微流控芯片发展现状、材料和制作

微流控芯片发展现状、材料和制作

 

    微流控技术被Forbes杂志评为影响人类未来15件最重要的发明之一。直至今日，各国科学家在这一领域做出更加显著地成绩。微流控技术作为当前分析科学的重要发展前沿，在研究与应用方面都取得了飞速的发展。

    从Manz和Widmer等人1990年首次提出微型全分析系统(Miniaturized Total Analysis System，(μTAS)的概念，到1995年首家从事微流控芯片技术的Caliper公司成立，再到2002年Quake等以“微流控芯片大规模集成”为题在Science上发表文章，微流控芯片引起科学界的广泛关注。接下来的2003年，微流控技术被Forbes杂志评为影响人类未来15件最重要的发明之一。直至今日，各国科学家在这一领域做出更加显著地成绩。微流控技术作为当前分析科学的重要发展前沿，在研究与应用方面都取得了飞速的发展。

    微流控芯片的诞生是伴随着现代分析科学技术的不断发展与进步而出现的。分析技术的进步极大的推动了生命科学的发展，与此同时，人们对生命科学的研究从宏观逐步深入到微观，为了适应生命科学从宏观到微观的发展的需要，分析仪器正不断趋于微型化。

    随着微流控芯片的不断发展，科学家逐渐认识到微型全分析系统只是微流控芯片的一个类别。微型全分析系统是以样品分析为最终目的的一类微流控芯片的统称。微型全分析系统的目的是通过分析设备的微型化与集成化，最大限度地将分析实验室的功能转移到便携的分析设备中。微型全分析系统将生化分析的许多过程与步骤，即生化分析实验室的“功能集成结构缩微”在几平方厘米左右(或更小的芯片上)，具有检测速度快、试样用量少、通量高等显著的特点。微流控分析芯片综合了MEMS技术与微流体力学、化学、生物学、医学、计算机、材料等多学科领域，可以实现多种分析功能，最大限度地把采样、稀释、加试剂、反应、分离、检测等分析功能集成为一体的微型全分析系统。

 

1、微流控技术的基本概念

    微流控芯片实验室，又称其为芯片实验室(Lab-on-a-Chip)或微流控芯片技术(Microfluidics)是把生物、化学、医学分析过程的样品制备、反应、分离、检测等基本操作单元集成到一块微米尺度的芯片上，自动完成分析全过程。由于它在生物、化学、医学等领域的巨大潜力，已经发展成为一个生物、化学、医学、流体、电子、材料、机械等学科交叉的崭新研究领域。由于微米级的结构，流体在微流控芯片中显示和产生了与宏观尺度不同的特殊性能，因此发展出独特的分析产生的性能。

 

2、微流控芯片组成结构

    微流控芯片的结构由具体研究和分析目的决定，设计和加工微流控芯片片基开展微流控芯片研究的基础。微流控芯片的主体结构由上下两层片基组成（PMMA、PDMS、玻璃等材料），包括微通道，微结构、进样口，检测窗等结构单元构成。外围设备有蠕动泵、微量注射泵、温控系统、以及紫外、荧光、电化学、色谱等检测部件组成。附加在微流控芯片结构上的电器设备是微流控芯片进行研究的必要组成部分，主要功能如驱动和控制微流体的流动、温度调控、图像采集和分析，以及自动化控制等。 

 

3、微流控芯片的材料

    微流控芯片起源于MEMS（微机电系统）技术，早期常用的材料是硅和玻璃。近年来高分子聚合物材料己经成为微流控芯片加工的主要材料，它的种类多、价格便宜、绝缘性好、性能指标优，可施加高电场实现快速分离，加工成型方便，易于实现批量化生产。

    硅具有散热好、强度大、价格适中、纯度高和耐腐蚀等优点。随着微电子的发展，硅材料的加工技术越来越成熟，硅材料首先被用于微流控芯片的制作，因具有良好的光洁度和成熟的加工工艺，可以用于微泵、微阀和模具等器件。但是硅材料也有本身的缺点，例如绝缘性和透光性较差、深度刻蚀困难、硅基片的粘合成功率低等，这些影响了硅的应用。

    如今，玻璃己被广泛用于制作微流控芯片，使用光刻和蚀刻技术可以将微通道网络刻在玻璃材料上，它的优点是有一定的强度、散热性、透光性和绝缘性都比较好，很适合通常的样品分析。

    目前，高分子聚合物材料由于成本低、易于加工成型和批量生产等优点，得到了越来越多的关注。用于加工微流控芯片的高分子聚合物材料主要有三大类：热塑性聚合物、固化型聚合物和溶剂挥发型聚合物。聚合物大分子之间以物理力聚而成，加热时可熔融，并能溶于适当溶剂中。热塑性聚合物受热时可塑化，冷却时则固化成型，并且可以如此反复进行。热塑性聚合物包括有聚酰胺（PI）、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、聚碳酸酯（PC）、聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）等；固化型聚合物有聚二甲基硅氧烷（PDMS）、环氧树脂和聚氨酯等，将它们与固化剂混合后，经过一段时间固化变硬后得到微流控芯片。溶剂挥发型聚合物有丙烯酸、橡胶和氟塑料等，将它们溶于适当的溶剂后，经过缓慢的挥发溶剂而得到微流控芯片。PDMS材料因其显著的优势，如成本低，使用简单，同硅片之间具有良好的粘附性，良好的化学惰性，成为一种广泛应用于微流控芯片领域的聚合物材料，在学术界与工业界中的应用极为广泛。PDMS芯片经软刻蚀加工技术，可以实现高精度微结构的生成。PDMS芯片应用在某些生物实验中，可以形成足够稳定的温度梯度，便于反应的实现。除此之外，由于其对可见光与紫外光的穿透性，使得其得以与多种光学检测器实现联用。更重要一点在细胞实验中，由于PDMS的无毒特征以及透气性，因此与其他聚合物材料相比有着不可替代的地位。

 

4、微流控芯片的制作

    微流控芯片的加工制作方法主要有：离子或反应离子深刻蚀法、模塑法、光刻化学腐烛方法、注塑、印模或激光烧烛、软刻烛技术、热压法等。

    微流控芯片是以微管道网络为结构特征，以生命科学为主要应用对象的。微流控芯片材料的选择，通道的设计是微流控芯片的关键问题之一。最初的微流控芯片是利用光刻、湿腐蚀技术在玻璃、石英、硅片上刻蚀出微通道，之后还发展了电感耦合等离子体刻蚀技术，LIGA技术等。但是以玻璃、石英、硅片为基质来制作微流控芯片技术工艺复杂、冗长、步骤烦琐、成本高。近年来，高分子材料以其加工容易，成本低等优点成为微流控芯片新的发展方向。高分子材料为基质的微流控芯片通常采用压模，注塑，X光刻蚀或激光刻蚀等方法制作。 

　　从微流控芯片的分析性能看，其未来的应用领域将十分广泛，但目前的重点显然在生物医药方面。除此之外，环境监测、食品卫生、刑事科学及国防方面也会成为重要的应用领域