用于制作PMMA和COP微流控器件的溶剂键合技术

摘要

溶剂键合是一种简单且多功能的方法，可用于制备具有高质量键合的热塑性微流控器件。我们描述了一种通过合理结合压力、温度、合适溶剂以及器件几何结构，在PMMA和COP微流控器件中实现牢固、光学透明键合的实验方案，该方法可保持微结构特征的细节完整性。

摘要

热塑性塑料微流控器件相较于硅基弹性体材料制成的器件具有诸多优势，但需针对每种感兴趣的热塑性塑料开发相应的键合工艺。溶剂键合是一种简单且通用的方法，可用于多种塑料材料的器件制备。该方法将适当的溶剂添加至待键合的两层器件之间，并对器件施加热量和压力以促进键合过程。通过合理选择溶剂、塑料、加热条件和压力的组合，可实现高质量的密封键合，其特征表现为高键合覆盖率、高键合强度、良好的光学透明性、长期稳定性以及对微结构形貌的低变形或损伤。本文描述了两种常用热塑性塑料——聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）和环烯烃聚合物（COP）——所制器件的键合操作流程，以及多种用于评估键合质量的方法，并提供了针对低质量键合问题的排查策略。这些方法可用于开发其他塑料-溶剂体系的新型溶剂键合方案。

引言

在过去的二十年中，微流控技术作为一种非常适合在微米尺度上研究化学和物理现象的技术而兴起¹，并日益展现出显著推动生物学研究的潜力^2-4。历史上，大多数微流控器件由聚二甲基硅氧烷（PDMS）制成，这是一种使用方便、成本低廉且能高质量复制微结构特征的硅基弹性体⁵。然而，PDMS存在诸多已有明确记载的缺点，并且与高通量制造工艺不兼容^6,7，因此，近年来越来越多的研究趋向于采用热塑性材料制备微流控器件，因其具备大规模生产乃至商业化的潜力。

塑料微加工技术广泛应用的主要障碍之一是难以实现简便且高质量的塑料器件键合。目前的策略包括热键合、粘合剂键合和溶剂键合技术，但许多方法存在显著挑战。热键合会增加自发荧光⁸，并经常导致微通道结构变形^9-11，而粘合剂键合技术则需要使用模板、精确对准，最终还会使粘合剂厚度暴露于微通道内部¹⁰。溶剂键合因其操作简单、可调控性强且成本低廉而具有吸引力^10,12-14。特别是其可调控性使得该方法能够针对多种塑料进行优化，从而实现稳定且高质量的键合，最大限度减少微结构特征的变形¹⁴。

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方案

请注意，以下所述的所有步骤均已在非洁净室环境中开发和实施。溶剂键合步骤当然可以在洁净室中进行（如果条件允许），但并非必需。

1. 热塑性微流控装置层的制备

1. 选用合适的热塑性材料，采用适当的加工方法设计并制造微流控装置的各层结构例如，微铣削¹⁵，压纹^16-18，注塑成型）。
2. 目视检查装置各层，确保边缘整齐 "清洁" (即，无毛刺或加工残留物形成的脊状突起）。为获得最佳效果，除装置外缘外，还应在光学显微镜下检查所有加工出的微细结构边缘。
3. 若在目视检查中发现残留物，应使用剃刀刀片或手术刀小心去除任何阻碍器件各层紧密贴合的材料，以确保各层界面实现共形接触。
4. 用实验室肥皂和水清洁设备表面，并用压缩空气吹干。将设备各层浸入2-丙醇中2分钟，然后用压缩空气吹干。

2. 溶剂粘接

1. 准备加热压机（用于PMMA）或加热板（用于COP）。
   1. 对于PMMA（浇铸丙烯酸，玻璃化转变温度约为100–110 °C）¹⁸，将压机预热至70 °C，并保持温度稳定。
   2. 对于COP（制造商提供的玻璃化转变....

结果

通用溶剂键合过程的示意图如图1所示。评估键合质量最简单的方法是目视检查键合覆盖情况，因为键合不良的区域会明显表现为未键合的塑料区域，表明键合强度较弱。这些区域通常靠近自由边缘（例如，器件边缘或开放端口、微通道附近），也常出现在键合界面处的灰尘或颗粒物周围。在尚未确定最佳溶剂组成和键合条件的方案开发阶段，通常会出现因键合强度不足而导致的键合覆盖不良，如图2A所示。通常，键合强度不足提示可能需要进行以下一项或多项调整：（i）使用更强的溶剂（即更高浓度的溶液或更换溶剂），（ii）提高键合温度，以及（iii）提高键合压力。

相反，过于剧烈的键合条件虽可实现优异的键合覆盖率和高强度，但也可能导致微结构受损或封闭，如图所示。 图2B这通常是由于溶剂过于剧烈所致，尽管高温（接近塑料的玻璃化转变温度）也可能导致明显的变形。

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讨论

潜在键合策略的可行性取决于可用的设备。虽然加热板相对常见，且砝码可低价购得，但高压策略需要使用加热压机。例如，我们最优的聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）键合方案需要在乙醇中施加高压（见表1），而使用砝码无法对典型尺寸的器件施加足够的压力。因此，若仅有加热板和砝码可用，则可改用另一种溶剂（水中75%丙酮）实现PMMA的键合。此外，若所用溶剂需在通风橱中操作，也可能限制其实用性，特别是当同时需要高压时，此类策略既需使用加热压机，又要求将压机置于通风橱内。这些因素在开发新的溶剂-塑料体系时可作为指导，优先选择毒性较低的溶剂和所需压力较低但仍能实现高质量键合的条件。

在针对特定塑料优化溶剂键合方法后，由于键合过程中溶剂蒸发效应，装置边缘附近仍可能存在键合覆盖不全的问题。如代表性结果部分所述，缓解此类问题的一种策略是在关注的边缘附近平行设置溶剂保留槽即，装置的外边缘，以及通常存在键合困难的通道或端口附近）。此外，可在每个凹槽中添加两个或更多的通孔端口（和/或连接多个凹槽），以便使用移液器直接将溶剂加入凹槽内。该设计具有两个潜在用途：（i）可将溶.......

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
COP	Zeonor	604Z1020R080	20 kg COP 颗粒 - 1020R。可使用多个供应商，但可能影响粘合特性。
PMMA	McMaster Carr	8560K173	适用于常规应用的 1.5 mm 厚板材。可使用多个供应商，但可能影响粘合特性。
环己烷	Sigma-Aldrich	227048	环己烷，无水，99.5%。可使用多个供应商。有毒，需在通风橱中操作。
乙醇	Sigma-Aldrich	24102	乙醇，绝对乙醇，≥99.8%（GC）。可使用多个供应商。
丙酮	Sigma-Aldrich	179124	丙酮，ACS 试剂，≥99.5%。可使用多个供应商。
2-丙醇	Sigma-Aldrich	278475	2-丙醇，无水，99.5%。可使用多个供应商。
加热板	Torrey Pines Scientific	HP60	完全可编程的数字加热板。可使用多个供应商。
标准砝码	Cap Barbell	RPG#2	标准铸铁圆盘。可使用不同供应商和不同重量。
加热压机	Carver	Auto CH	Auto 系列加热液压压机。可使用多个供应商。若压机能放入通风橱，则可提供最大灵活性（此型号不能）。
数控铣床	Tormach	PCNC 770	三轴数控铣床。可使用多个供应商。
立铣刀	Various	Various	所需尺寸取决于设计。可使用多个供应商。