聚合物微流控芯片超声波微熔融键合方法

为了将超声波聚合物焊接技术更好地应用于聚合物微流控芯片的键合,提出基于界面微熔融的聚合物微流控芯片超声波键合方法.设计了适用于该方法的导能筋结构,在合理的键合工艺参数控制下使导能筋结构材料不发生熔融流延,通过键合界面软化润湿来实现对微流控芯片微通道的密封连接.实验结果表明,键合时间仅为0.09 s,键合后微通道的承压能力可达6个大气压,满足微流控芯片的使用要求.面接触导能筋可采用机械加工或注塑方法获得,具有良好的产业化应用前景.     

聚合物多层微流控芯片超声波键合界面温度研究

针对聚合物多层微流控芯片键合,采用热辅助超声波键合方法实现了4层微流控芯片的键合,搭建了多界面温度测试装置,采用埋置热电偶的方法测试了三个被封接界面的温度场,研究了单独超声波作用和热辅助超声波键合法中各界面的温度并进行了比对.温度测试实验结果表明,在顶层热辅助温度70℃、6μm振幅、30kHz频率、100N超声波焊接压力和25s超声波作用时间下,基于热辅助的多层超声波键合方法可以使各键合界面的温度基本一致,从而实现多层微流控器件的多个界面键合质量一致.本文的研究为聚合物微流控器件的超声波多层键合机理研究提供了有益借鉴.     

微流控芯片微沟道的超声压印制作

作为一种新型聚合物微结构成形方法,超声波压印具有成形速度快和基片整体变形小的特点,但是微结构在较大面积成形时存在均匀性较差的问题．本文面向微流控芯片中微沟道的超声波压印成形,通过设计正交实验和有限元仿真研究的方法,分析了超声压印工艺参数对微流控芯片成形质量和均匀性的影响原因及规律．结果表明,可以通过优化超声波压印压力、振幅和超声波作用时间提高压印均匀性．其中超声波压印压力对成形精度和均匀性的影响最大．采用优化后的工艺参数进行实验,在48mm×32mm面积的PMMA微流控芯片基片上成形了微沟道,微沟道的复制精度优于95．6％．片上3点的均匀性为98．0％．     

塑料微流控芯片的注塑成型

有别于传统的微流控芯片压塑成型方法,本文提出注塑成型加工塑料微流控芯片的新工艺.采用UV-LIGA技术制作成型微通道的型芯,设计制造了微流控芯片注塑模具.充模试验表明,如何使微通道复制完全是微流控芯片注塑成型的主要技术难点.模拟与理论分析表明,熔体在微通道处出现滞流现象是复制不完全的主要原因;搭建了可视化装置对此加以试验验证.利用正交试验方法进行充模试验,研究各工艺参数对微通道复制度的影响.试验表明模具温度对提高微通道复制度起决定性作用;注射速度和熔体温度是次要因素,而注射压力相对其他因素影响力较差,但必须保持在一个较高的水平.依此形成塑料微流控芯片的注塑成型工艺,对于宽80μm、深50μm截面的微通道而言,可使微通道复制度由70%提高到90%,满足使用要求.     

集成电化学检测三电极体系微流控芯片的研制

本文介绍了一种在单个PMMA衬底上集成Ag-Pt-Pt两种材料微电极的方法。PMMA是一种聚合物材料,而在聚合物材料上集成两种材料电极的微流控芯片制作,需集成不同材料的电极。电化学检测常采用三电极体系,且这三个电极往往是由不同材料组成的。工作电极和对电极一般采用贵金属材料。本文研究了一种在PMMA衬底上集成Pt-Pt-Ag三电极体系的微流控芯片方法。利用可逆键合法,将集成Pt-Pt-Ag三电极体系的PMMA衬底与一片带有检测池的PDMS盖片键合到一起,研制出了一种电化学检测微流控芯片。     

利用CO2激光法快速制造PMMA基材的微流控分析芯片

提出一种广泛使用的CO2激光法,以直接读写烧蚀的方式,进行快速的聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）基材的微流控分析芯片的制造.利用此方法所制造的微流道,将以扫描电子显微镜（SEM）、原子力显微镜（AFM）及表面轮廓仪进行各项表面性质的分析.本文所发展的CO2激光烧蚀法,提供了一个可广泛使用及具有经济效应的PMMA基材的微流控分析芯片的制造方法.在此激光制程法中,微流控分析芯片的制造图案可由商业的套装软件绘制而成,再传输至激光系统中进行烧蚀微管道,结果显示利用离焦法的激光制程技术,在没有退火处理的情况下,就可以获得表面相当平滑的微流道,表面粗糙度小于4nm.     

