（分析化学专业论文）微流控芯片加工和试样引入技术的研究.pdf

摘要 微流控芯片( m i c r o f l u i d i cc h i p ) 分析是微全分析系统( m i n i a t u r i z e dt o t a l a n a l y s i ss y s t e m s ，l a t a s ) 或芯片实验室( l a b - o n - a - c h i p ) 领域中的重要组成部分。 它以微机电加工( m e m s ) 技术为基础，以微通道网络为结构特征，通过对微流 体的操纵和控制，目标是在芯片上实现分析实验室的所有操作，包括取样、试样 引入、前处理、反应、分离和检测等。微流控芯片的加工是一切微流控芯片分析 研究的前提和基础。而微流控芯片试样引入技术的研究则是目前微流控芯片研究 中亟待加强的领域。本论文的研究工作主要集中于上述两个领域，进行玻璃基质 微流控芯片加工技术和连续试样引入技术的研究。 第一章详细综述了相关方向上国内外研究发展的现状，主要包括在玻璃基质 微流控芯片的加工技术和微流控芯片试样引入技术方面的进展。 第二章在玻璃微流控芯片加工技术研究方面，提出了一种简单的芯片低温和 室温键合技术。该技术通过浸泡处理在玻璃芯片表面形成水化层，在水化层存在 条件下完成芯片的低温( 8 0 1 0 0 ) 和室温键合。该方法具有操作简单，键合 强度高( 6k g c m 2 ) ，键合成功率高( 9 5 ) ，芯片表面光洁度好等特点，不需 严格的超净环境或特殊设备，在常规实验室即可完成玻璃芯片键合。采用该法加 工的玻璃芯片被应用于芯片毛细管电泳分离中。 第三章在上述键合技术研究基础上，建立了一种基于滴液式连续试样引入接 口的微流控芯片电泳系统，可以在进行连续试样引入的同时，保证试样引入系统 和电泳系统的电隔离。系统采用两种滴液式接1 2 1 设计，优化了系统的操作条件， 降低系统的试样消耗量，提高工作稳定性。可快速进行氨基酸等试样的引入和毛 细管电泳分离。 在第四章中，首次将微型扩缩泵集成加工于微流控电泳芯片上，用以提供芯 片试样引入系统的驱动力，显著提高了分析系统的集成度。通过实验优化了微 泵和试样引入系统的工作条件。该分析系统被成功应用于氨基酸样品的自动连 续换样和毛细管电泳分离。 关键词微流控芯片：玻璃基质；低温键合；室温键合；滴液式试样引入接 口；微扩缩泵；芯片集成化：毛细管电泳；氨基酸分离 a b s t r a c t c h i p - b a s e dm i c r o f l u i d i cs y s t e m sh a v ea t t r a c t e db r o a di n t e r e s ti nr e c e n ty e a r sa sa m a j o rf o r mf o rr e a l i z i n gt h el a b o n - a - c h i p ，o rg t a sc o n c e p t ，w h i c ha i m st op e r f o r m s a m p l ei n t r o d u c t i o n ，p r e t r e a t m e n t ，r e a c t i o n ，s e p a r a t i o na n dd e t e c t i o no p e r a t i n ga l li n s i n g l ec h i p t h ep r e s e n tw o r kw a sf o c u s e do nd e v e l o p i n gn o v e lf a b r i c a t i o na n d s a m p l ei n t r o d u c t i o nt e c h n i q u e sf o rm i c r o f l u i d i cc h i p s t h ef a b r i c a t i o nf o rm i c m e h i p s i st h eb a s ea n dp r e c o n d i t i o nf o rs t u d i e so nm i c r o f l u i d i cc h i p s t h ec u r r e n ts t u d i e so n s a m p l ei n t r o d u c t i o nf o rm i c r o f l u i d i cc h i p sa r er e l a t i v ew e a ka n ds h o u l db ei m p r o v e d i nt h ef i r s tc h a p t e r , t h ed e v e l o p m e n t so nf a b r i a c t i o na n ds a m p l ei n t r o d u c t i o n t e c h n i q u e sf o rm i c r o f i u i d i cc h i p sw e r er e v i e w e d ， i nt h es e c o n dc h a p t e r ，as i m p l ea n dn o v e lb o n d i n gp r o c e s sa tr o o m & l o w t e m p e r a t u r e ( 8 0 - - 1 0 0 ) w a sd e v e l o p e df o rt h ef a b r i c a t i o no fg a l s sm i c m f l u i d i c c h i p s h i g hq u a l i t yb o n d i n gw i t hh i g h e rt h a n6k g t c m xb o n d i n gs t r e n g t hw a sa c h i e v e d u n d e rh y d r o l y z e dl a y e rc o n d i t i o n sp r e s e n t e do nt h ep l a t es u r f a c e sa l t e rs o a k i n gt h e s u b s t r a t e si na c i do rw a t e rf o re x t e n d e dp e r i o d si nt h er o u t i n el a b ，w i t h o u tt h e r e q u i r e m e n to fc l e a nr o o mf a c i l i t i e s ，o rs p e c i a lf a c i l i t i e ss u c ha sp r o g r a m m e d h i g h - t e m p e r a t u r ef u r n a c e s t h i sb o n d i n gp r o c e s sf e a t u r e ss i m p l eo p e r a t i o n ，g o o d s m o o t h n e s so ft h ep l a t es u r f a c e ，a n dh i g hb o n d i n gy i e l d ( 9 5 ) m i e r o f l u i d i cc h i p s b o n d e db yt h i sp r o c e s sw a sa p p l i e di nc h i p - b a s e dc a p i l l a r ye l e c t r o p h o r e s i s ( c e ) s y s t e mf o rs e p a r a t i o no f a m i n oa c i d s i nt h et h i r d c h a p t e r a c o n t i n u o u ss a m p l ei n t r o d u c t i o n s y s t e mf e a t u r i n g f a l l i n g - d r o pi n t e r f a c ef o rc h i p b a s e dc es y s t e m sw a sd e v e l o p e d t h ef a l l i n g - d r o p d e s i g na l l o w e de l e c t r i c a li s o l a t i o no f t h ec ec h i pf r o mt h es a m p l ei n t r o d u c t i o ns y s t e m t w o f a l l i n g d r o pi n t e r f a c ed e s i g n sw e r ee m p l o y e da n dt h eo p e r a t i n gc o n d i t i o n sw e r e o p t i m i z e d t h ef a l l i n g d r o pi n t e r f a c e sw e r ea p p l i e dt op e r f o r mc o n t i n u o u ss a m p l e i n t r o d u c t i o na n dc h i p - b a s e dc ef o ra m i n oa c i d s i nt h ef o u r t hc h a p t e r ，am i c r o f l u i d i cc h i p b a s e dc es y s t e mw i t hi n t e g r a t e d s a m p l ei n t r o d u c t i o ns y s t e mw a sd e v e l o p e d ad i f f f u s e r n o z z l ev a l v e l e s sm i c r o p u m p w a si n t e g r a t e d 、i t l lt h ec ec h i pf o rt h ef i r s tt i m e ，s e r v e da sd r