张慧儒，梁 帅，刘 彬

（广东顺德工业设计研究院（广东顺德创新设计研究院），广东 佛山 528300）

1 研究背景

微流控是指，通过向微纳结构中的流体施加压力、电场和磁力等操控微升或纳升体积流体的技术。20世纪末至今微流控技术的发展突飞猛进，已经从简单的分析化学工具发展到高度集成的芯片实验室[1]。微流控技术在诸多领域得到广泛应用，尤其在生物医学领域，微流控技术大幅改善了传统生化实验方法的弊端，比如通量低、样本消耗大、复杂生物样本的假阴性或假阳性干扰等[2]。

近年来，基于液滴的微流控（DMP）技术致力于用两种互不相溶的液相将待测样本分割成体积仅为纳升或皮升级的小液滴，在其中一个液相中加入表面活性剂，很好地避免多个液滴合并，使微液滴体系在高温环境下仍然可以处于稳定状态[3-4]。在分子诊断领域，数字聚合酶链反应（PCR）技术是液滴微流控的典型应用[5-6]。

数字PCR中应用的微液滴生成芯片，均采用一次性芯片，避免因生物样本间的交叉污染导致测试结果出现问题。注塑的聚合物芯片，因产能高、成本低成为最佳选择。环烯烃共聚物（COC）因其优越的光学透明度、耐化学性、低吸水性和良好的生物相容性常作为液滴芯片的原材料[7-9]。

聚合物芯片在热压键合中的难点是尽量使微通道的变形最小，且最大程度保证与注塑基片一致，因此精确的温度、压力和时间等工艺参数的选择和控制成为本研究的重点。

2 实验方法

2.1 材料与设备

COC（日本Topas公司）是一种光学透明度、耐化学性和低吸水性等性能优越的聚合物材料，其玻璃化转变温度为78℃，熔融指数为32 cm3/10 min。

微流控芯片基片样品为我单位自主研发的70μm聚合物微液滴基片，盖片为采购的COC挤塑薄膜。热压键合机是由笔者所在单位自主研发的真空热压键合机。测试微通道尺寸和微液滴直径的显微镜为日本奥林巴斯公司的IX73倒置显微镜。微液滴生成仪为笔者所在单位自制微液滴生成仪。测试压力均一性使用的压敏纸型号为日本富士4LW型。

2.2 实验过程

试验过程如下：①测试未键合的基片液滴生成口的尺寸，测试位置如图1所示，其中OW为油相通道宽度，SW为水相通道，测三次；②完成7组热压键合实验，分别为不同保温温度、压力和保温时间；③测试键合后的芯片通道的变形情况；④用芯片生成微液滴，评估通道尺寸对液滴直径的影响。实验设计如表1所示。

表1 热压键合工艺试验方案

图1 键合前后尺寸测试位置

3 结果与讨论

3.1 保温温度对微通道变形的影响

分别对1#、2#和7#样品在保温温度分别为76℃、78℃和80℃，压力为160 kPa，保温时间为4 min条件下键合，将键合后的芯片尺寸（测试位置如图1所示）与键合前的进行对比分析，发现键合后的水相和油相通道尺寸较键合前有明显收缩，且呈现温度越高收缩率越大的趋势，如图2所示。这主要是因为该材料的玻璃化转变温度为78℃，随着温度的上升，材料由脆性转变为弹塑性导致变形量增大，通道收缩率相应增大。

图2 不同温度下键合后油相和水相通道收缩率

3.2 压力对键合面缺陷的影响

2#、3#和4#样品的键合条件为：保温温度和时间均为78℃和4 min，压力分别为160 kPa、100 kPa和130 kPa。键合后观察键合面，3#和4#有肉眼可见的气泡，而160 kPa下键合的样品，微通道周边区域没有气泡。对比三种压力下键合前后的通道尺寸收缩没有太明显的规律。根据键合面的判断，认为160 kPa为更适合于该材料的热压键合。在该参数下用压敏纸表征了键合面的受力均一性，压敏纸颜色变化情况如图3所示，颜色相对较均匀，这与肉眼观察键合面的情况基本一致。

图3 160 kPa下键合面的受力表征结果

3.3 保温时间对微通道变形的影响

2#、5#和6#样品的键合条件是保温温度和压力为78℃和160 kPa，保温时间分别为4 min、2 min和6 min。对比三个样品键合前后通道变化情况发现，键合后通道均收缩，且收缩率在保温时间为4 min时为最小，2 min的收缩率次之，6 min的收缩率达到最大，结果如图4所示。因此，基于本台设备的热压键合工艺中的保温时间应该考虑设定在4 min。

图4 不同保温时间下键合后油相和水相通道收缩率

3.4 通道宽度的变化对液滴直径的影响

将芯片样品进行微液滴生成实验，每组样品有8个微滴生成孔，如图1（a）所示，生成条件为油相压力31 kPa，水相压力26 kPa，生成设备为笔者单位自制的生成仪。生成的液滴在显微镜下测量尺寸，图5（a）为测试微液滴直径所使用的荧光倒置显微镜，图5（b）为微液滴直径尺寸的测试方法照片。以下分析中涉及的微液滴尺寸均按照该显微镜10倍放大测试。

图5 测试微液滴用显微镜和微液滴直径测试方法图片

将微液滴直径和通道尺寸数据进行一一对应后发现，微液滴直径随着水相和油相通道宽度的变化呈线性趋势，通道越宽，微滴越大，如图6所示。本芯片设计目标微滴直径为70μm，当水相通道为60～62μm，油相通道为58～60μm时，液滴更有可能达到目标直径。

图6 通道宽度与液滴直径对应关系

4 结论

保温温度为76℃、78℃和80℃，压力为160 kPa，保温时间为4 min条件下键合的芯片尺寸与键合前的进行对比分析，键合后的水相和油相通道尺寸较键合前有明显收缩，且呈温度越高，收缩率越大的趋势，因此，为了通道尽可能保持原有基片尺寸，在保证键合力的同时，倾向于使用更低的键合温度。

保温温度和时间均为78℃和4 min，压力分别为100 kPa、130 kPa和160 kPa的三组实验对比结果显示，160 kPa压力键合的样品，微通道周边区域没有气泡且键合面受力较均匀。保温温度和压力为78℃和160 kPa，保温时间分别为2 min、3 min和6 min时，收缩率在保温时间为4 min时为最小，因此，4 min的保温时间更符合键合工艺要求。

微液滴直径随着水相和油相通道宽度的变化呈线性趋势，通道越宽，微滴越大，当水相通道为60～62μm，油相通道为58～60μm时，液滴更有可能达到70μm目标直径。