PMMA微流控芯片的键合介绍

键合前PMMA的表面处理

在粘合之前对被粘接物表面进行处理是粘合工艺中最重要的环节之一。初始的粘接强度和耐久性完全取决于胶粘剂接触的表面类型。被粘接物处理的程度和使用环境与极限粘接强度有关。在许多低强度到中等强度应用中，大范围的表面处理或许没有必要。但是，要求最大粘接强度、永久性和可靠性的地方，必须仔细地控制表面处理工艺。

影响PMMA板材粘合性能的因素很多，包括材料本身的润湿性和粘合表面的清洁度等。材料的润湿性极为复杂，因而，为了提高材料粘合面的质量，可采用以下一项或多项措施:清除材料表面污物;控制吸附水;抑制促使聚合物分解的表面粒子;被粘接物内部结构应与胶粘剂分子结构相容合;控制表面粗糙度。实验证明进行过处理的表面粘接效果比未处理前有明显的提过。除此以外，为避免粘接过程在两块板之间产生气泡，须保证粘接表面的平整性，为此，基片上打出储液孔后，孔的周围需圆滑处理，去除高于粘接表面的粗糙部分，维持原有平面的平整。

PMMA 板材表面处理的有效性可用多种方法加以评价。在粘接之前，可以使用“水膜残迹”试验和接触角试验。在粘合后，采取对芯片拉应力破坏试验测定粘合强度来评价处理的效果。在实际应用中，“水膜残迹”试验是一种比较经济实用的方法，通过观察清洁表面(用化学方法激活或极化的表面)能否保持连续水膜来判定。又称作无水膜残迹条件。水膜断开表示有油迹或污染的区域。由于残留的清洗液遗留在表面上，形成连续水膜的可能性亦存在，所以在试验前务必保证表面用水彻底冲洗。如果在表面上不能观察到无水膜残迹条件，就不能用于粘合或粘接。

芯片的热粘合

热粘合的温度、加热时间和压力是关系成败的重要参数。由于基片和盖片采用了同种材料，相应的热粘合条件与微通道热压成形相当，只是根据键合质量的需要对参数进行适当地调整。通常粘合温度要低于玻璃化温度，但要高于热压成形温度。如果温度不够高、压力过小或加热时间太短，容易在两块板的接触面间产生气泡(如图1a)，使芯片通道不能完全密封，导致样品泄漏;反之，则通道变浅甚至消失。

(a)密封不完全出现气泡                                     (b)密封完全、边缘清晰光滑

图1不同温度芯片热粘合质量对比

玻璃化温度是关系到高聚物芯片热粘合的重要参数，同一单体不同的几何立构可能对应截然不同的玻璃化温度。如间规力构的PMMA的玻璃化温度是115℃，而全同力构的 PMMA的玻璃化温度是43℃。因而，两种材料粘合条件的悬殊可以推测为是由两种PMMA微观结构的差异决定的，而这种差异是由不同生产条件导致。

芯片的溶剂粘合

本文除了尝试利用物理的热粘合之外,还成功地使用化学溶剂将盖片和基片有效地粘合。该方法适于无定形热塑性自身的粘合，同时也可用于性能相近的不同塑料的粘合。这种方法对溶剂要求较高，首先要求溶剂必须具有足够的活性，可使整个粘合面均匀地溶解或溶胀到可粘程度，略施加压力即可粘合;其次要求溶剂具有适当的挥发速度，在未使塑料发生龟裂或产生白色雾状膜的情况下，尽量挥发得快一些，这样可使粘接强度在较短时间内达到最高值。由此可见，在溶剂粘合中，对溶剂的选择，特别是按照塑料和溶剂的溶解参数(SP)以及溶剂的沸点选择适当溶剂尤为重要。

2塑料与溶剂的溶解度参数

一般来说，溶剂与塑料之间的溶解度参数越接近，溶剂对塑料的溶解性就越好，表2列出了一些塑料和溶剂的溶解度参数。从表中可以看到，丙酮(SP=10)可溶解PMMA(SP=9.3),可作为芯片粘合用的溶剂。然而试验发现，丙酮很容易在PMMA表面产生“混浊膜”，而且还容易使表面发生龟裂，产生无数细小的裂纹痕。导致最终的粘接质量下降，芯片透光率降低，既影响了芯片的美观，也给接下来的药物检测增加了困难。

被粘接聚合物一般与其单体具有很好的相容性。在进行PMMA溶剂粘合试验中，采用PMMA的粉末溶于其单体MMA，制成粘合芯片用的溶胶。因为MMA在空气中具有挥发性，旋涂在PMMA表面上在数十秒内就能挥发殆尽。因此很难对芯片表面达到有效地溶解，未溶解的部位无法粘合，未粘合部分将出现气泡。为改善粘合效果，在MMA溶剂中加入少许胶粘剂PMMA微粉，配制成溶剂胶粘剂。如果此类单体在室温下聚合或在塑料软化点以下加热促进聚合，把少量的同质聚合物粉末加入单体中，不但可促进聚合还可避免龟裂现象。

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