i v i n gs o u r c ef o rs a m p l e i n t r o d u c t i o no n c h i p t h eo p e r a t i n gc o n d i t i o n sf o rm i c r o p u m pa n ds a m p l e i n t r o d u c t i o ns y s t e mw e r eo p t i m i z e d t h ep r e s e n ti n t e g r a t e ds y s t e mw a s a p p l i e di nc e s e p a r a t i o nf o ra m i n oa c i d st od e m o n s t r a t et h ep e r f o r m a n c e k e y w o r d s ：m i c r o f l u d i cc h i p ；g l a s sc h i p ；l o w - t e m p e r a t u r eb o n d i n g ；r o o m t e m p e r a t u r e b o n d i n g ；f a l l i n g d r o ps a m p l ei n t r o d u c t i o ni n t e r f a c e ；d i f f u s e r n o z z l em i c r o p u m p ； i n t e g r a t i o no nc h i p ；c a p i l l a r ye l e c t r o p h o r e s i s ；s e p a r a t i o no f a m i n oa c i d s 第一章绪论 1 1 前言 自1 9 9 0 年由瑞士的m a r l z 和w i d m e r 提出微全分析系统( m i n i a t u r i z e dt o t a l a n a l y s i ss y s t e m s ，肛1 a s ) 的概念【l 】以来，短短十五年时间内，该技术已经取得了 极大的发展和令人瞩目的成果。t t t a s 或“芯片实验室”( l a b o n a c h i p ) 的目标 是借助微机电加工( m e m s ) 技术、化学与生物技术实现化学分析系统从试样处 理到检测的整体微型化、集成化，最大限度地将分析实验室的功能转移到便携设 备中，甚至集成于方寸大小的芯片上。其优点包括：分析速度快、试样和试剂消 耗染少( 微升级以下) 、分析系统体积小、自动化和集成化程度高等，在集成化 基础上可制成便携仪器用于现场分析。 i t t a s 的研究符合化学分析仪器的发展潮流。鉴于其重要的地位，美国a n a l c h e m 在每两年一次的基础综述中连续两次对其进展进行了综述【2 - 4 1 ，它已经发展 成为分析化学研究的热点领域，成为当前分析化学研究的前沿技术之一f 5 】。 微流控芯片( m i c r o f l u i d i ec h i p ) 分析是1 a s 或芯片实验室领域中的重要组 成部分，是当前以a s 最活跃的领域和发展前沿。它以微机电加工( m e m s ) 技 术为基础，以微通道网络为结构特征，通过对微流体的操纵和控制，目标是在芯 片上实现分析实验室的所有操作，包括取样、试样引入、前处理、反应、分离和 检测等。 本论文的主要内容是进行有关微流控芯片加工技术和微流控芯片连续试样 引入技术的研究。微流控芯片的加工是一切微流控芯片分析研究的前提和基础， 进行微流控芯片加工技术的研究，不仅可为后续的微流控分析研究提供一个成熟 的研究平台，同时，对促进微流控芯片分析研究的普及及其技术的广泛应用，亦 具有重要意义。微流控芯片系统中试样引入技术的研究是目前微流控芯片研究中 亟待加强的领域。以往的研究多集中于芯片上试样反应、分离和检测部分，较少 进行试样引入系统的研究。致使芯片试样引入技术已成为目前微流控分析发展的 一个薄弱环节，也成为制约该技术实用化的瓶颈之一，使得芯片分析速度快的主 要优势难以在实际应用中得到充分的发挥。从2 0 0 1 年开始，历届国际l a t a s 会 议均增设了外界与芯片接口( w o r l d t o c h i pi n t e r f a c i n g ) 的交流专题，此问题的 重要性由此可见一斑。 本章详细综述了相关方向上国内外研究发展的现状，主要包括玻璃基质微流 控芯片的加工技术和微流控芯片试样引入技术方面的进展。 1 2 玻璃基质微流控芯片的j ut 1 2 1 引言 微流控分析芯片根据其使用材料的不同，主要分为硅芯片、石英芯片、玻璃 芯片、高聚物芯片、复合材料芯片( 硅一玻璃、硅一石英、玻璃一高聚物) 等。硅 材料具有良好的化学惰性和热稳定性，其微细加工技术已趋成熟，因而首先被用 来制作微流控分析芯片。但硅材料易碎、价格贵、不透光、电绝缘性能不够好及 且表面化学行为较复杂，这些缺点限制了它在微流控芯片中的广泛应用。玻璃和 石英有很好的电渗性质和优良的光学性质，且它们的表面性质，例如湿润能力、 表面吸附和表面反应性等，都有利于使用不同的化学方法对其进行表面改性。