一种基于溶剂的制造PMMA微流控器件的方法——芯片和尖端

一种基于溶剂的PMMA微流控器件的制备方法

01十一月2017日

穆斯塔法·阿达米；Abhay Andar；Elizabeth Tan；Govind Rao；Yordan Kostov *

先进传感器技术中心，马里兰大学巴尔的摩县，1000个山顶圆，TrC 252，巴尔的摩马里兰州21250。

*电子邮箱：kostov@umbc.edu

为什么这个有用？

对微流体的需求稳步增长，部分原因在于护理点设备的日益普及[1]通常，微流控芯片是用热塑性塑料制成的[1]。热塑性塑料是合成聚合物，由于其能够被成型成复杂结构而受到欢迎[3，4。它们通常被用作玻璃的更安全、更便宜的替代品[3，4。然而，正确密封这些装置是一项挑战，尤其是在医学检测领域，对可靠设备的需求很高。例如，压敏粘合剂，普通密封剂，可以限制微流体通道的大小；一些粘合剂会表现出干扰芯片上运行的分析过程的反应性基团[5]。因此，需要一种不受上述限制的密封方法。

在这里，提出了一种溶剂法。聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）热塑性塑料，在高于其玻璃化转变温度（t）的温度下出现软化_G）冷却后恢复到原来的状态。这一转变引入了几个直接结合选项[6]。然而，T_GPMMA的温度为115°C。即使在这个温度下，粘合所需的压力也相当高。这会导致通道尺寸出现缺陷，当大部分材料软化时。使用弱溶剂可降低温度。_G仅适用于塑料表面，从而降低工艺所需的温度和压力。减小的压力降低了通道变形的可能性。此外，由于溶剂引起的软化仅限于表面（前几微米）。较深的河道结构不受影响。因此，直接溶剂粘合法允许无粘合剂粘合，并避免温度引起的变形。作为奖励，这种键的力学性能大大提高了[7]。值得注意的是，这种方法适用于通道深度大于100微米的微流体装置，通常用于直接激光蚀刻产生的设备。

这种技术的另一个优点是，当弱溶剂是乙醇时，它能产生无菌装置。它们可以使用任何实验室中的基本设备快速制造[7]。为了演示这种方法，将PMMA与90%乙醇一起用作溶剂，以与其他板材粘合，例如：

聚甲基丙烯酸甲酯片，制造用于样品处理的微流体混合器和其他微流体装置（图1，Ad）〔7〕；
EPTFE膜，制造微流体气泡器（图1，c）；而且，
醋酸纤维素膜，定制透析设备（图1，b）。

图1。a）透析装置b）氧化还原分析外壳c）微流控去泡器d）微流控混合器

我需要什么？

材料：

聚甲基丙烯酸甲酯片厚度1.5 mm（Astra产品）
聚甲基丙烯酸甲酯片厚度0.2 mm（Astra产品）
10K，20k mwco醋酸纤维素膜（Thermo Fisher Scientific）
EPTFE膜（Sterltech，产品编号：PTU021350）
金属虎钳（麦克马斯特，产品编号：5226A3）
1000号砂纸（麦克马斯特）
硅胶垫（麦克马斯特）
Kim-wipes（金伯利·克拉克）
2块矩形金属板（麦克马斯特）
去离子水
90%乙醇（去离子实验室，费希尔科学公司，试剂级）