PMMA微流控检测芯片的设计与制作

设计并制作了一种PMMA（polymethyl methacrylate）材料的微流控检测芯片,将外界气体驱动液体用于实际水样的分析和检测．利用精密加工的方法加工出芯片的整体尺寸为86mm×60mm×4．5mm．采用溶胶-凝胶的改性方法对微通道管路进行亲水处理,正硅酸乙酯的水解缩合生成了一层溶胶．凝胶覆盖在PMMA表面,从而大大提高了亲水性．在室温下对芯片进行键合,溶剂为二氯乙烷和无水乙醇按1：1混合的混合液．该方法避免了微通道的坍塌,有效防止了堵塞．实验证明,芯片接触紧密,且冲击强度能够满足要求．同时,芯片上集成了多个阀．阀膜选用0．5mm厚的硅胶膜,采用硅橡胶做黏合剂     

微流控芯片制作及电特性研究

采用热压和键合的方法制作玻璃和有机聚合物(PMMA)芯片,对玻璃和PMMA芯片在高压直流电场作用下的伏安特性进行了研究和分析。实验表明,玻璃芯片的伏安线性区域为1100V,PMMA芯片为700V,由于玻璃的导热性能优于PMMA,所以玻璃芯片的伏安线性区域大于PMMA芯片。在此线性段内,根据基尔霍夫电流定律将芯片简化为等效电阻模型,研究了分离电压以及分离焦耳热对芯片分离效果的影响因素,为微流控芯片的优化设计提供了理论依据。     

模板电解法快速制作玻璃微流控芯片

玻璃微流控芯片在许多领域已经得到较广泛的应用,但目前的加工需要繁琐的步骤及昂贵的设备进行图形转移及金属牺牲层开窗口.本文提出一种快速制作金属牺牲层图形窗口以用于玻璃微流控芯片加工的方法.以CO2激光直写加工PET膜模板,微细电解加工玻璃基片上的铬/金牺牲层快速获得窗口,湿法腐蚀及热键合制作玻璃微流控芯片.结果表明该法可在10秒内开窗口,电解加工过程使用的模板厚度、电解液组成及施加的压力与电压对窗口的质量都有显著影响.加工的微通道宽度为145μm,边缘整齐,宽度均匀,相对标准偏差为3.72%,深度μm,底部平整度高,并成功用于氨基酸混合液的芯片毛细管电泳分离.同时使用该方法加工的金微电极阵列,电极宽度为100μm,最小间距可达100μm.     

环烯烃聚合物(COP)微流控芯片的制备及其与聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)微流控芯片的性能对比

采用热压方法制备了环烯烃聚合物(COP)微流控芯片.考虑到温度对微结构热压成形的质量影响最大,基于材料的粘弹性特性,通过变温准蠕变实验获得了热压参考温度Tr.实验证明,在该温度下热压成形,宽度和深度方向的复制精度分别达到了97.6%和94.3%.为了研究制备的COP微流控芯片的性能,将其和同一模具制备的PMMA微流控芯片进行了性能对比实验.通过背景荧光实验、电泳实验和DNA分析实验三方面的研究表明,与PMMA芯片相比,COP芯片背景荧光低,电泳效率高,检测重现性相对标准偏差小于2.5%,适用于生化分析.     

不可逆封合微流控芯片中高活性蛋白质阵列的制备

保持生物分子的高活性是在不可逆封合微流控芯片中构筑微阵列芯片的关键问题.首先,利用MEMS技术和表面修饰方法制作了一种聚二甲基硅氧烷(PDMS)/玻璃芯片.应用光刻技术制作了PDMS盖片上的通道,同时用光刻剥离技术制作了玻璃基片上的金膜图案.进而,使用双官能团修饰剂3-氨丙基三甲氧基硅氧烷(APTMS)在玻璃基体和金膜图案上进行选择性表面修饰以吸附形成蛋白质阵列,并在其上覆盖一层水溶性聚乙烯醇(PVA)来保护蛋白质,既可避免其在加热处理过程中的高温伤害,又能防止在PDMS盖片与玻璃基片进行不可逆封合过程中的氧等离子体轰击造成的活性伤害.然后,通入水溶液冲洗除去PVA膜.使用荧光显微镜和原子力显微镜(AFM)考察蛋白质阵列质量,并结合免疫反应实验和细胞捕获固定实验评估蛋白质阵列的活性.结果表明,使用该方法可在不可逆封合的微流控芯片制作中构筑具有直径为200μm的高分辨率蛋白质阵列图案,蛋白质保持高的免疫活性,且可用于固定Hela细胞.     