使 用光刻和蚀刻技术可以将微通道网络刻在玻璃和石英上，因此玻璃肛埘和石英材 料“1 。“1 已广泛地应用于制作微流控芯片。相对玻璃芯片而言，石英基质芯片适合 表1 1不同芯片材料的优缺点【1 5 】 单晶硅具有化学惰性和热稳定性 加工工艺成熟，可使用光刻和 蚀刻等制各集成电路的成熟工 易碎价格贵 不能透过紫外光和可见光 电绝缘性眈不好 艺进行加工及批量生产表面化学行为较复杂 有机聚合物成本低、品种多不耐高温 能通过可见和部分紫外光导热系数低 可用化学方法进行表面改性 表面改性的方法待进一步研究 易于加丁，可通过铸造成型，激光 溅射等方法得到深宽比大的通道 型鏖盐厶量生亡 进行紫外检测，但其芯片成本高于玻璃芯片1 0 倍，加工难度较高。利用高分子聚 合物材料制成芯片尽管具有种类多、可供选择余地大、加工成型方便、价格便宜 等优点，但是难以实现低波长下的试样检测，一般更适合于一次性微流控芯片的 大批量制作。复合材料因为其材料的复杂化，更多的处于研究和开发中。玻璃芯 片因为其低成本和良好的性能，以及日趋成熟的加工技术，成为现今商品化微流 控分析芯片的主流，如1 9 9 9 年a g i l e n t 公司与c a l i p e r 联合研制出首台微流控芯片商 品化仪器- - b i o a n f l y z e r2 1 0 0 ，可提供用于核酸及蛋白质分析和细胞分析的7 8 种玻璃基质芯片。表1 1 列出了不同芯片材料的主要优缺点。 玻璃基质微 流控芯片加 工方法 图1 1 玻璃微流控芯片加工的主要步骤【l 6 】 通常玻璃芯片的加工方法采用光刻和化学蚀刻技术完成，步骤包括：图形设 计、掩模制作、光刻( 1 i t h o g r a p h y ) 、蚀刻( e t c h i n g ) 和键合( b o n d i n g ) 等 1 6 - 1 7 如图1 1 所示。以下将按此顺序加以详细综述。 1 2 2 玻璃微流控芯片的加工步骤 1 2 2 1 光刻掩模的制作 光刻掩模的基本特性是当光线照射其上时，图形区和非图形区对光线的吸收 和透射能力不同。光刻掩模在光刻中的作用如图1 2 所示。通过曝光成像的原理， 可将光刻掩模上的图形转移到基片表面的光胶层上。 照射光线 一掩横图形 一光艘圈骺 图1 2 掩模在光刻中的作用1 8 1 对掩模有如下要求： 掩模的图形区和非图形区对光线的吸收或透射的反差要尽量大 掩模的缺陷如针孔、断条、桥连、脏点和线条的凹凸等要尽量少 掩模的图形精度要高 通常用于微电子行业的掩模材料有镀铬玻璃板或镀铬石英板，在它们表面均 匀地涂上一层对光敏感的光胶。用计算机制图软件绘制微流控芯片的设计图形， 再通过专用的接口电路控制图形发生器进行光刻，可在掩模材料上得到所需的图 形。图形发生器相当于一架特殊的照相机。与一般照相机不同的是这种照相机并 不是由外界物体的光线通过物镜在底片上成像，而是接受来自计算机的输入数据 成像。用图形发生器加工的掩模，线宽和线距的精度能达到o 5p j n ，可以满足 微流控分析芯片的加工要求。由于设备的昂贵，一般科研单位均需通过外协解决 掩模的制作问题。 由于微流控芯片的分辨率远低于大规模集成电路的要求，近来报道了使用 了简单的方法和设备制备掩模的方法【1 9 2 0 1 ，用微机通过c a d 等软件将微结构的 设计图转化为图像文件后，用高分辨率的打印机将图像打印到透明薄膜上，此透 明薄膜可作为光刻用的掩模，基本能满足线宽和线距大于2 00 m 的微流控分析芯 片对掩模的要求。 1 2 2 2 基片上的薄膜沉积 在加工微流控芯片时，需要在基片上沉积各种材料的薄膜作为刻蚀时的牺牲 层。对于玻璃微流控分析芯片来说，制造加工薄膜的主要方法有蒸发【2 ”和溅射 1 2 1 - 2 2 。 在真空环境中加热金、铬、铝、硅等单质或三氧化二铝、二氧化硅等化合物， 使它们气化产生气态原子或分子沉积在基片表面形成薄膜，这种制造薄膜的工艺 叫蒸发。在蒸发镀膜时，基片不停地旋转，以保证薄膜的均匀度。按加热方式的 不同，可分为电阻加热和电子束加热两种。电阻加热真空蒸发的设备简单，但可 能引起杂质污染，沉积厚度也薄。电子束加热是将热灯丝发出的电子经1 0 一1 5k v 电场加速后轰击熔融蒸发料。它制造的膜质量较好，沉积速度快( 5 0 一5 0 0 n m m i n ) 。电子束加热真空蒸发系统较复杂。需要冷却系统来控制作为靶子的蒸 发料的温度。由于高能粒子轰击靶材料会产生x 射线，因此要采用适当的防护措 施。 溅射方法已广泛地用于在基片上沉积铝、钛、铬、铂、钯等金属薄膜和无 定形硅、玻璃、压电陶瓷等非金属薄膜。用溅射法制造的薄膜均匀性好、可瞳覆 盖有台阶的表面，内应力小。现已在很大程度上取代了蒸发镀膜。溅射镀膜的原 理是在真空室内使微量氨气或氦气电离，电离后的离子在电场的作用下向阴极靶 加速运动并轰击靶，将靶材料的原子或分子溅射出来，在作为阳极的基片上形成 薄膜。根据激发离子的机理，溅射又可分为直流溅射，射频溅射和磁控溅射。直 流溅射使用直流辉光放电装置，在大面积的阳极和阴极平行放置的真空容器内， 通入氩气后，在两电极中加上直流高压，使氩气发生辉光放电生成a r + ，a r + 轰 击阴极靶材料，从靶材料中溅射出的原子或分子，以一定的速度沉积在阳极的基 片上。