面向微流控封装应用的PDMS表面无裂纹改性

陈 萌，郭 浩，杨江涛，赵苗苗，张斌珍，刘 俊，薛晨阳，张文栋，唐 军

(中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室，山西太原 030051)



面向微流控封装应用的PDMS表面无裂纹改性

陈 萌，郭 浩，杨江涛，赵苗苗，张斌珍，刘 俊，薛晨阳，张文栋，唐 军

(中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室，山西太原 030051)

基于PDMS的微流控系统的键合封装技术需要PDMS表面具有良好的粘合力和亲水性，作为PDMS表面改性技术，等离子体处理工艺(Plasma)具有高效、快捷、操作简单等特点，但它存在“回复”和裂纹问题。文中介绍了一种结合Plasma和表面活性剂十二烷基硫酸钠(SDS)的二次处理工艺。先利用Plasma技术对PDMS表面进行无裂纹亲水处理，再利用十二烷基硫酸钠溶液对其表面进行二次处理。既可以避免PDMS表面出现裂纹，又可以使PDMS表面亲水性长久的保持。通过实验验证，两次处理后接触角减小为21°，表面粗糙度达到1．71 nm，且表面无裂纹，并经过键合测试后，经过二次处理的PDMS与玻璃和PDMS实现了长久的键合，验证了该工艺技术可行，为微流控系统的键合封装提供了技术基础。

微流控封装；PDMS；氧等离子体；十二烷基硫酸钠；表面改性

0 引言

微流体系统被广泛地应用于核酸检测、蛋白质分析、药物分析与筛选以及单分子检测等方面，成为生物、医药等领域的主要技术之一[1-2]。基于光刻和软光刻技术制备的PDMS基微流体芯片工艺兼容性好、可重复性高、成本低[3-4]。同时，结合封装技术，微流体芯片与玻璃、硅片、聚二甲基硅氧烷(PDMS)等材料集成，使微流体系统向着成品化、集成化、多样化发展[5]。

然而，PDMS是一种表面疏水、低粘性的材料，需要进行表面改性处理，提高亲水性[6-7]。等离子体工艺(Plasma)是PDMS表面改性的主要技术之一，相比其他技术，其工艺简单、易操作、环境要求低、处理效果好[8-12]。但Plasma处理后，PDMS的亲水性会发生“回复”现象[13]，且长时间处理会有裂纹，裂纹大小为300 nm左右，与微流体通道在一个数量级，直接影响着微流体器件的性能。

十二烷基硫酸钠(SDS)属于阴离子型表面活性剂，其分子由非极性的憎水基与极性的亲水基组成，在无催化剂、常温条件下，分子的一端易与Si-O键发生缩合反应，形成Si-O-Si-SDS链，而另一端为亲水端[14]，因此，结合SDS与Si-O键反应活性高，将Plasma处理过的PDMS进行二次改性处理，实现PDMS表面无裂的永久亲水改性。

文中通过控制Plasma工艺参数，在保证PDMS表面无裂纹的情况下，联合十二烷基硫酸钠(SDS)二次处理PDMS表面，使PDMS表面亲水性长久的保持。通过PDMS与玻璃、PDMS键合测试，实现了PDMS与玻璃、PDMS等材料的永久性键合。

1 实验部分

1．1 PDMS制备

将Sylgard 184型PDMS按前聚物和固化剂按10∶1的质量比混合于烧杯中，搅拌10～15 min后倒入培养皿，置于真空干燥箱中，在真空状态下常温静置1 h，进行第一次脱泡；脱泡完成后将其平铺在玻璃板上，再次置于真空干燥箱中，在真空状态下常温静置1～2 h进行第二次脱泡；最后放入加热箱在65 ℃下固化3 h后取出，切割成3 cm×1 cm的长块，经去离子水、丙酮、无水乙醇、去离子水分别超生10 min后，用氮气吹干，放入真空干燥箱中保存待用。

1．2 实验仪器及测试

实验中采用ION40型等离子体系统对PDMS表面进行第一次无裂纹处理。用DATAPHYSICS-OCA15EC型接触角测试仪测量水在PDMS样品表面的静态接触角，滴在PDMS表面的水滴体积为1 μL，为了减小测量误差，取同一样品表面5个不同位置的点，最后计算这些点的平均值。利用CSPM5500系列扫描探针显微镜(AFM)观察处理前后PDMS表面形貌。AFM工作模式为轻敲式，扫描频率为2 Hz，扫描范围设为19 μm×19 μm．

2 结果与讨论

2．1 Plasma工艺

等离子体处理技术改善活化性质不活泼的聚合物表面，增强界面的交互作用，以使单层分子更容易扩散到其表面[15]。通过该方法使PDMS表面疏水的Si-O键转变为亲水的Si-OH基团，形成SiO/SiO2，改善了PDMS表面亲水性。

