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PDMS材料的等离子处理改性键合

Sep. 26, 2023

聚二甲基硅氧烷(PDMS)材料具有优异的物理和化学性能以及生物兼容性,已经成为微流控通道制造的常用材料,其分子式如图1.1所示。另外,PDMS能高保真地复制模板中的图案,极大地简化了微流控通道加工的复杂性。PDMS块一般通过PDMS预聚单体和固化剂以一定质量比均匀混合,通过静置或抽真空的方式去除气泡,最后热胶联得到。在细胞实验中,由于PDMS的无毒性、生物兼容性、透气性,具有与其他聚合物材料相比不可替代的地位。

PDMS的结构式

图1-1 PDMS的结构式

PDMS固化后具有很好的疏水性,为了使液体能够顺利通过微通道,必须将其由疏水性改为亲水性。使用PDMS制造的微流控芯片可以通过等离子改性键合工艺与多种基底材料实现键合,在微流控领域有广泛地应用。

等离子改性原理

等离子的产生是由特定气体在射频电极的电场作用下发生电离,转化成为一种包含了正负离子、自由电子、中性粒子以及各种活性化学基团的复杂物质。

等离子处理是指高分子聚合物材料的表面与处在等离子的状态下的非聚合性气体发生物化反应的过程,在真空状态下,高频发生器将气体电离产生等离子体(物质第四态),是一种非常好的表面改性方法。使用等离子进行表面改性,材料的表面会同时发生物理与化学作用。其中,等离子对材料表面的物理作用如图2-1-a所示,在等离子表面改性的过程中,高能活性粒子轰击并冲刷材料表面,使吸附在表面的杂质与污染物发生分解,表面杂质得以去除,可以起到清洁表面的作用。等离子对材料表面的化学作用如图2-1b所示,在等离子轰击作用下,表面分子内的化学键会发生断裂,等离子中的自由基与活性基团会接入到材料表面,对材料表面进行活化,极性基团的生成会使材料表面变得极其亲水。

PDMS材料的等离子处理改性键合

2-1 等离子改性对材料表面的作用

使用等离子体处理是为了使聚合物的惰性表面活化,加强界面之间的交互作用从而使单层分子能够更容易地扩散到对立的表面上。

PDMS等离子键合原理

等离子处理法可在PDMS与其它不同材料的表面键合时创建硅烷醇官能团。当PDMS表面与氧等离子体反应时,PDMS表面附近的单体O-Si(CH3)2将转化为羟基(-OH),之后可以与硅烷醇基Si-OH结合,使其与另一个被等离子体处理的PDMS片共价结合,使得芯片间由分子间引力的可逆结合变为化学键键合的不可逆结合,可有效避免由于压力过大导致的芯片液体渗透,加强了PDMS之间的结合。在用于对PDMS进行等离子体处理的各种气体介质中,氧气被广泛使用,除此之外,惰性气体,如氩、氮和氦,也常被用于PDMS表面的等离子体氧化。使用氧气进行等离子体氧化的氧气来源于等离子体室中的残留空气、等离子表面处理机中存在的水蒸气或聚合物中保留的氧气。惰性气体不会在处理过的PDMS表面上引入任何可检测的化学成分,简单方便且无其他产物产生,因此被广泛应用于实验中。

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