在射频溅射中，在靶阴极上施加射频，使氩气形成等离子体。等离子体随 射频的变化周期性地轰击阴极靶材料，从靶材料中溅射出的原子或分子沉积到置 于阴极对面的阳极基片上形成薄膜。直流溅射只能沉积金属，而射频溅射可以沉 积金属、半导体和玻璃陶瓷等各种材料。磁控溅射的特点是电场和磁场的方向相 互垂直，电子在正交磁场的空间作摆线运动，从而增加了电子的运动行程，即增 加了电子与气体原子碰撞几率，使离子流密度大大增加，提高了溅射效率，进而 提高了溅射粒子的沉积速度。 1 2 2 3 光刻 光刻操作的目的是将掩模上的微流控芯片设计图案转移到待加工基片表 面，包括三个主要步骤：用甩胶机在基片表面均匀地涂布一层对光敏感的有机聚 合物乳胶光胶；用光刻机通过曝光将光刻掩模上图案转移到光胶层上；用显 影液溶解去掉未曝光的光胶层( 负光胶) 或已曝光的光胶层( 正光胶) 。 角光胶-正光胶b 溉滋 儿j 光束光束j jj 泣基片圆 非溶性、参溶性 施滋 图1 3正负光胶的曝光变化1 目 ( a ) 负光胶；( b ) 正光胶 曝光 显影 光胶材料大多是有机聚合物光敏材料，分散在溶剂中形成悬浮液，甩胶后加 热烘干得到光胶层，其厚度多为o 5 2 0 岬。当光照射时，光胶层发生交联或 降解两种反应。交联反应就是在相邻的聚合物链之间产生化学键，在整个辐照区 形成一个大分子。降解反应是光胶大分子分裂成小分子。凡是在光束辐照下，交 6 联反应占主导地位的光胶叫负光胶。曝光过的负光胶，由于分子量变大而使得溶 解度降低，成为非溶性，如图1 3 ( a ) 所示。没有曝光过的负光胶，由于没有发 生交联反应，在显影时被溶掉。曝光时，降解反应占主导地位的光胶称正光胶。 在显影时，曝光过的正光胶由于分子量变小而使得溶解度增大而溶去，如图1 3 ( b ) 。 在实际光刻工艺中，常使用牺牲层技术，即在基片上沉积上一层薄膜作为牺 牲层，在牺牲层上再涂布一层光胶，从而提高刻蚀时的选择性，更好地保护基片 表面在刻蚀不被侵蚀。在基片上的微结构加工完毕后，用适当的化学试剂将牺牲 层除去。 光刻工艺具体操作步骤如下f 2 2 】： ( a ) 仔细地将基片洗净。 ( b ) 在于净的基片表面镀上一层牺牲层，用玻璃、石英作为基片时，在 其表面常镀上一层铬作为牺牲层。 ( c )用甩胶机在牺牲层上均匀地涂覆一层数十纳米厚的光胶，光胶的实 际厚度与其粘度有关，并与甩胶机的旋转速度的平方根成反比。 ( d ) 在光刻掩模上制备所需的微流控芯片的设计图形。将光掩模覆盖在 基片上，用光刻机光源发出的紫外光透过光掩模照射涂有光胶的基片，光 胶发生光化学反应。 ( e ) 用光胶配套显影液除去经曝光的光胶( 正光胶) 或未经曝光的光胶( 负 光胶) 。 用光刻机曝光时有三种方式可供选用：接触式曝光方式，接近式曝光方式和 投影式曝光方式 1 8 , 2 2 ( 如图1 4 所示) 。 接触式曝光是将掩模与待加工基片的光胶层直接接触进行的曝光，如图1 4 a 所示。掩模和基片通过机械装置压紧或通过真空吸住等方法实现两者紧密接触。 这种曝光方式的优点是设备简单、造价便宜。由于掩模与光胶层紧密接触，所以 像差小，分辨率较高，约l 一2t t m 。但是，这种曝光方法的缺点是掩模与基片紧 密接触，容易损坏掩模与光胶层。通常，一块掩模只能用1 0 次到2 0 次。非接触 式光学曝光技术是指掩模和基片上的光胶层不直接接触实现图形复印曝光的方 7 法。常用的有图1 4 b ，c 所示的接近式和投影式两种方式。这二种方法可以克服 接触式曝光那种容易损坏掩模和基片的缺点。但接近式方式由于光的衍射效应会 使图形的分辨率下降。 光胶层 硅片 l o 落境 、 1 o 醐 当磐：孽竺苎虽掣 图1 4 三种曝光方式 ( a ) 接触式；( b ) 接近式；( c ) 投影式 使用透镜系统的投影式方法曝光均匀，没有色差、象差，最小线宽为0 5 ：k n a ( n a 为镜头的数值孔径) 。可以进行缩小投影曝光，因此掩模的尺寸可比基片 大很多倍，有利于获得比掩模线条精度高的光刻精度。但投影式曝光装置价格昂 贵。 1 2 2 4 刻蚀 在光刻过的基片上，可通过湿法刻蚀【2 l 】和干法刻蚀川的方法，将光胶层上的 平面二维图形加工成具有一定深度的立体结构。为了达到向下刻蚀的目的，首先 利用未曝光光胶的保护作用，选用合适化学腐蚀剂，除去已曝光处的牺牲层。例 如玻璃基片上的铬薄层可以用硝酸铈铵和高氯酸的混合液除去。然后，利用来曝 光光胶和牺牲层共同的保护作用，在基片主体上刻蚀一定深度的微结构。根据所 选刻蚀剂的不同，可分为湿法刻蚀和干法刻蚀。湿法刻蚀时，所用的刻蚀剂为水 溶液，例如，在刻蚀玻璃和石英时常用含氢氟酸的溶液。干法刻蚀的刻蚀剂是等 离子体，在等离子体中，游离基的化学性质十分活泼，利用它和被刻蚀材料之间 3 的化学反应，达到刻蚀的目的。 湿法莉蚀 目前，文献报道的硅、玻璃和石英等材料的刻蚀多采用湿法刻蚀技术 1 7 , 2 3 - 2 8 】， 其程序通常为： ( a ) 利用未曝光的光胶的保护作用，用硝酸铈铵和高氯酸混合溶液可除去玻 璃、石英表面的铬层。 ( b ) 利用光胶和牺牲层的保护作用，使用含氢氟酸的刻蚀剂在基片上刻蚀所需 的通道。此过程历时数分钟到数小时不等，通过控制刻蚀时间可控制刻蚀深度。 玻璃的硬度、刻蚀剂的浓度、温度、搅拌程度等因素会影响刻蚀速率。 ( c ) 刻蚀结束后，除去光胶和牺牲层，即可在基片上得到所需构型的微通道。 采用含氢氟酸的刻蚀剂，如h f h n 0 3 1 7 , 2 9 ，h f n h 4 f 1 7 , 3 0 ，对玻璃和石英基 片进行刻蚀时，回得到各向同性的刻蚀效果，见图1 5 3 1 1 。通道刻蚀得越深，通 道宽度也越大，导致通道上宽下窄，例如，1 0 “m 深的通道，上宽为4 8i x m ， 下宽为3 2 岬【2 4 】。 图1 5 各向同性刻蚀产生的通道横截面形状f 3 1 】 在刻蚀保护层方面，s i m p s o n 等【3 2 】在s c h o t t b o r o f l o a t 玻璃上镀1 0 0a c r 2 0 0 0 aa u 作为保护层，可得到刻蚀深度高于1 5 岬的高质量通道；汤扬华等【3 3 j 用 p y r e x 玻璃上镀c r 和8 2 5 胶层作为保护层来代替c r a u 层，但需在超净室进行， 9 成本高。殷学峰等【3 4 1 选用商品匀胶铬板，以表面的1 4 5n n l 厚c r 层和5 7 0 啪厚 a z 一1 8 0 5 光胶层为保护层，在5 0 的刻蚀液中刻蚀，刻蚀速度为2t a m m i n ， 光胶和铬层尚未脱落，芯片质量良好。但刻蚀超过3 0m i n ，光胶层和铬层开始剥 落，造成玻璃表面针眼出现并增多，影响了微通道的刻蚀质量。另外，殷学峰等 p 4 j 还观察到，如在湿法刻蚀时仅用铬层作为保护层，会在通道上产生毛刺，影 响通道的刻蚀质量。这可能是铬层内应力较高，致使通道处铬层在刻蚀时发生局 部脱落而产生的。而保留铬层上的光胶层，利用其粘合作用，可以使通道处铬层 不再脱落，保证刻蚀的质量。图1 6 为产生毛刺的刻蚀通道与刻蚀良好的通道的 s e m 照片对比p 。 ( a ) 铬为保护层( x 3 0 0 ) i 矧( b ) 铬和光胶为保护层( x 2 0 0 ) 图1 6 不同保护层的刻蚀通道s e m 图( 括号内为照片放大倍数) 如何在刻蚀后获得表面光滑的通道，也是湿法刻蚀技术研究的内容。李国宾 等p l 】改进刻蚀步骤，用1m 盐酸溶液作为抛光酸液。在刻蚀过程中，每刻蚀5 r a i n ，就将基片取出，浸入lm 盐酸溶液1 0s ，将通道表面生成的不溶盐c a f 2 和m g f 2 转化为可溶盐c a c l 2 和m g c l 2 ，以保证刻蚀的均匀性。然后将h c i 溶液 用去离子水冲洗，继续进行刻蚀。采用上述方法刻蚀深度为3 5 9 5 o 3 9 岫的通 道，费时4 0 m i n ，通道侧壁表面粗糙度小于4 5 9 5 - t - 7 9 6 a 。见图1 7 【3 1 1 。 1 0 图1 7 改进刻蚀步骤加工微通道s e m 图【3 l l a 通道图；b 局部放大图 于法捌蚀 干法刻蚀包括等离子体刻蚀、反应离子刻蚀等。等离子体刻蚀是一种以化学 反应为主的干法刻蚀工艺，刻蚀气体分子在高频电磁场作用下发生碰撞，产生由 离子( 如s f x 十) 、自由电子、分子和中性的游离基组成的等离子体。常用的刻蚀 气体有s f 6 、c f 4 、c 1 2 、c c l f 3 和n f 3 等f 系和c l 系气体。等离子体中的游离 基化学性质十分活泼，利用它和被刻蚀材料之间的化学反应，达到刻蚀微流控芯 片的目的。 在反应离子刻蚀方法中，如果除了游离基化学腐蚀外，还有带电离子的轰击 作用，从而提高对基片的刻蚀速率。根据所要刻蚀的材料选择某种气体或混合气 体进入离子源室被电离化，经离子光学系统成为离子束。反应气体离子束轰击材 料除了直接溅射外，同时与表面受轰击原子起化学反应，形成刻蚀产物脱离材料 表面。反应离子刻蚀的刻蚀速率比单纯的等离子体刻蚀更高，可实现各向异性刻 蚀。同湿法刻蚀相比，采用干法刻蚀玻璃芯片，通道刻蚀效果更好，但设备成本 较高，刻蚀速度慢，通常等离予体和反应离子刻蚀速率约为o 1 一o 5p m m i n p ”。 1 2 2 5 芯片钻孔 刻蚀有通道的基片在进行芯片键合前，需在微通道上的适当位置钻孔，做为 键台后芯片上试剂、试样及缓冲液的引入和引出通道。在普通台钻上采用金刚砂 磨头可以在玻璃芯片上钻孔3 2 】。该方法所需设备简单价廉，钻孔速度较快，但 钻孔质量受钻头质量影响很大。玻璃基片也可采用超声波打孔器钻孔。所钻孔洞 边缘清晰，玻璃表面无损坏和裂痕，可以多片玻璃同时钻孔【3 5 1 。也可利用激光 在玻璃基片上打孔，但打孔时会产生微裂痕，并易在玻璃表面留下很多玻璃微粒。 这些玻璃微粒需在键合前通过抛光除去【”】。此外，采用高速旋转的小内径( 如 0 5r a i n 直径甚至更小) 麻花钻头，也可在玻璃基片上钻孔，但其钻孔速度较为 缓慢1 3 6 j 。 1 2 2 6 芯片键合 玻璃芯片的键合是其n t 过程中较为关键的步。常用的方法主要有热键 合、阳极键合和低温键合。无论采用何种键合方式，基片在键合前均需进行严格 的清洗。