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精準(zhǔn)調(diào)控！真空等離子改性如何破解微流控芯片的“表面難題”
行業(yè)資訊 2026-01-26 深那

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微流控芯片以其樣品用量少、分析效率高、檢測成本低等優(yōu)勢，在生物醫(yī)學(xué)分析、化學(xué)合成、細(xì)胞工程及即時(shí)檢測（POCT）等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。然而，微流控系統(tǒng)中流體行為與界面反應(yīng)依賴基材表面特性，PDMS、COC、PP等基材潤濕性不穩(wěn)定、鍵合強(qiáng)度不足、批量生產(chǎn)一致性差等問題，長期制約其產(chǎn)業(yè)化落地。


在此背景下，真空等離子體表面處理技術(shù)因其操作簡便、改性均勻、不破壞本體結(jié)構(gòu)、環(huán)境友好等特點(diǎn)，成為近年來微流控芯片表面工程研究的熱門研究方向。本文將基于真空等離子改性在微流控芯片中的多項(xiàng)應(yīng)用研究，探討該技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢及工藝優(yōu)化方案。


真空等離子改性在微流控芯片中的應(yīng)用



COC芯片疏水優(yōu)化  液滴生成更穩(wěn)定

環(huán)烯烴共聚物（COC）是數(shù)字 PCR 等高端檢測芯片的優(yōu)選材料，但天然表面疏水性能不穩(wěn)定，導(dǎo)致批量生產(chǎn)中液滴尺寸變異系數(shù)大。Yefeng Guan等研究表明，采用“氧等離子體預(yù)處理+氟化物溶液浸潤”的兩步改性法，可使COC表面接觸角從94°提升至114°，形成穩(wěn)定的疏水層。


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(A)用于生成100–120μm微液滴的油包水型液滴芯片（COC）結(jié)構(gòu)示意圖；(B)芯片實(shí)物及其對應(yīng)說明；(C–E)圖(A)中藍(lán)色圓圈標(biāo)記區(qū)域的放大圖；(C)連續(xù)相微通道尺寸：110μm×50μm（寬×高）；(D)分散相微通道出口處的過濾柱；(E)微通道交叉節(jié)點(diǎn)，尺寸測試位置如圖中藍(lán)線所示。


改性后的COC芯片在水相壓力波動(dòng)（42-50kPa）范圍內(nèi)，能穩(wěn)定生成直徑110±2μm的微液滴，變異系數(shù)（CV）控制在5.3%-8.1%，遠(yuǎn)優(yōu)于未改性芯片（CV10.6%-18.7%）。即使儲存4個(gè)月后，液滴均一性仍優(yōu)于未改性芯片，為數(shù)字PCR等臨床應(yīng)用提供了可靠的芯片載體。


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不同表面處理方式對環(huán)烯烴共聚物(COC)表面水接觸角(CA)的影響


PDMS芯片親水改性，功能適配更靈活

PDMS是微流控芯片的常用材料，但原生疏水性限制了其在水包油體系中的應(yīng)用，且氧等離子體改性后的親水效果易衰減。研究發(fā)現(xiàn)，通過真空氧等離子體處理（300W，45s），可在PDMS表面引入大量羥基（-OH），使接觸角將至接近0°，實(shí)現(xiàn)超親水改性，但該效果僅能維持約6h。


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PDMS微流道親水改性方法流程圖


為解決親水效果衰減問題，金少搏等采用“等離子活化+PVA涂層”復(fù)合改性法，反復(fù)3次涂層處理后，PDMS表面接觸角穩(wěn)定在29°，成功制備出水包油微液滴和水包氣微氣泡，液滴均勻性高、穩(wěn)定性強(qiáng)。


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親水性PDMS微流控芯片制備液滴過程,制備的水包油微液滴和水包氣微氣泡


