DOI: 10. 3969 / j. issn. 1009-9492. 2020. 08. 008
黄达，张然，樊元义，等.基于纳米压印和键合制造尺寸可控的微/纳米流体芯片研究［J］.机电工程技术，2020，49（08）：26-29.
基于纳米压印和键合制造尺寸可控的微/纳米流体芯片研究
黄达，张然，樊元义，刘骁，褚金奎※
（大连理工大学精密与特种加工教育部重点实验室， 辽宁大连116024）
摘要：微纳流控芯片在生物、医学等领域有着重要的应用价值。针对纳米压印技术进行微纳流控芯片制作过程中，通道尺寸难以调节以及纳米通道难以与带有微通道的PDMS（polydimethylsiloxane） 键合等问题，提出一种通过胶厚调节尺寸和在纳米沟槽表面沉积氮化硅作为键合层的方案。通过纳米压印光刻进行纳米沟槽的制作，并通过控制压印胶的厚度实现了对纳米沟槽高度的调节；在纳米沟槽表面沉积氮化硅作为键合层，使用氧等离子体对PDMS表面进行改性，实现PDMS与纳米沟槽的键合。采用这种工艺制作了纳米通道尺寸小于100 nm的微纳流控芯片，并对芯片进行了荧光离子富集试验，结果显示该芯片具有较好的富集能力。
关键词：纳米压印；纳米通道；微纳流控；表面改性
中图分类号：TN492 文献标志码：A 文章编号：1009－9492 ( 2020 ) 08－0026－04
Research on Micro/Nanofluidic Chips with Controllable Dimensions Based on
Nanoimprinting and Bonding
Huang Da，Zhang Ran，Fan Yuanyi，Liu Xiao，Chu Jinkui※
（Key Laboratory for Precision ＆ Non-traditional Machining Technology, Ministry of Education, Dalian University of Technology,
Dalian, Liaoning 116024, China）
Abstract: Micro-nano fluidic chips have important application value in the fields of biology and medicine. In order to solve the problem that the channel size is difficult to adjust and the nano channel is difficult to bond with PDMS with microchannel in the process of nano imprinting technology, a scheme of adjusting the size of nano channel and depositing silicon nitride as bonding layer on the surface of nano groove was proposed. The nano groove was fabricated by nano imprint lithography, and the height of nano groove was adjusted by controlling the thickness of nano groove; silicon nitride was deposited on the surface of nano groove as bonding layer, and the surface of PDMS was modified by oxygen plasma to realize the bonding between PDMS and nano groove. The microfluidic chip with the size of nano channel less than 100 nm was fabricated by this process, and the fluorescence ion enrichment experiment was carried out on the chip. The results show that the chip has good enrichment ability.
Key words: nano-imprint; nanochannels; micro/nano-fluidics; surface modification
引言
近年来，随着微纳米加工技术的不断发展，微纳流控技术在分析化学和生物医学等方面的应用也变得越来越重要。通过微纳流控技术能够快速、准确地实现离子操控[1]，生物分子的检测、分离[2-3]以及样品浓缩[4]等应用。目前，微纳流控技术的应用主要是基于纳米通道的特性。纳米通道的尺寸与德拜长度大小接近，当溶液中的带电物质通过纳米通道时将会受到双电层的影响，使得与纳米通道表面带有同种电荷的物质受到排斥，异种电荷物质富集[5]。基于这一特性制作的微纳流控芯片已经被应用在蛋白质分子富集和分离、纳流体晶体管[6-8]等多方面研究。
目前在微纳流控芯片制作方面的研究已经取得了一定的进展。通过传统紫外光刻和刻蚀技术实现了在高度方向为纳米尺度的一维纳米通道制作[9]。通过电子束刻蚀和聚焦离子束刻蚀能够实现10 nm以下的纳米通道制作[10-11]。然而设备昂贵、加工效率低，使得其在大面积结构以及批量制作方面受到了限制。相比较而言，纳米压印光刻技术具有高分辨率、高产量和低成本等特点，已成为制作纳米结构图形的重要方式。通过将模板压印到压印胶上，模板上纳米结构图形可以直接复制到基底上，极大地降低了纳米通道制作工艺的难度和制作成本。Wang 等[12]和Yin 等[13]通过纳米压印的方式实现了纳米通道的大面积制作。然而，通过纳米压印光刻技术制作的纳米通道尺寸由模板尺寸决定，制作不同尺寸纳米通道必须更换模板，成本较高。另一方面，微纳流控芯片制作的重点在于纳米通道的制作和微纳米通道的集成。纳米压印材料在固化之后表面能较低，难以与其他材料集合实现纳米沟槽的密封以及微米通道制作，这对微纳流控芯片的集成制作造成一定困难。
针对这些问题，本文通过对基底上压印胶厚度的控制，实现了同一模板进行不同尺寸纳米沟槽的制作。另一方面，为了实现纳米沟槽密封和微米通道的制作，本文采用PDMS（polydimethylsiloxane） 作为纳米通道密封材料。PDMS具有良好的生物兼容性、透光性好并且易加工，常用于微通道的制作[14]。在对纳米沟槽密封过程中，通过在纳米沟槽表面沉积氮化硅作为键合层与氧等离子体处理之后的PDMS进行键合，实现了纳米通道的密封以及纳米通道和微米通道的连接。为了验证完成之后的微纳流控芯片的富集性能，进行了FITC离子富集试验。结果显示该芯片具备较好的富集性能。
结束语
本文通过纳米压印光刻技术和键合技术进行了微纳流控芯片的集成制作。通过对基底上压印胶厚度的控制，实现了对压印之后纳米沟槽的调节。通过在纳米沟槽表面沉积氮化硅的方式，实现了与带有微通道的PDMS的键合，并进一步研究了氧等离子体对PDMS表面处理对键合强度的影响。该方法能够高效便捷地实现芯片的制作，具有简单易行和成功率高等特点。采用这种工艺方法对微纳流控芯片进行了制作，得到通道最小尺寸小于100 nm。利用该芯片进行离子富集试验，富集之后的溶液浓度达到10倍以上。该研究结果表明，这种工艺具有成本低、精度高和效率高等优点，在微纳流控芯片的集成制作及应用方面具有潜在的价值。