刻蚀后玻璃基片表面会残留较多的有机物和无机颗粒、尘埃等，煮接造 成表面的平整出现不均匀，粗糙度不一致，在键合时导致结合界面产生衍射纹， 不能紧密贴合而导致键合失败。一般来说，针对玻璃表面存在的物质，清洗试剂 也不同。有机试剂如甲醇、乙醇和丙酮等用来清除表面的光胶残余和碎玻璃，超 纯水用来冲走表面的尘埃和其它试剂，硫酸类氧化性酸或h 2 0 2 用来去除表面的 有机物等。有关文献甚至报道了用日用清洁剂来清洗芯片，也获得了满意的效果 3 7 1 。另外，多篇文献 3 7 = 4 0 l 报道了采用h 2 s 0 4 + h 2 0 2 ( 体积比根据实际情况调整， c l e a n i n g l o r g a n i cs o l v e m ( a c e t 。n o - - m o t h a n 0 1 ) id 1 w ( d e i o f i i z e d 、财) jh x s 0 4 + 殛0 2 i l d i w l d h f ( d u t e a l - i f ) i d 1 w 图1 8 芯片清洗过程【3 8 】 多为3 ：l 或5 ：1 ) 或者单独使用硫酸【4 l 】做氧化性清洁试剂。也有报道采用 n h 4 0 h + h 2 0 2 4 2 1 处理的方法，除了具有清洁作用外，还有促进玻璃表面水化层形 成的作用，对键合有利。这些清洁手段多按定次序组合起来，结合一些设备进 行芯片清洁工作。如w a n g 等t 4 2 1 报道的芯片清洗和键合步骤为；丙酮中超声5m i n ； 7 0 下，在n n 4 0 n n 2 0 2 h 2 0 ( 2 ：l ：3 ) 溶液中水化处理至少2 0m i n ，超纯水冲洗 后用m 气吹干。典型的清洗步骤还见于n a k a n i s h i 等1 3 8 】的报道，如图1 8 所示。 热键合( 高温键合) 热键合也叫高温键合，其原理使将贴合在一起的基片和盖片，放到高温炉中 加热到退火温度，界面上发生以下化学反应而键合在一起。 s i o h h o s i s i - - o s i + h 2 0 ( 1 一1 ) 玻璃和石英材质的微流控芯片一般使用热键合方法键合。m a t h i e s 研究组阻1 报道的高温键合方法是：将加工好的基片和相同材质的盖片洗净烘干，对齐紧贴 后平放在高温炉中，在基片和盖片上下方各放一块抛光过的石墨板，在上面的石 墨板上再压一块重0 5k g 的不锈钢块，在高温炉中加热键合。玻璃芯片键合时， 高温炉升温速度为1 0 * c r a i n ，在6 2 0 时保温3 5h ，再以1 0 * c m i n 的速率降温。 玻璃芯片键合温度通常在5 0 0 - - 6 2 0 【4 3 】，石英芯片则高达1 0 0 0 以上。 虽然目前多数玻璃芯片键合常采用热键合方法 2 3 , 4 1 删，但该法还存在操作复 杂，成品率低的局限性。而且因为在表面加压块，使芯片外表面的光洁度和平整 度受损，有时还会导致内部通道塌陷。此外芯片键合对工作环境洁净度的要求也 较高，一般都需要在超净环境下进行。殷学蜂等【4 1 1 报道一种在普通的化学实验 室中进行的芯片高温键合方法，不需使用超净工作间，将洗净的基片和盖片在局 部超纯水环境中直接贴合，用小夹子将芯片四角固定后进行真空脱水，使用打磨 过的合金钢等做压块，进行高温( 5 8 0 - - 6 2 0 ) 键合。热键合的缺点还在于不 能用于装有温度敏感材料、电极和波导管芯片的键合，也不能用于不同热膨胀系 数材料的键合【4 2 】。 阳极键台 阳极键合是在玻璃和石英芯片键合中采用的方法。在键合过程中，施加电场， 使键合温度低于软化点温度，以防止热键合过程中可能发生的通道变形甚至塌陷 现象。如图1 9 所示为阳极键合的实验装置，它首先被用于钠玻璃和硅片的键合 2 1 j 。 电流 图1 9 阳极键合试验装置图【2 据文献报道m 】，在玻璃表面沉积上一层薄膜材料如多晶硅、氮化硅等作为 中间层，在约7 0 0 v 的电场下，升温到4 0 0 时，可使两块玻璃片键合；在5 0 0 - - 7 6 0v 电场下，升温到5 0 0 时，可使两块玻璃片键合而不需在玻璃表面沉 积中问层1 4 5 】。阳极键合法通过掩加外加电场，辅助芯片热键合过程，可降低热 键合温度。提高芯片键合成功率和芯片表面光洁度。但其设备和操作较为复杂， 影响了其方法的普及。 低温键合 低温键合是相对高温键合而言的，通常指在1 0 0 以下甚至室温下进行的 芯片键合。因为高温键合存在种种不利因素，促使许多研究人员开始进行玻璃芯 片低温或室温键合技术的研究。 目前文献报道的玻璃芯片低温键合技术，多数通过使用粘合剂的方法实现芯 片的键合。1 9 9 7 年，w a n g 等心1 报道了用硅酸钠作粘合剂的玻璃芯片低温键合技 术，可降低玻璃键合温度至9 0 。其主要过程为：将玻璃玻璃基片和盖片洗净 并干燥；然后将稀硅酸钠溶液涂于盖片上，4 0 0 0r p m 转速下旋转1 0s ，立即将盖 片与基片贴合，于9 0 下退火lh 或室温下过夜即完成键台。但如果在贴合的玻 1 4 璃之间水分过多，则会因残余水分的存在使键合失败。