设备：

二氧化碳激光切割机（通用激光系统）
传统烤箱
计算机辅助设计（CAD）软件（coreldraw x4）

我该怎么办？

设计构思
1. 使用任何可用的计算机辅助设计（CAD）软件绘制所需的设计图。
2. 将CAD文件导出为与激光切割机软件兼容的.dxf文件格式。
激光切割设计
1. 将1.5 mm厚的PMMA板放在激光切割机的底座上。
2. 根据板材厚度校准激光切割机。
3. 在激光切割软件中选择正确的激光设置。应根据板材的材料和厚度对正高度。
4. 激光将设计的核心路径切割到1.5 mm厚的PMMA上。
5. 下一步，将另一张0.2 mm厚的PMMA板放在激光切割机的底座上，重复B-C点。
粗加工PMMA板材
1. 激光切割后，共有三件：核心通道设计（1）和封面（2）。
2. 用去离子水冲洗PMMA切口，用自来水湿润砂纸。
3. 将湿润的PMMA切口打磨成8字形，然后放到湿润的砂纸上，直到它变成乳白色。这是为了确保PMMA板上的平面一致性，以增加粘合。
4. 用去离子水冲洗PMMA切口，然后用“Kim wipes”擦干。
粘合PMMA表
1. 将控温烤箱预热至55°C。将金属虎钳和矩形金属板放入烤箱预热。为了安全起见，应使用热手套。
2. 将一块干净的硅酮片放在一块矩形金属（铝）板上。
3. 下一步，将微流体盒的底盖以夹层方式放在硅胶垫的顶部。
4. 将90%乙醇喷到底盖片上，直到所有区域湿润为止。
5. 放置PMMA断流器的堆芯通道板。
6. 将90%乙醇喷到核心通道片上直到完全区域，保税，被弄湿了。
7. 放置微流体盒的最后一张封面。
8. 将另一个硅胶垫和另一个矩形金属板放在其后面。
9. 放置夹好的PMMA板，硅胶垫，以及金属虎钳中的矩形金属板，小心地使其不会与磁带盒错位（图2）。
10. 拧紧虎钳，直到不能再转动杆。
11. 将台钳和微流体卡式三明治放入预热的烤箱中5分钟。这必须在台钳冷却之前进行。
12. 冷却至室温，然后从金属虎钳和硅胶垫上取下。
13. 增加入口和出口配件，可以将它们粘在上面，也可以根据偏好的方法放置它们。
将PMMA与EPTFE（或醋酸纤维素）结合：
1. 将控温烤箱预热至85°C。将金属虎钳和矩形金属板放入烤箱预热。为了安全起见，应使用热手套。
2. 将一块干净的硅酮片放在一块矩形金属（铝）板上。
3. 下一步，将微流体盒的膜以夹层方式放置在硅胶垫顶部。
4. 将90%乙醇喷在膜片上，直至所有区域湿润。
5. 放置PMMA断流器的堆芯通道板。
6. 将90%乙醇喷到核心通道片上直到完全区域，保税，被弄湿了。
7. 放置微流体盒的最终PMMA盖板。
8. 将另一个硅胶垫和另一个矩形金属板放在其后面。
9. 放置夹心装置，硅胶垫，以及金属虎钳中的矩形金属板，小心地使其不会与磁带盒错位（图2）。
  
  图2。键合设置
10. 拧紧虎钳，直到不能再转动杆。
11. 将台钳和微流体卡式三明治放入预热的烤箱中5分钟。这必须在台钳冷却之前进行。
12. 让其冷却至室温，然后从金属虎钳和硅胶垫上取下，如果有多余的薄膜，则用剪刀取下。
13. 增加入口和出口配件，可以将它们粘在上面，也可以根据偏好的方法放置它们。

我还需要知道什么？

为了使两张纸相互对齐，使用了三种方法：

对于PMMA-PMMA装置来说，仅需对其进行眼球定位即可。PMMA板与乙醇之间的粘附力足以使其固定到位。
还制造了一个定位管汇，其中放置了机加工板。集管将防止板材移动（图3a）。
如果膜厚到可以钻一个洞，最好使用三个定位销。当设备是机器时，销孔是预制的。牙签被用作定位销（图3b）。

图3。a）定位管汇b）3个木钉用于防止各层移动。
对于较薄的膜，加工过的PMMA粘合在一个稍大的膜上。然后用剪刀除去多余的膜。

确认

这项工作由DARPA资助，生物衍生药品按需（Bio-Mod）项目拨款（N66001-13-C-4023）用于财政支持。

工具书类

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微流体装置中使用的材料。（N.D）。弹簧参考.doi:10.1007/斯普林格参考文献
刘，K，和扇子，（2011）。热塑性微流控器件及其在蛋白质和DNA分析中的应用。分析家，一百三十六（7）1288。内政部：10.1039/c0an00969
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香港，鞠，吴，M，Tai，C，Tsai，C，福禄（2010）。利用二氧化碳激光器快速成型PMMA微流控芯片。微流体与纳米流体，九（6）1125-1133。doi:10.1007/s1044-010-0633-0
维萨赫，P.M.，托马斯，S。（2011）。工程和特种热塑性塑料：尼龙：最新技术，新的挑战和机遇。工程与特种热塑性塑料手册，1-9。doi:10.1002/9781118229064.ch1
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