PDMS等离子体键合

聚二甲基硅氧烷（PDMS）作为一种高分子聚合物材料，除了具有廉价、加工简便等特点之外，还可以用浇注法复制微结构、能透过可见及部分紫外光、具有生物兼容性等优点，是目前微流控芯片制备中使用较多的一种材料。但PDMS质地柔软，单一用PDMS制作的微流控芯片，不适合应用于对其机械刚度要求较高的场合。采用PDMS、硅、玻璃混合封装的方法可以通过合理设计扬长避短，充分发挥各种材料的优点，以满足不同的使用要求。固化后的PDMS表面具有一定的粘附力，一对成型后的PDMS基片不加任何处理，即可借助分子间的引力自然粘合，但这种粘合强度有限，容易发生漏液。

目前，关于PDMS与硅基材料低温键合的方法多种多样。在制作硅-PDMS多层结构微阀的过程中，将PDMS直接旋涂、固化在硅片上，实现硅-PDMS薄膜直接键合，这种方法属于可逆键合，键合强度不高。在制作生物芯片时，利用氧等离子体分别处理PDMS和带有氧化层掩膜的硅基片，将其键合在一起。此方法实际上是PDMS与SiO2掩膜层的键合，但在硅表面由热氧化法制得的SiO2膜层与PDMS的键合效果并不理想。利用氧等离子体表面处理，使PDMS与带有钝化层的硅片在室温常压下可以成功键合。在利用氧等离子体改性处理实现PDMS与其它基片键合的技术中，一般认为，在进行氧等离子体表面改性后，应立即将PDMS基片与盖片贴合，否则PDMS表面将很快恢复疏水性，从而导致键合失效，因此可操作工艺时间较短，一般为1～10min。而通常在需键合的PDMS基片和硅基片上都会带有相应的微细结构，键合前需用一定的时间进行结构图形的对准，因此，如何使PDMS活性表面的持续时间得以延长，成为保证键合质量的关键。

氧等离子体处理后的PDMS，其表面引入了亲水性质的-OH基团，并代替了-CH基团，从而使PDMS表面表现出极强的亲水性质。同样，由于硅基底通过浓硫酸处理，表面含有大量Si-O键，在氧等离子体处理的过程中，Si-O键被打断，从而在表面形成大量的si悬挂键，通过吸收空气中-OH，形成了Si-OH键。将处理后的PDMS与硅表面相贴合，两表面的Si-OH之间发生如下反应：2Si-OH®Si-O-Si+2H2O。在硅基底与PDMS之间形成了牢固的Si-O键结合，从而完成了二者问不可逆键合。

普遍的观点认为在PDMS与PDMS、PDMS与硅或玻璃的键合工艺中，基片和盖片表面活化处理后，应在1～10min之内将其贴合，否则无法完成共价键结合，目前对此现象较一致的看法是PDMS本体中的低分子量基团迁移至表面，逐渐覆盖表面的-OH基团，随着时间推移，PDMS表面的-OH基团越来越少，最终则导致无法与硅基底粘合。

PDMS成功等离子键合的相关参数

等离子清洗机腔室内的空气污染

等离子室内的气体组分会改变玻璃或PDMS表面上的化学连接。一些杂质(即使有非常低的数量)也会污染样品表面。最常见的污染是来自真空泵或压缩机的油分子。由于等离子体清洗机腔室内的油分子，您可能也会看到和以前出现的等离子体相同的等离子体，但是化学组分发生了变化，因而PDMS不会键合的很牢固。

气体的选择

表面态取决于所使用的气体。腔室内大气等离子体在大多数情况下都可以满足实验需求。有些研究人员喜欢使用纯O2来控制腔室内总的气体组分，但是需要更多的设备及加工过程更加严格。

灰尘

表面上灰尘的存在会阻止玻璃-PDMS的等离子体键合。此外，磁盘上灰尘的位置和大小也会影响PDMS的硬度。第一次清洗，至少需要一个清洁干燥的空气喷射来冲洗磁盘或硅片。当然，也有其它的方法来移除灰尘，您可以使用3M透明胶带来移除表面的颗粒或更为有效的是您还可以把芯片放置在异丙醇溶液(IPA)内并且使用超声波来分离表面和PDMS孔洞内部的不需要的颗粒。为了清洗干净玻璃，可以先后连续使用丙酮、异丙醇、水来进行清洗然后再进行干燥处理。

等离子体的强度及其稳定性

一个良好质量的等离子体的指标通常是它的颜色/亮度(取决于真空度和气体)。因为可能会发生变化，你需要记住的是，如果在相同的参数下，等离子体颜色发生了变化，那么等离子体可能就出现了问题。

处理样品的表面性质

等离子体是可以改变物质表面性质的一种设备，所有的污染都将会高度影响表面处理的最终结果。与流行的看法相反的是对于玻璃-PDMS的等离子键合，更长的处理时间不会改善表面的属性(某些非常特殊的情况除外)，例如脂肪的存在(手印)将会导致有关表面上的处理失败。

等离子体处理时间

时间是表面处理和键合成功的一个关键因素。太短等离子体处理时间不会使整个表面发生功能化而太长等离子体处理时间会强烈的改变PDMS表面的性能。等离子体被激活的时间越长，PDMS表面越粗糙而且还会影响到粘接性能。

等离子体处理后的时间

等离子体处理后，表面的化学键开始重组，而且几分钟后，表面的功能化活性下降从而导致玻璃-PDMS等离子体键合强度下降。鉴于这个原因，必须在等离子体处理后立即做键合，不要在等离子体清洗机放气之后还让样品留在等离子体腔室内，需要快速的将玻璃-PDMS放在一起。

推荐使用机型：石英等离子清洗机TS-PLSY05L，经过大量实验表明利用此机型处理过后的样品能完全达到PDMS芯片的键合要求，处理效果十分明显。