该键合过程的键合机理应 与硅酸钠中间层和玻璃表面形成硅氧烷键有关一一饱和硅酸钠溶液中存在以下 水解平衡： s i o ；一+ 1 t 2 0 = h s i o i + o h 。 ( 1 2 ) h s i o ；+ 2h 2 0 s i ( o h ) 4 + o h 一 ( 1 - - 3 ) p h 比较高时( 9 ) ，溶液中的硅酸盐主要以s i o ；一态存在。当饱和硅酸钠溶 液稀释后，溶液中o h 一离子浓度因稀释而减少，p h 值相对下降，硅酸盐水解形 成s i ( o h ) 4 。而过饱和态的s i ( o h ) 4 不稳定，将与玻璃表面的- - o h 基发生缩聚反 应。因此，紧密贴合的两片玻璃首先在其亲水性内表面上通过水化产生的一0 h 基形成氢键，然后在退火过程中和s i ( o h ) 4 发生脱水缩聚反应形成牢固的硅氧烷 键。 采用该低温键合技术加工的玻璃芯片，在电渗流性能、绝缘性能( 4 0 0k v c m ) 和机械强度( 表面能2 7j m 2 ) 方面，达到与高温键合芯片相当的水平，可应 用于常规芯片电泳操作，也可以在键合前进行表面化学改性，这是高温键合方法 所做不到的。 图1 1 0h f 粘合剂式低温键合法示意卧3 s 】 同年，n a k a n i s h i 等3 8 峙艮道了以h f 溶液为粘合剂的压力辅助低温键合技术， 用1 h f 稀溶液滴入洁净的两玻璃片或石英片之间的缝隙中，靠毛细作用使h f 溶液在界面上均匀分布，在室温下施加4 0g f c m 2 压力，2h 即可键合成功，或温 度升高至6 0 。c ，1h 即可完成键合。键合完毕后在去离子水中超声清洁并干燥， 见图o 和1 1 1 。该技术所得的芯片具有足够的键合强度( 可承受0 2m p a 的压 力) 和密封性能，且光学性能良好。芯片用于电泳分离，理论塔板数达2 5 0 0 。 图1 11n a k a n i s h i 等【3 8 】报道的 环法键合过程 s a y a h 等【3 9 j 在1 9 9 9 年又报道了两种压力辅助的低温键合方法。种方法是 在已清洁的玻璃基片上涂1u m 厚的环氧胶，在8 0 加热至胶开始固化的程度， 目的是一方面可以使胶仍然比较软，不妨碍后面的键合，另一方面使胶粘度较高 而不致流入微通道内；然后将另一片玻璃与之紧密贴合，在1m p a 的压力和9 0 条件下使胶完全固化来完成键合，加压的目的是使键合均匀。图1 1 2 为键合界 面的扫描电镜照片( s e m ) 。这种方法潜在的缺点是键合界面上的环氧胶可能会 对化学分析产生干扰。因此，另一种改进方法是在1 0 0 - - 2 0 0 ，加高压1 5h 使 之直接键合，压力最高达5 0m p a 以上。其步骤为：首先将清洁后的两片玻璃立 即贴合，在整个玻璃的背面施加压力，一方面使玻璃紧密贴合而使界面上的分子 问力发挥作用，另一方面产生玻璃表面的微小形变，有效消除因玻璃表面平整度 和粗糙度不好而在键合界面上出现的空隙；然后在连续加压的条件下，将芯片于 特定的温度下退火处理。其键合强度随键合时间的增加而增强，直至达到恒定。 一般加压退火1 2h 后达到最大键合强度。其主要键合机理是待键合表面的s i o h 基在键合界面上发生缩聚反应形成了s i o s i 共价键。该低温键合技术得 到的芯片键合强度可达1 0m p a ，优于已报道的h f 辅助的和等离子体辅助的键 1 6 合技术。 图1 1 2s a y a h 等【3 9 】报道的环氧胶低温键合芯片剖面图 h a r r i s o n 研究组1 37 】在2 0 0 0 年报道一种室温键合方法，在保持严格超净环境 下，使用专门的高压水清洗器以循环的方式彻底清洗基片和盖片后，将芯片吹干， 然后在室温下紧密贴台在一起，施加较低的压力实现直接键合。如键合不成功还 可以打开熏新处理后再次键合。该室温键合技术脱离了粘合剂恩路的限制，得到 的芯片能够承受常规的芯片处理，并能长期用于电泳分析达两年之久。在6 8k v 的高电压下，分离荧光染料f i t c 的理论塔板数达9 0 ，0 0 0 ，与高温键合芯片分离 的结果相当( 理论塔板数达1 0 0 ，0 0 0 ) 。该键合技术适用于材质范围比较广泛的 同型或异型玻璃材料的室温键合，降低了键合对玻璃芯片间热膨胀系数匹配的要 求。 此外，h u a n g 等人【4 0 】在2 0 0 1 年报道了一种采用紫外固化胶( u v - e u r a b l e g l u e ) 的室温键合技术，在基片微通道附近额外加工了胶引导管路( 如图1 1 3 b ) ，引 入胶后，将芯片贴合，放在适当波长的紫外灯下使胶固化来完成键合。如图1 1 4 所示为芯片键合示意图。该技术也适用于不同材料的芯片键合。采用该室温键合 技术得到的芯片成功用于小分子荧光物质的电泳分离，并在通道壁表面修饰处理 后进行了d n a 片断的分离。 上述报道的低温键合技术多数对工作环境洁净程度和设备的要求很高，一定 程度上限制了其方法的普及和应用。 a b 图1 1 3 紫外固化胶式低温键合芯片构造及键合设计示意图【4 0 】 ( a ) 简单十字通道芯片设计；( b ) 紫外固化胶的芯片键舍设计。 且砌b 血0 图1 1 4 紫外固化胶式芯片低温键合