5月17日，我院廖广兰教授、刘智勇副教授团队于2023年12月6日在国际权威期刊《Small Methods》上发表的关于声流控领域的最新研究成果“Irreversible bonding of polydimethylsiloxane-lithium niobate using oxygen plasma modification for surface acoustic wave based microfluidic application: theory and experiment(基于氧等离子体修饰的PDMS-LiNbO3不可逆键合理论以及在声微流体中的应用)”被选为封面论文。我院博士生何春华为论文第一作者，廖广兰教授、刘智勇副教授为共同通讯作者。
基于声流控的“芯片实验室”是微流控的一个重要分支，因其结构简单、生物相容性好、非接触操作、无标记等优点广泛用于生物分子的分离、提取、富集，为基础研究、诊断和治疗提供了理想的平台。利用铌酸锂（LiNbO3）压电衬底和聚二甲基硅氧烷（PDMS）微通道构建的SAW（Surface Acoustic Wave，声表面波）微流控芯片因其优异的性能而受到广泛关注。研究人员通常采用热压键合、胶接粘合、化学辅助键合和等离子键合实现二者的异质界面键合。然而，热压键合强度低，胶接粘合、化学辅助键合会引入介质层从而降低声表面波的传播，均难以实现PDMS和LiNbO3之间的高强度高性能键合。等离子键合是通过两个活化表面之间形成共价键以达到高强度结合的目的。并且等离子体键合不引入中间介质层，对流道和声表面波器件的影响很小，在声学微流控芯片中具有很大的应用潜力。但是等离子体修饰参数对PDMS和LiNbO3之间结合强度的影响多采用试错法进行经验总结，对两者键合机理的探究较少，不利于工艺参数的优化和键合效果的持续增强。
在本研究中，研究人员通过原位监测法和DFT详细讨论并完善了PDMS-LiNbO3等离子体键合机制，展示了一种基于氧等离子体修饰的PDMS-LiNbO3不可逆键合方法。结果表明，氧等离子体修饰的表面首先被清洁，然后注入氧离子，最后形成羟基，PDMS和LiNbO3表面的氧离子和羟基会达到饱和，从而达到最佳的修饰效果。同时，LiNbO3表面的羟基比PDMS表面的羟基更稳定。PDMS和LiNbO3活化表面上的羟基在相互接触时反应形成Nb-O-Si共价键，这是成功键合的关键。适当修饰时间的PDMS-LiNbO3样品可以完全键合，其强度可达到1.1 MPa。基于最优的键合参数制备的PDMS-LiNbO3声学微流控芯片在最高压力大于60 psi的泄漏测试中表现良好。
此项工作填补了PDMS-LiNbO3键合理论的空白，验证了氧等离子体修饰的PDMS-LiNbO3高强度键合可行性，促进了PDMS-LiNbO3异质结构在声微流控中的实际应用。
该项工作得到了国家自然科学基金项目(52275562)以及我院STAR项目的支持。
论文链接：https://doi.org/10.1002/smtd.202301321
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