PP芯片粘接增強(qiáng)，封裝可靠性升級

聚丙烯（PP）因成本低、生物兼容性好，廣泛應(yīng)用于常規(guī)檢測場景，但非極性表面導(dǎo)致粘接強(qiáng)度不足，難以承受PCR檢測的溫度循環(huán)。隋裕研究明確，采用氧等離子體、射頻功率120W、處理時(shí)間120s 為最優(yōu)工藝參數(shù)，可使PP薄膜剪切強(qiáng)度提升34%剝離強(qiáng)度提升 24%。其機(jī)理為等離子體通過物理刻蝕增加表面粗糙度，同時(shí)引入含氧極性官能團(tuán)，雙重作用提升表面能與膠粘劑潤濕性。


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基于該技術(shù)制備的PP微流控芯片，經(jīng)熱壓成型與超聲鍵合封裝，通過常溫及溫度循環(huán)密封性測試，無漏液、串孔問題。實(shí)時(shí)熒光定量PCR驗(yàn)證顯示48個(gè)反應(yīng)池Ct值平均值24.118，標(biāo)準(zhǔn)差0.351，檢測一致性良好，適用于病原體檢測等場景。


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等離子體處理前后PP薄膜表面SEM測試圖

(a)未進(jìn)行等離子體處理;(b)等離子體處理


深那SN-ZK真空等離子處理儀

破解微流控芯片“表面難題”



技術(shù)突破的背后，離不開精準(zhǔn)、穩(wěn)定的實(shí)驗(yàn)儀器支持。深那SN-ZK系列真空等離子處理儀憑借精準(zhǔn)的參數(shù)調(diào)控能力、穩(wěn)定的運(yùn)行性能，可匹配不同材料、不同場景的微流控芯片表面改性需求，為科研機(jī)構(gòu)的技術(shù)攻關(guān)與企業(yè)的規(guī)模化生產(chǎn)提供可靠保障。

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2-4路

工藝氣體

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0-200sccm

高精度流量計(jì)

—

＜10Pa

極限真空度

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丨原裝強(qiáng)效電源

采用高壓激勵(lì)電源電路技術(shù)，產(chǎn)生高密度、均勻分布的等離子體，確保批量處理一致性。

丨真空腔體設(shè)計(jì)

高真空度腔體搭配強(qiáng)力真空泵，精準(zhǔn)控制處理環(huán)境，適配復(fù)雜微通道表面的均勻改性，無死角覆蓋。

丨獨(dú)有放電技術(shù)

特殊設(shè)計(jì)的放電裝置可在不同氣氛下穩(wěn)定放電，支持氧氣、氬氣、氟基氣體等多類型氣源，滿足親疏水改性、鍵合增強(qiáng)等不同需求。

丨獨(dú)有放電技術(shù)

具備溫度控制、過載保護(hù)、短路報(bào)警等多重機(jī)制，保障操作安全。

參考文獻(xiàn)：

[1] Guan Y, Zhang H, Yan Z, et al. Surface Modification of Cyclic-Olefin-Copolymer (COC)-Based Microchannels for the Large-Scale Industrial Production of Droplet Microfluidic Devices[J]. Bioengineering, 2023, 10(7): 763. https://doi.org/10.3390/bioengineering10070763

[2] 隋裕. 等離子體處理對于聚丙烯微流控芯片粘接強(qiáng)度的影響[D]. 大連: 大連理工大學(xué), 2022.

[3] 張慧儒, 張譽(yù)丹. 淺析表面改性對微流控芯片鍵合和液滴生成的影響[J]. 中國設(shè)備工程, 2021, (12下): 116-117.

[4] 金少搏, 劉曾豪, 曹陽, 等. PDMS微流控芯片親疏水改性方法研究[J]. 機(jī)械設(shè)計(jì)與制造, 2025, (8): 63-66. https://doi.org/10.19356/j.cnki.1001-3997.2025.08.006

[5] Yakimov A S, Pryazhnikov A I, Pryazhnikov M I, et al. Plasma Surface Modification of PDMS-Glass Microfluidic Chips for Oil Recovery Studies[J]. Applied Sciences, 2023, 13(11): 6365. https://doi.org/10.3390/app13116365

[6] Jiang B, Guo H, Chen D, et al. Microscale investigation on the wettability and bonding mechanism of oxygen plasma-treated PDMS microfluidic chip[J]. Applied Surface Science, 2022, 574: 151704. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2021.151704