Phase-changing sacrificial materials for solvent bonding of high-performance polymeric capillary electrophoresis microchips

A new method for solvent bonding polymeric substrates to form microfluidic systems has been demonstrated. Prior to device sealing, channels in an embossed poly(methyl methacrylate) (PMMA) piece are filled with a heated liquid (paraffin wax) that forms a solid sacrificial layer at room temperature. The sacrificial material prevents the bonding solvent (acetonitrile) and softened PMMA from filling the channels. Once the sealing step is complete, the sacrificial layer is melted and removed, leaving enclosed microfluidic channels. We found that PMMA substrates welded together using this method could withstand internal pressures of >2250 psi, more than 1 order of magnitude higher than their thermally bonded counterparts. To demonstrate the usefulness of this method, microchip capillary electrophoresis (CE) devices in PMMA were created and tested. Amino acid and peptide mixtures were separated in <15 s, with >40,000 theoretical plates in a 2.5-cm separation distance. Electric fields as high as 1.5 kV/cm were applied in these microchips, and >300 CE runs were performed on a single device with no degradation of separation performance. The simplicity of the methods presented here and the improved robustness of the resulting devices should facilitate the broader implementation of polymer microchips in microfluidic analyses.     

键合温度对PMMA电泳芯片电渗流的影响

在不同温度条件下完成了PMMA电泳芯片的热压键合,研究了键合温度对电泳芯片电渗流流速的影响.通过采用2%HEC+1×TBE的筛分介质对沟道进行改性,以硼砂和TBE为缓冲溶液,对相同沟道截面的电泳芯片的电渗流流速进行测量.实验结果表明,PMMA电泳芯片的电渗流流速随键合温度的升高而减小,改性后比改性前电渗流流速变化更为明显.     

Bonding of glass microfluidic chips at room temperatures

A simple, room-temperature bonding process was developed for the fabrication of glass microfluidic chips. High-quality bonding with high yields (>95%) was achieved without the requirement of clean room facilities, programmed high-temperature furnaces, pressurized water sources, adhesives, or pressurizing weights. The plates to be bonded were sequentially prewashed with acetone, detergent, high-flow-rate (10-20 m/s) tap water, and absolute ethyl alcohol and were soaked in concentrated sulfuric acid for 8-12 h. The plates were again washed in high-flow-rate tap water for 5 min and, finally, with demineralized water. The plates were bonded by bringing the cleaned surfaces into close contact under a continuous flow of demineralized water and air-dried at room temperature for more than 3 h. This bonding process features simple operation, good smoothness of the plate surface, and high bonding yield. The procedures can be readily applied in any routine laboratory. The bonding strength of glass chips thus produced, measured using a shear force testing procedure, was higher than 6 kg/cm(2). The mechanism for the strong bonding strength is presumably related to the formation of a hydrolyzed layer on the plate surfaces after soaking the substrates in acid or water for extended periods. Microfluidic chips bonded by the above procedure were tested in the CE separation of fluorescein isothiocyanate-labeled amino acids.     

Room-temperature bonding for plastic high-pressure microfluidic chips

A generic method for the rapid, reproducible, and robust bonding of microfluidic chips fabricated from plastics has been developed and optimized. One of the bonding surfaces is exposed to solvent vapor prior to bringing the mating parts into contact and applying a load. Nanoindentation measurements performed by atomic force microscopy show that a reversible material softening occurs upon exposure to solvent vapor. Subsequent exposure of the bonded chip to UV light then strengthens the bond between mating parts and increases the burst pressure by 50% due to partial cross-linking and chain scission reactions as measured by size exclusion chromatography-multiangle light scattering (SEC-MALS). Performing all steps of this procedure at room temperature eliminates channel distortion observed during thermal bonding and affords channels with highly uniform cross-sectional dimensions. Our technique enables chips resistant to pressures as high as 34.6 MPa.