微流控芯片用聚二甲基硅氧烷

微流控芯片

PDMS又称为聚二甲基硅氧烷，是广泛应用于微流体芯片的加工和原型制造的一种有机高分子聚合物（含碳和硅的结构）。除了微流控的应用外，它还被应用于食品添加剂（E900），在饮料或润滑油中被用作消泡剂。

为了制造微流体器件，PDMS与交联剂混合（液体）后倒入微结构化模具中并加热以获得模具的弹性复制品（PDMS交联）。

PDMS的化学特性

化学基础知识

PDMS聚合物的经验式为(C2H6OSi)n，其分段式为CH3[Si(CH3)2O]nSi(CH3)3，n为单体重复数。

依据单体链的大小，非交联的PDMS可以几乎是液体（低n）或半固体（高n）。硅氧烷键形成了具有高水平粘弹性的柔性聚合物链。

“交联”之后

PDMS变为疏水弹性体。 极性溶剂（例如水）难以润湿PDMS（水珠并且不会扩散），从而导至在PDMS表面上吸附水中的疏水性污染物。

PDMS氧化

使用等离子体的PDMS氧化改变PDMS表面化学并在其表面上产生硅烷醇终止（SiOH）。这有助于使PDMS亲水30分钟左右。该方法还有助于使得PDMS表面抵抗疏水性和带负电荷的分子的吸附。另外，PDMS等离子体氧化用于用三氯硅烷功能化PDMS表面或通过形成Si-O-Si键在氧化玻璃表面上以原子级共价键合PDMS。

无论PDMS表面是否被等离子氧化，它都不允许水，甘油，甲醇或乙醇渗透和连续变形。因此，可以将PDMS与这些流体一起使用而不用担心微结构变形。然而，PDMS在二异丙胺，氯仿和醚类溶液存在下会变形和溶胀，在丙酮，丙醇和吡啶存在下有较小程度上的变形和膨胀 - 因此，PDMS对于许多有机化学应用来说不是理想的选择。

微流控PDMS芯片加工过程

PDMS是微流体器件常用的材料之一。

我们在这里描述了通过软光刻方法来加工微流体芯片的过程。

（1）成型模塑步骤允许从模具中批量加工生产微流体芯片。

（2）将PDMS（液体）和交联剂（又称为固化剂，用于固化PDMS）的混合物倒入模具中并在高温下加热。

（3）一旦PDMS硬化，就可以将其从模具中取出。 我们获得PDMS块上的微通道的复制品。

微流体器件的完成：

（4）为了将来的实验允许注入流体，微流体装置的进口和出口用PDMS打孔器进行打孔，其尺寸与后续连接导管的尺寸相一致。

（5）用等离子体处理具有微通道的PDMS片和载玻片。

（6）等离子体处理允许PDMS片和载玻片粘合以封闭微流体芯片。

现在该微流体PDMS芯片已准备好，您可以使用微流体导管连接到微流体储液池和压力泵。 Tygon管和Teflon管是微流体器件上常用的毛细导管。

为什么使用PDMS进行微流体器件的加工？

选择PDMS加工微流控芯片主要是出于以下原因：

它在光学频率（240 nm - 1100 nm）下是透明的，这有助于在视觉上或通过显微镜观察微通道中的物体。

它具有低自发荧光特性

它具有生物兼容性（对部分生物样本会有一些限制）。

通过简单的等离子体处理，PDMS与玻璃或另一个PDMS层可形成紧密结合。这使得多层PDMS器件的生产具有利用玻璃基板提供的技术可能性，例如使用金属沉积，氧化物沉积或表面功能化。

在交联过程中，PDMS可以使用简单的旋涂技术在基材上涂覆可控的厚度，这允许加工多层器件及集成微阀。

它是可变形的，允许使用PDMS微通道的变形来集成微流体阀门，易于连接防漏流体连接及其用来检测非常低的力，例如来自细胞的生物力学相互作用。

与先前使用的材料如硅相比，它更加便宜。

PDMS也易于成型，因为即使与交联剂混合，它在室温下仍会保持液体数小时。 PDMS可以以高分辨率来模塑对象的结构。通过一些优化，可以模制几纳米的结构。

它是透气的。 它通过控制PDMS或死端通道填充的气体量来实现细胞培养（液体压力下的残余气泡可以通过PDMS逸出以平衡大气压力）。

微流体应用的PDMS存在的问题是：

在PDMS上进行金属和电介质沉积几乎是不可能的，这严重限制了电极和电阻器的集成。然而，PDMS通过等离子体处理后，非常容易与载玻片粘合，因此，将各种薄金属层或电介质沉积在载玻片上可以实现金属电极和电阻器的集成。

PDMS老化，因此，在几年以后，这种材料的机械性能会发生变化。

它吸附疏水分子并可以将一些分子从不良的交联中释放到液体中，这对于PDMS微流体器件中的一些生物学研究来说可能是一个问题。

PDMS对渗透水蒸气，这使得PDMS器件中的蒸发难以控制。

PDMS对某些化学品比较敏感。

用于微流体的不同PDMSPDMS用于加工微流体器件（单层和双层）和微压印章。 研究人员常将两种类型的PDMS预聚物用于这些应用：PDMS RTV-615和PDMS Sylgard 184。虽然这两种PDMS的确切组分是保密，然而，研究人员的经验可以您的应用来选择合适的PDMS：

1）PDMS RTV-615

（1）S.Quake的优选PDMS（微流体阀的共同发明者）。

（2）粘合双层微流体器件坚固和方便。

（3）不同批次之间的等离子体结合强度存在差异，这使得有必要在每次购买时调整粘合参数。

2）PDMS Sylgard 184（道康宁公司）

（1）更清洁的PDMS。

（2）该PDMS不常用于多层芯片。

（3）它使两个PDMS层之间的粘合更加困难。

（4）它在器件制造过程中会产生更多故障。

（5）该PDMS常用于微流体芯片中的哺乳动物细胞培养。

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