶脹環烯烴共聚物達到降低其玻璃轉換點的目的；不良溶劑，優選丙酮，可對上述良溶劑進行稀釋，用以控制環烯烴共聚物蓋片被溶脹的程度。良溶劑濃度越大，基片溶脹厚度越深，鍵合強度越強，微通道的形變量也隨之增大，即良溶劑濃度過高，微通道被完全封閉，良溶劑濃度過低，基片鍵合強度低，達不到設計要求。在體積分數為5％～40％氯仿的丙酮中，微通道結構完整，且鍵合強度高。

優選地，步驟(2)具體過程為：將所述環烯烴共聚物蓋片與所述基片對準貼合，以單拋矽片的光滑面為襯底，放入壓印機中調節壓強至0.05～0.5MPa和升溫至50～130℃，保持時間和壓力1～20min，以0.5～10℃/min速率降溫至18～22℃，製得聚合物微控晶片。

熱鍵合過程中，壓力和溫度是最重要的參數之一，壓力、溫度越高，基片形變越大，微通道也隨之形變甚至完全封閉，而二者越小，鍵合程度也相應減弱， 甚至無法鍵合。本發明對熱鍵合的壓力和溫度進行優化處理，使得微通道變形小，且鍵合強度高；確定了合理降溫速率，避免了應力效應的同時也節省了時間。

本發明另一方面提供一種採用上述溶劑輔助熱鍵合方法製備的聚合物微控晶片，該聚合物微控晶片微通道結構完整，且鍵合強度高，保障了人體健康。

與現有技術相比，本發明具有如下有益效果：本發明聚合物微控晶片的溶劑輔助熱鍵合方法，包括以下步驟：將環烯烴共聚物蓋片和/或帶有微通道結構的基片置於混合溶劑中浸泡10～40min，取出，使用氮氣吹乾表面；其中，所述混合溶劑由環烯烴共聚物的良溶劑和不良溶劑組成，所述良溶劑為所述混合溶劑體積分數的5～40％；將浸泡吹乾後的環烯烴共聚物蓋片與帶有微通道結構的基片對準貼合，放入壓印機中進行熱鍵合，製得聚合物微控晶片。該本發明採用特定的混合溶劑侵泡溶脹環烯烴共聚物蓋片和/或基片，達到部分溶脹以降低玻璃轉化點又不產生溶劑殘留，製得的聚合物微控晶片微通道結構完整，且鍵合強度高，保障了人體健康。

附圖說明

圖1為本發明熱鍵合工藝示意圖。

具體實施方式

以下結合附圖對本發明進行詳細的描述。

實施例1：本實施例聚合物微控晶片的溶劑輔助熱鍵合方法包括以下步驟：

將環烯烴共聚物蓋片置於含體積分數5％氯仿的丙酮中浸泡10min，取出，使用氮氣吹乾表面；

將上述的環烯烴共聚物蓋片與帶有微通道結構的基片對準貼合，以單拋矽片的光滑面為襯底，放入壓印機中調節壓強至0.05MPa和升溫至50℃，保持時 間和壓力2min，以1℃/min速率降溫至18℃，製得聚合物微控晶片。

實施例2：本實施例聚合物微控晶片的溶劑輔助熱鍵合方法包括以下步驟：

將環烯烴共聚物蓋片置於含體積分數20％環己烷的二甲基亞碸中浸泡20min，取出，使用氮氣吹乾表面；

將上述的環烯烴共聚物蓋片與帶有微通道結構的基片對準貼合，以單拋矽片的光滑面為襯底，放入壓印機中調節壓強至0.3MPa和升溫至100℃，保持時間和壓力10min，以5℃/min速率降溫至20℃，製得聚合物微控晶片。

實施例3：本實施例聚合物微控晶片的溶劑輔助熱鍵合方法包括以下步驟：

將環烯烴共聚物蓋片置於含體積分數40％正十六烷的甲醇中浸泡40min，取出，使用氮氣吹乾表面；

將上述的環烯烴共聚物蓋片與帶有微通道結構的基片對準貼合，以單拋矽片的光滑面為襯底，放入壓印機中調節壓強至0.5MPa和升溫至130℃，保持時間和壓力20min，以10℃/min速率降溫至18℃，製得聚合物微控晶片。

對比例1：本實施例聚合物微控晶片的溶劑輔助熱鍵合方法包括以下步驟：

將環烯烴共聚物蓋片置於含體積分數1％氯仿的丙酮中浸泡10min，取出，使用氮氣吹乾表面；

將上述的環烯烴共聚物蓋片與帶有微通道結構的基片對準貼合，以單拋矽片的光滑面為襯底，放入壓印機中調節壓強至0.05MPa和升溫至50℃，保持時間和壓力2min，以1℃/min速率降溫至18℃，製得聚合物微控晶片。

對比例2：本實施例聚合物微控晶片的溶劑輔助熱鍵合方法包括以下步驟：

將環烯烴共聚物蓋片置於含體積分數60％環己烷的二甲基亞碸中浸泡20min，取出，使用氮氣吹乾表面；

將上述的環烯烴共聚物蓋片與帶有微通道結構的基片對準貼合，以單拋矽 片的光滑面為襯底，放入壓印機中調節壓強至0.3MPa和升溫至100℃，保持時間和壓力10min，以5℃/min速率降溫至20℃，製得聚合物微控晶片。

對比例3：本實施例聚合物微控晶片的溶劑輔助熱鍵合方法包括以下步驟：

將環烯烴共聚物蓋片置於含體積分數40％正十六烷的甲醇中浸泡40min，取出，使用氮氣吹乾表面；

將上述的環烯烴共聚物蓋片與帶有微通道結構的基片對準貼合，以單拋矽片的光滑面為襯底，放入壓印機中調節壓強至1MPa和升溫至150℃，保持時間和壓力20min，以10℃/min速率降溫至18℃，製得聚合物微控晶片。

性能測試：

將實施例1～3和對比例1～3中得到的聚合物微控晶片進行鍵合強度和形變測試，結果如下表：

從上表可以看出：

與對比例1相比，實施例1中的混合溶劑為含體積分數5％氯仿的丙酮，製得的聚合物微控晶片鍵合強度高，且微通道形變係數為3.1％，小於5％；

與對比例2相比，實施例2中的混合溶劑為含體積分數20％環己烷的二甲基亞碸，製得的聚合物微控晶片微通道形變係數為3.9％，小於5％，且鍵合強度為75.1KPa；

與對比例3相比，實施例3中鍵合壓強為0.5MPa、溫度為130℃，製得的聚合物微控晶片微通道形變係數為4.4％，小於5％，且鍵合強度為85.3KPa。

同時，實施例1～3製得到聚合物微控晶片中通入染料，看發現微通道完好， 無堵塞和變形。

該本發明採用特定的混合溶劑侵泡溶脹環烯烴共聚物蓋片和/或基片，達到部分溶脹以降低玻璃轉化點又不產生溶劑殘留。本發明工藝簡單，不依賴複雜設備裝置，鍵合後流道變形係數小於5％，結構有較好的保真性，可鍵合小於40μm流道結構，鍵合強度達到85.3KPa，且保障了人體健康。

申請人聲明，本發明通過上述實施例來說明本發明的詳細結構和工藝，但本發明並不局限於上述詳細結構和工藝，即不意味著本發明必須依賴上述詳細結構和工藝才能實施。所屬技術領域的技術人員應該明白，對本發明的任何改進，對本發明產品各原料的等效替換及輔助成分的添加、具體方式的選擇等，均落在本發明的保護範圍和公開範圍之內。