(a)随处理时间变化

(b)随处理功率变化

(c)随氧气流量变化

(d)随放置时间的变化

(e)裂纹图

图1(a)为不同处理时间后静态接触角变化图，从图中可知，随处理时间的增大，静态接触角从108°减小到0°，变成超亲水特性，但是当时间超过20 s后，表面出现大量裂纹，如图1(e)所示。同理，图1(b)、图1(c)为不同功率和气流量变化下，PDMS表面亲水性的变化规律，当超过一定阈值后，PDMS表面同样出现大量裂纹。

图1(d)为Plasma工艺处理后静态接触角的“回复”现象，该现象使得键合封装的时间大为减少，因此，在短时间、低功率等工艺参数条件下，Plasma工艺能快速、简洁的改善PDMS表面亲水性，且无裂纹。

2．2 二次处理工艺

实验中采用SDS对Plasma处理后表面无裂纹的PDMS进行了二次处理[14]，图2为处理前后PDMS的表面形貌和静态接触角。从图中可知，PDMS未处理时，接触角为108°(图2 (a))，Plasma无裂纹处理后，接触角减小为72°(图2 (b))，经过二次处理后，接触角减小到21°(图2(c))，且放置48 h后PDMS表面接触角无变化，改善了PDMS表面亲水性的“回复”现象，同时，PDMS未处理时，表面粗糙度为1．24 nm(图2(d))，Plasma无裂纹处理后，表面粗糙度增加为1．48 nm(图2(e))，经过二次处理后，表面粗糙度增加到1．71 nm(图2(f))，经过二次处理后，PDMS表面粗糙度由1．24 nm增大到1．71 nm，PDMS的表面活性增大，可键合能力提高。

(a)PDMS未处理静态接触角

(b)PDMS无裂纹处理静态接触角

(c)PDMS经过二次处理静态接触角

(d)PDMS未处理表面形貌

(e)PDMS无裂纹处理表面形貌

(f)PDMS经过二次处理表面形貌

[HJ78x〗2．3 键合测试

实验中通过键合测试[16-19]，进一步研究了不同工艺处理后PDMS的表面改性结果。将PDMS黏贴在表面清洁的载玻片和另一片处理过的PDMS上，放入空气压力0．1不从心MPa的真空干燥箱中进行真空键合。图3为不同修饰条件下PDMS与载玻片、PDMS键合48 h后的结果图。从图中可知，经Plasma单独处理的PDMS由于“回复”问题，没有与载玻片键合成功，而经过二次处理后的PDMS实现了与载玻片和另一片PDMS的永久性键合。

(a)只有Plasma处理后的PDMS与玻璃的键合(b)二次处理过的PDMS与玻璃的键合(c)二次处理过的PDMS与PDMS的键合

图3 PDMS与玻璃、PDMS键合效果图

3 结论

文中详细研究了Plasma工艺参数对PDMS表面亲水性和裂纹的影响，结合SDS对Si-OH基团的高活性，优化Plasma工艺参数，对PDMS表面进行了联合亲水性处理，实现了PDMS表面无裂纹亲水性改善，通过与玻璃、PDMS的键合，实现了对PDMS表面的永久性改善，为基于PDMS的微流体系统的封装工艺提供了良好的改性技术。

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Modification Research on Polydimethylsiloxane(PDMS)Surface without Cracks for Applications of Microfluidic Package

CHEN Meng，GUO Hao，YANG Jiang-tao，ZHAO Miao-miao，ZHANG Bin-zhen，LIU Jun，XUE Chen-yang，ZHANG Wen-dong，TANG Jun

(Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement，Ministry of Education，North University of China，Taiyuan 030051，China)

The bonding packaging technology based on polydimethylsiloxane (PDMS) microfluidic system needs good adhesion and hydrophilicity in the surface of PDMS. As PDMS surface modification technology, plasma treatment process (Plasma) has many characteristics, such as high efficiency, high speed and easy operation, but this technology has the problems of “reply” and “crack”. A secondary treatment process combined with Plasma technology and SDS was introduced in this paper. First, we made hydrophilic treatment without cracks on the PDMS surface using Plasma technology, then made secondary treatment with sodium dodecyl sulfate(SDS). This can not only avoid the cracks of PDMS surface, but also make the PDMS surface hydrophilic permanently. Through experiments, the contact angle decreases to 21 ° after re-treatment, the roughness of the surface reaches to 1.71 nm, and no crack is on the surface. After bonding test, PDMS after re-treatment can bond with glass permanently, which verifies the feasibility of the technology and lays the technical foundation for the bonding package of microfluidic systems.

microfluidic package；PDMS；plasma；sodium dodecyl sulfate；surface modification

李志明(1987—)，硕士研究生，主要研究领域自动化测试系统、电子通信。E-mail：ilovethisearth@163．com 李扬(1966—)，教授，博士，主要研究领域工业组网与数据监平台、智能控制算法、感知车间。E-mail：lyang@gdut．edu.cn

国家自然科学基金资助项目(91123016，61171056，51105345)；国家重点基础研究发展计划资助项目(2012CB723404)；国家杰出青年科学基金资助项目(51225504)；山西省高等学校优秀青年学术带头人支持计划资助项目。

2014-01-10 收修改稿日期：2014-11-09

TP212．1

A

1002-1841(2015)01-0092-03