集成微流控芯片的制备

    微流控芯片所使用的材料是多种多样的 , 早期的芯片制备中硅和玻璃成为最重要和最常见的材料。这些材料的加工工艺比较成熟 , 通过光刻等图案化手段可以使玻璃基片的特定图案暴露而其余部分被光刻胶或者金属镀层所保护 , 再利用氢氟酸或其缓冲 蚀 刻 剂 (例如 氢 氟 酸和氟 化 铵 混合溶 液 )与 暴露部分的玻璃反应, 腐蚀出凹槽。 这些凹槽的上部同另一平整表面封接后就形成了管道 , 完成了微流控芯片的构建 。 这种利用玻璃腐蚀工艺制作微流控芯片的技术被广泛用于芯片电泳的应用中 。 这类材料同时具有一定局限性, 因为它们通常具有很大的刚性, 在玻璃或者硅片上要想实现微全集成所必需的微泵和微阀等单元的制作是非常困难的 。 同时硅片在紫外及可见光区不透明 , 限制了其用于光学尤其是激光诱导荧光的检测 。 玻璃材料制备的微流控芯片在电泳分离与分析上应用方便 , 但其在制备过程中对工艺的要求相对比较严格 , 在大多数传统的化学与生物学实验室内不易推广 。 这一类材料制备的芯片在集成度上往往受到限制, 难以取得方法学上的突破。

　　要实现大规模、高通量、多功能的集成, 需要发展更合适的加工方法与新的制备材料。 1998 年, 美国哈佛大学 Whitesides 研究组提出了软蚀刻(soft lithography)的概念，并且演示了应用模型复制的快速成型法制作微流控芯片的技术, 这一技术在几年内得以拓展, 成为一种新型的微加工手段, 从此宣告微流控芯片进入了以聚二甲基硅氧烷为关键材料的时代。 利用 PDMS 材料制备微器件的一个主要特点是加工方便 , 不需要特别苛刻的实验条件和昂贵的加工设备 , 这一优点促使微流控 芯 片 又 进 入 了 新 一 阶 段 的 快 速 发 展 时 期等人最先用 PDMS 材料做成微流控芯片用于DNA 分析, 整个芯片利用电渗流来控制。 芯片的制备不再神秘, 普通的实验人员也可以轻松完成。

　　软蚀刻方法的基本制备过程如图 1 所示。 首先利用计算机辅助, 通过合适的程序进行管道设计; 之后制备光刻掩膜 , 由于许多芯片中流体管道的宽度处在几十至几百微米的量级 , 甚至可以使用高分辨率的打印机将管道设计图打印在透明胶片上替代价格昂贵的传统铬版掩膜 ; 再将光刻掩膜利用光刻技术将掩膜图案转移到涂有光刻胶的硅片上。 以负性光刻胶为例 , 需要聚合的区域通过掩膜的透明部分接受紫外照射后发生交联反应而聚合 , 未经过紫外照射的区域则可以被显影液溶解 , 之后硅片及其表面上剩下的突起的 SU-8 结构构成制作 PDMS 微流控芯片的阳模。做好模板后,首先将模板硅片用含惰 性 基 团 (如氟 代 烷 基 )的硅 烷 处 理以防 止 下 一步操作时 PDMS 和硅片的永久键合。 然后将 PDMS 预塑体(由两种不同化学官能化的硅氧烷组成, 按照一定比例混合 )浇铸到模板硅片上 ,之后将其处于40℃~80℃加速 预塑体固化, 再将固化后的从模板上揭下来 , 用打孔针在合适的位置上打孔作为溶液的进出口, 最后将 PDMS 基片带有管道的一面与其他平面结合 , 进行可逆或不可逆性的密封完成芯片制作。

图 1基于软蚀刻技术的芯片快速复制法

       软蚀刻技术的出现, 为制备集成微流控芯片, 尤其是与集成电路相类似的多功能、高密度集成微流控芯片, 开辟了一条新的道路。 2000 年, 美国加州理工学院的 Quake 研究组 发明了多层软蚀刻技术巧妙地利用了 PDMS 材料的弹性性质和聚合特性 , 在芯片上整合了可以快速、准确控制流体流动的微型气动阀, 实现了在芯片上高密度流体运动的控制 , 为高通量大规模的功能集成提供了可能性。 两年以后, 他们以“微流控大规模集成芯片”为题报道了集成有上千个阀门和上百个微反应室的 PDMS 芯片, 实现了微流控芯片由简单的单元操作到规模集成芯片的飞跃。

　　多层软蚀刻技术是传统软蚀刻技术的重要拓展 , 它通过创造三维交叠管道以实现简单有效的流体运动控制 , 主动阀的功能即是通过在芯片中相互交叉的立体管道来实现。 当对下层(控制层)施加正气压时, 处于两层之间的薄膜会产生向上的变形, 如果气压足够, 可以很好地封闭住上层(流体层)(图 2)。 该种主动阀的反应时间为毫秒量级, 压力在 100 kPa 量级。 用同样的方法 , 他们在一条简单的流体管道上平行排列了三个控制阀, 构成一种蠕动泵。 这种通过多层软蚀刻技术制备的主动阀有体积小、密封性好、透光性好、响应快、可精确驱动、高度集成化、使用时间长、制作简单、成本低等优势, 被广泛使用到高通量的集成微流控芯片中 。 这一技术在集成微流控芯片短短的发展历程中具有里程碑意义 , 极大地推动了微流控技术在化学和生命科学领域的应用 , 并解决了许多传统技术或者单一功能芯片无法解决的难题。

图 2利用多层软蚀刻制备微流控压力可控阀门的示意图

作者：赵亮, 申洁, 周宏伟, 黄岩谊