通过连续湿法刻蚀工艺一步法制备不同几何截面的聚二甲基硅氧烷微流控通道

该方法有助于提供微流控领域中的关键制造技术，例如用于在聚二甲基硅氧烷-聚碳酸酯微流控器件中制造具有不同几何横截面的通道。该技术的主要优势在于，微流控通道可通过连续的湿法刻蚀工艺以一步法进行制造，无需繁琐的步骤和复杂的对准过程。该技术的应用前景广泛，可推动复杂微流控系统的发展，因为采用此方法可显著简化具有非矩形截面或不同高度通道的制造工艺。

尽管该方法可为微流控器件的制备提供参考，也可应用于其他所需的微环境条件，例如通道中的通量分布或物质混合情况。实验开始时需准备一个主模具，本例中，使用光刻胶在四英寸硅片上制备的负模作为模具。

以下是通道布局倒置拓扑结构的计算机辅助设计图像。接下来，在一个洁净的塑料杯中混合PDMS及其催化剂，并使用电动搅拌器进行搅拌。当混合物均匀后，将杯子放入连接至真空泵的干燥器中，抽真空60分钟。

取出PDMS混合物后，将其转移至主模具上。将20克混合物倒入模具表面，尽量避免引入气泡。

接下来，取一个培养皿，倒入30克PDMS混合物。将盖好的模具和培养皿放入真空干燥器中以去除气泡。60分钟后，将盖好的模具和培养皿转移至60摄氏度的烘箱中固化四小时。

固化步骤完成后，让PDMS冷却至室温。然后使用手术刀和镊子将固化的PDMS从模具上剥离。继续使用手术刀修整PDMS层，使其覆盖微通道结构。

使用活检打孔器打开通道接入孔。现在，在培养皿中操作PDMS。使用手术刀和镊子将其从培养皿中取出。

然后，将PDMS层裁剪至与模塑层相同的尺寸。将PDMS层送至表面处理仪中。调整各层方向，使其中一层PDMS的预设微通道朝上，另一层PDMS的无特征表面朝上。

将两层材料暴露于氧气等离子体中处理40秒。处理完成后，需将两个表面进行键合。通过使两层的处理表面相互接触，实现层间键合。

然后，将键合好的PDMS层放入60摄氏度的烘箱中至少30分钟。准备一个微流控装置以表征PDMS的湿法刻蚀。采用仅含单层和一条直矩形通道的简单设计。

该装置有一个废液出口和一个入口。请注意，本图中所示的上下层PDMS为分离状态。设置装置时，应确保可通过显微镜进行观察和拍照。

对于刻蚀液，使用体积比为1:10的TBAF和NMP。用带有不锈钢钝头针的10毫升注射器吸取刻蚀液。将注射器置于显微镜附近的注射泵上。

然后，将其连接至装置的入口。将出口的流出液引导至废液容器中。使用注射泵以每分钟150 µL的流速输送刻蚀剂。

使用明场显微镜观察，确保沿流动方向蚀刻的通道具有均匀的宽度，并辅助确认流速和蚀刻剂成分。在蚀刻过程中，以4倍放大倍数拍摄通道横截面的时间序列图像用于分析。设置显微镜以观察并拍摄微流控装置。

在此情况下，设计装置时应使刻蚀剂和缓冲液的入口流入不同的区域。以下是该装置入口和通道的示意图，分别从上方和横截面视角展示。随着时间推移，刻蚀剂与缓冲液的不同作用将形成新的横截面结构，本图展示了最终横截面及顶视图照片的示意图。

将装置置于显微镜载物台上。配制TBAF与NMP的蚀刻溶液以及NMP缓冲溶液。用缓冲溶液填充两支10毫升注射器，一支注射器填充蚀刻液。

将注射器放置在靠近装置的注射泵上，并对装置进行相应的连接，包括废液排出管路。启动注射泵，以每分钟50微升的流速注入蚀刻剂。

在本视频中，初始的通道几何形状通过红色染料显示出来。随着时间推移，刻蚀剂会导致通道壁的厚度发生变化。需控制湿法刻蚀过程的时间，以确保获得所需的通道几何结构。

将显微镜与注射泵一同准备好。该设计用于制备具有不同区域的微流控混合器的PDMS通道。其具有交替对称的横截面几何结构，采用标准工艺难以实现。

将装置安装在显微镜上，并将其与注射泵连接。从标记为“出口”的端口引入TBAF NFP刻蚀液。观察微流控通道随时间推移腔室的演变过程，如这两小时内记录的俯视图像所示。

控制湿法刻蚀时间以确保获得合适的通道几何形貌。完成后，对器件进行表征。准备一支装有蒸馏水的注射器和一支装有荧光素钠盐溶液的注射器，用于安装至注射泵。

将微流控装置置于显微镜上，并将每支注射器连接至入口，设置流速为每分钟 20 微升。从出口端收集废液。从上方在预设位置拍摄通道的荧光显微镜图像。

作为对照，使用未经蚀刻的微流控装置在相同条件下记录图像。通过顺序湿法蚀刻，可制备具有多种几何横截面的微流控通道。本图总结了在单层PDMS通道中蚀刻剂入口的排列方式，以实现本视频中展示的十字形横截面结构。

注意蚀刻剂进入中央通道，缓冲液进入侧边通道。采用相同的通道排列方式，同时交换携带蚀刻剂和缓冲液的通道，可形成哑铃形的横截面。另一种类似于微流控混合器的通道排列方式，仅使用蚀刻剂即可产生钟形横截面。

在进行此操作时，重要的是要记住对设备的入口进行处理，以避免蚀刻剂泄漏，并进一步防止在入口处发生PDMS泄漏。观看本视频后，您应能够充分理解如何通过单步法结合连续湿法蚀刻工艺，成功制备具有不同几何截面形状微通道的PDMS微流控器件。