微流控芯片所使用的材料是多種多樣的 , 早期的芯片制備中硅和玻璃成為最重要和最常見的材料。這些材料的加工工藝比較成熟 , 通過光刻等圖案化手段可以使玻璃基片的特定圖案暴露而其余部分被光刻膠或者金屬鍍層所保護 , 再利用氫氟酸或其緩沖 蝕 刻 劑 (例如 氫 氟 酸和氟 化 銨 混合溶 液 )與 暴露部分的玻璃反應, 腐蝕出凹槽。 這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構建 。 這種利用玻璃腐蝕工藝制作微流控芯片的技術被廣泛用于芯片電泳的應用中 。 這類材料同時具有一定局限性, 因為它們通常具有很大的剛性, 在玻璃或者硅片上要想實現微全集成所必需的微泵和微閥等單元的制作是非常困難的 。 同時硅片在紫外及可見光區不透明 , 限制了其用于光學尤其是激光誘導熒光的檢測 。 玻璃材料制備的微流控芯片在電泳分離與分析上應用方便 , 但其在制備過程中對工藝的要求相對比較嚴格 , 在大多數傳統的化學與生物學實驗室內不易推廣 。 這一類材料制備的芯片在集成度上往往受到限制, 難以取得方法學上的突破。

　　要實現大規模、高通量、多功能的集成, 需要發展更合適的加工方法與新的制備材料。 1998 年, 美國哈佛大學 Whitesides 研究組提出了軟蝕刻(soft lithography)的概念，并且演示了應用模型復制的快速成型法制作微流控芯片的技術, 這一技術在幾年內得以拓展, 成為一種新型的微加工手段, 從此宣告微流控芯片進入了以聚二甲基硅氧烷為關鍵材料的時代。 利用 PDMS 材料制備微器件的一個主要特點是加工方便 , 不需要特別苛刻的實驗條件和昂貴的加工設備 , 這一優點促使微流控 芯 片 又 進 入 了 新 一 階 段 的 快 速 發 展 時 期等人最先用 PDMS 材料做成微流控芯片用于DNA 分析, 整個芯片利用電滲流來控制。 芯片的制備不再神秘, 普通的實驗人員也可以輕松完成。

　　軟蝕刻方法的基本制備過程如圖 1 所示。 首先利用計算機輔助, 通過合適的程序進行管道設計; 之后制備光刻掩膜 , 由于許多芯片中流體管道的寬度處在幾十至幾百微米的量級 , 甚至可以使用高分辨率的打印機將管道設計圖打印在透明膠片上替代價格昂貴的傳統鉻版掩膜 ; 再將光刻掩膜利用光刻技術將掩膜圖案轉移到涂有光刻膠的硅片上。 以負性光刻膠為例 , 需要聚合的區域通過掩膜的透明部分接受紫外照射后發生交聯反應而聚合 , 未經過紫外照射的區域則可以被顯影液溶解 , 之后硅片及其表面上剩下的突起的 SU-8 結構構成制作 PDMS 微流控芯片的陽模。做好模板后,首先將模板硅片用含惰 性 基 團 (如氟 代 烷 基 )的硅 烷 處 理以防 止 下 一步操作時 PDMS 和硅片的永久鍵合。 然后將 PDMS 預塑體(由兩種不同化學官能化的硅氧烷組成, 按照一定比例混合 )澆鑄到模板硅片上 ,之后將其處于40℃~80℃加速 預塑體固化, 再將固化后的從模板上揭下來 , 用打孔針在合適的位置上打孔作為溶液的進出口, 最后將 PDMS 基片帶有管道的一面與其他平面結合 , 進行可逆或不可逆性的密封完成芯片制作。

圖 1基于軟蝕刻技術的芯片快速復制法

       軟蝕刻技術的出現, 為制備集成微流控芯片, 尤其是與集成電路相類似的多功能、高密度集成微流控芯片, 開辟了一條新的道路。 2000 年, 美國加州理工學院的 Quake 研究組 發明了多層軟蝕刻技術巧妙地利用了 PDMS 材料的彈性性質和聚合特性 , 在芯片上整合了可以快速、準確控制流體流動的微型氣動閥, 實現了在芯片上高密度流體運動的控制 , 為高通量大規模的功能集成提供了可能性。 兩年以后, 他們以“微流控大規模集成芯片”為題報道了集成有上千個閥門和上百個微反應室的 PDMS 芯片, 實現了微流控芯片由簡單的單元操作到規模集成芯片的飛躍。

　　多層軟蝕刻技術是傳統軟蝕刻技術的重要拓展 , 它通過創造三維交疊管道以實現簡單有效的流體運動控制 , 主動閥的功能即是通過在芯片中相互交叉的立體管道來實現。 當對下層(控制層)施加正氣壓時, 處于兩層之間的薄膜會產生向上的變形, 如果氣壓足夠, 可以很好地封閉住上層(流體層)(圖 2)。 該種主動閥的反應時間為毫秒量級, 壓力在 100 kPa 量級。 用同樣的方法 , 他們在一條簡單的流體管道上平行排列了三個控制閥, 構成一種蠕動泵。 這種通過多層軟蝕刻技術制備的主動閥有體積小、密封性好、透光性好、響應快、可精確驅動、高度集成化、使用時間長、制作簡單、成本低等優勢, 被廣泛使用到高通量的集成微流控芯片中 。 這一技術在集成微流控芯片短短的發展歷程中具有里程碑意義 , 極大地推動了微流控技術在化學和生命科學領域的應用 , 并解決了許多傳統技術或者單一功能芯片無法解決的難題。

圖 2利用多層軟蝕刻制備微流控壓力可控閥門的示意圖

作者：趙亮, 申潔, 周宏偉, 黃巖誼