華中科技大學(xué)機械學(xué)院廖廣蘭教授、劉智勇副教授團隊在國際權威期刊Small Methods上發(fā)表的關(guān)于SAW微流控領(lǐng)域的最新研究成果“Irreversible bonding of polydimethylsiloxane-lithium niobate using oxygen plasma modification for surface acoustic wave based microfluidic application: theory and experiment(基于氧等離子體修飾的PDMS-LiNbO3不可逆鍵合理論以及在SAW微流控中的應用)”被選為封面論文。機械學(xué)院博士生何春華為論文第一作者,廖廣蘭教授、劉智勇副教授為共同通訊作者。
基于聲學(xué)微流控的“芯片實(shí)驗室”是微流控芯片的一個(gè)重要分支,因其結構簡(jiǎn)單、生物相容性好、非接觸操作、無(wú)標記等優(yōu)點(diǎn)廣泛用于生物分子的分離、提取、富集,為基礎研究、診斷和治療提供了理想的平臺。
利用鈮酸鋰(LiNbO3)壓電襯底和聚二甲基硅氧烷(PDMS)微通道構建的SAW(Surface Acoustic Wave,聲表面波)微流控芯片因其優(yōu)異的性能而受到廣泛關(guān)注。
研究人員通常采用熱壓鍵合、膠接粘合、化學(xué)輔助鍵合和等離子鍵合實(shí)現二者的異質(zhì)界面鍵合。然而,熱壓鍵合強度低,膠接粘合、化學(xué)輔助鍵合會(huì )引入介質(zhì)層從而降低聲表面波的傳播,均難以實(shí)現PDMS和LiNbO3之間的高強度高性能鍵合。
等離子鍵合是通過(guò)兩個(gè)活化表面之間形成共價(jià)鍵以達到高強度結合的目的。并且等離子體鍵合不引入中間介質(zhì)層,對流道和聲表面波器件的影響很小,在SAW微流控芯片中具有很大的應用潛力。但是等離子體修飾參數對PDMS和LiNbO3之間結合強度的影響多采用試錯法進(jìn)行經(jīng)驗總結,對兩者鍵合機理的探究較少,不利于工藝參數的優(yōu)化和鍵合效果的持續增強。
在本研究中,研究人員通過(guò)原位監測法和DFT詳細討論并完善了PDMS-LiNbO3等離子體鍵合機制,展示了一種基于氧等離子體修飾的PDMS-LiNbO3不可逆鍵合方法。
結果表明,氧等離子體修飾的表面首先被清潔,然后注入氧離子,最后形成羥基,PDMS和LiNbO3表面的氧離子和羥基會(huì )達到飽和,從而達到最佳的修飾效果。同時(shí),LiNbO3表面的羥基比PDMS表面的羥基更穩定。PDMS和LiNbO3活化表面上的羥基在相互接觸時(shí)反應形成Nb-O-Si共價(jià)鍵,這是成功鍵合的關(guān)鍵。
適當修飾時(shí)間的PDMS-LiNbO3樣品可以完全鍵合,其強度可達到1.1 MPa?;谧顑?yōu)的鍵合參數制備的PDMS-LiNbO3 SAW微流控芯片在最高壓力大于60 psi的泄漏測試中表現良好。
此項工作填補了PDMS-LiNbO3鍵合理論的空白,驗證了氧等離子體修飾的PDMS-LiNbO3高強度鍵合可行性,促進(jìn)了PDMS-LiNbO3異質(zhì)結構在SAW微流控中的實(shí)際應用。
該項工作得到了國家自然科學(xué)基金項目(52275562)以及華中科技大學(xué)機械學(xué)院STAR項目的支持。