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精準調控！真空等離子改性如何破解微流控芯片的“表面難題”
行業資訊 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、檢測成本低等優勢，在生物醫學分析、化學合成、細胞工程及即時檢測（POCT）等領域得到廣泛應用。然而，微流控系統中流體行為與界面反應依賴基材表面特性，PDMS、COC、PP等基材潤濕性不穩定、鍵合強度不足、批量生產一致性差等問題，長期制約其產業化落地。


在此背景下，真空等離子體表面處理技術因其操作簡便、改性均勻、不破壞本體結構、環境友好等特點，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應用研究，探討該技術的應用優勢及工藝優化方案。


真空等離子改性在微流控芯片中的應用



COC芯片疏水優化  液滴生成更穩定

環烯烴共聚物（COC）是數字 PCR 等高端檢測芯片的優選材料，但天然表面疏水性能不穩定，導致批量生產中液滴尺寸變異系數大。Yefeng Guan等研究表明，采用“氧等離子體預處理+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）結構示意圖；(B)芯片實物及其對應說明；(C–E)圖(A)中藍色圓圈標記區域的放大圖；(C)連續相微通道尺寸：110μm×50μm（寬×高）；(D)分散相微通道出口處的過濾柱；(E)微通道交叉節點，尺寸測試位置如圖中藍線所示。


改性后的COC芯片在水相壓力波動（42-50kPa）范圍內，能穩定生成直徑110±2μm的微液滴，變異系數（CV）控制在5.3%-8.1%，遠優于未改性芯片（CV10.6%-18.7%）。即使儲存4個月后，液滴均一性仍優于未改性芯片，為數字PCR等臨床應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用，且氧等離子體改性后的親水效果易衰減。研究發現，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°，實現超親水改性，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”復合改性法，反復3次涂層處理后，PDMS表面接觸角穩定在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、穩定性強。


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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，封裝可靠性升級

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


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基于該技術制備的PP微流控芯片，經熱壓成型與超聲鍵合封裝，通過常溫及溫度循環密封性測試，無漏液、串孔問題。實時熒光定量PCR驗證顯示48個反應池Ct值平均值24.118，標準差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”



技術突破的背后，離不開精準、穩定的實驗儀器支持。深那SN-ZK系列真空等離子處理儀憑借精準的參數調控能力、穩定的運行性能，可匹配不同材料、不同場景的微流控芯片表面改性需求，為科研機構的技術攻關與企業的規?；a提供可靠保障。

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2-4路

工藝氣體

—

0-200sccm

高精度流量計

—

＜10Pa

極限真空度

—

丨原裝強效電源

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

丨真空腔體設計

高真空度腔體搭配強力真空泵，精準控制處理環境，適配復雜微通道表面的均勻改性，無死角覆蓋。

丨獨有放電技術

特殊設計的放電裝置可在不同氣氛下穩定放電，支持氧氣、氬氣、氟基氣體等多類型氣源，滿足親疏水改性、鍵合增強等不同需求。

丨獨有放電技術

具備溫度控制、過載保護、短路報警等多重機制，保障操作安全。

參考文獻：

[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度的影響[D]. 大連: 大連理工大學, 2022.

[3] 張慧儒, 張譽丹. 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]. 機械設計與制造, 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