微流控芯片發展現狀、材料和制作

 

    微流控技術被Forbes雜志評為影響人類未來15件最重要的發明之一。直至今日，各國科學家在這一領域做出更加顯著地成績。微流控技術作為當前分析科學的重要發展前沿，在研究與應用方面都取得了飛速的發展。

    從Manz和Widmer等人1990年首次提出微型全分析系統(Miniaturized Total Analysis System，(μTAS)的概念，到1995年首家從事微流控芯片技術的Caliper公司成立，再到2002年Quake等以“微流控芯片大規模集成”為題在Science上發表文章，微流控芯片引起科學界的廣泛關注。接下來的2003年，微流控技術被Forbes雜志評為影響人類未來15件最重要的發明之一。直至今日，各國科學家在這一領域做出更加顯著地成績。微流控技術作為當前分析科學的重要發展前沿，在研究與應用方面都取得了飛速的發展。

    微流控芯片的誕生是伴隨著現代分析科學技術的不斷發展與進步而出現的。分析技術的進步極大的推動了生命科學的發展，與此同時，人們對生命科學的研究從宏觀逐步深入到微觀，為了適應生命科學從宏觀到微觀的發展的需要，分析儀器正不斷趨于微型化。

    隨著微流控芯片的不斷發展，科學家逐漸認識到微型全分析系統只是微流控芯片的一個類別。微型全分析系統是以樣品分析為最終目的的一類微流控芯片的統稱。微型全分析系統的目的是通過分析設備的微型化與集成化，最大限度地將分析實驗室的功能轉移到便攜的分析設備中。微型全分析系統將生化分析的許多過程與步驟，即生化分析實驗室的“功能集成結構縮微”在幾平方厘米左右(或更小的芯片上)，具有檢測速度快、試樣用量少、通量高等顯著的特點。微流控分析芯片綜合了MEMS技術與微流體力學、化學、生物學、醫學、計算機、材料等多學科領域，可以實現多種分析功能，最大限度地把采樣、稀釋、加試劑、反應、分離、檢測等分析功能集成為一體的微型全分析系統。

 

1、微流控技術的基本概念

    微流控芯片實驗室，又稱其為芯片實驗室(Lab-on-a-Chip)或微流控芯片技術(Microfluidics)是把生物、化學、醫學分析過程的樣品制備、反應、分離、檢測等基本操作單元集成到一塊微米尺度的芯片上，自動完成分析全過程。由于它在生物、化學、醫學等領域的巨大潛力，已經發展成為一個生物、化學、醫學、流體、電子、材料、機械等學科交叉的嶄新研究領域。由于微米級的結構，流體在微流控芯片中顯示和產生了與宏觀尺度不同的特殊性能，因此發展出獨特的分析產生的性能。

 

2、微流控芯片組成結構

    微流控芯片的結構由具體研究和分析目的決定，設計和加工微流控芯片片基開展微流控芯片研究的基礎。微流控芯片的主體結構由上下兩層片基組成（PMMA、PDMS、玻璃等材料），包括微通道，微結構、進樣口，檢測窗等結構單元構成。外圍設備有蠕動泵、微量注射泵、溫控系統、以及紫外、熒光、電化學、色譜等檢測部件組成。附加在微流控芯片結構上的電器設備是微流控芯片進行研究的必要組成部分，主要功能如驅動和控制微流體的流動、溫度調控、圖像采集和分析，以及自動化控制等。 

 

3、微流控芯片的材料

    微流控芯片起源于MEMS（微機電系統）技術，早期常用的材料是硅和玻璃。近年來高分子聚合物材料己經成為微流控芯片加工的主要材料，它的種類多、價格便宜、絕緣性好、性能指標優，可施加高電場實現快速分離，加工成型方便，易于實現批量化生產。

    硅具有散熱好、強度大、價格適中、純度高和耐腐蝕等優點。隨著微電子的發展，硅材料的加工技術越來越成熟，硅材料首先被用于微流控芯片的制作，因具有良好的光潔度和成熟的加工工藝，可以用于微泵、微閥和模具等器件。但是硅材料也有本身的缺點，例如絕緣性和透光性較差、深度刻蝕困難、硅基片的粘合成功率低等，這些影響了硅的應用。

    如今，玻璃己被廣泛用于制作微流控芯片，使用光刻和蝕刻技術可以將微通道網絡刻在玻璃材料上，它的優點是有一定的強度、散熱性、透光性和絕緣性都比較好，很適合通常的樣品分析。

    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產等優點，得到了越來越多的關注。用于加工微流控芯片的高分子聚合物材料主要有三大類：熱塑性聚合物、固化型聚合物和溶劑揮發型聚合物。聚合物大分子之間以物理力聚而成，加熱時可熔融，并能溶于適當溶劑中。熱塑性聚合物受熱時可塑化，冷卻時則固化成型，并且可以如此反復進行。熱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）、聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）等；固化型聚合物有聚二甲基硅氧烷（PDMS）、環氧樹脂和聚氨酯等，將它們與固化劑混合后，經過一段時間固化變硬后得到微流控芯片。溶劑揮發型聚合物有丙烯酸、橡膠和氟塑料等，將它們溶于適當的溶劑后，經過緩慢的揮發溶劑而得到微流控芯片。PDMS材料因其顯著的優勢，如成本低，使用簡單，同硅片之間具有良好的粘附性，良好的化學惰性，成為一種廣泛應用于微流控芯片領域的聚合物材料，在學術界與工業界中的應用極為廣泛。PDMS芯片經軟刻蝕加工技術，可以實現高精度微結構的生成。PDMS芯片應用在某些生物實驗中，可以形成足夠穩定的溫度梯度，便于反應的實現。除此之外，由于其對可見光與紫外光的穿透性，使得其得以與多種光學檢測器實現聯用。更重要一點在細胞實驗中，由于PDMS的無毒特征以及透氣性，因此與其他聚合物材料相比有著不可替代的地位。

 

4、微流控芯片的制作

    微流控芯片的加工制作方法主要有：離子或反應離子深刻蝕法、模塑法、光刻化學腐燭方法、注塑、印模或激光燒燭、軟刻燭技術、熱壓法等。

    微流控芯片是以微管道網絡為結構特征，以生命科學為主要應用對象的。微流控芯片材料的選擇，通道的設計是微流控芯片的關鍵問題之一。最初的微流控芯片是利用光刻、濕腐蝕技術在玻璃、石英、硅片上刻蝕出微通道，之后還發展了電感耦合等離子體刻蝕技術，LIGA技術等。但是以玻璃、石英、硅片為基質來制作微流控芯片技術工藝復雜、冗長、步驟煩瑣、成本高。近年來，高分子材料以其加工容易，成本低等優點成為微流控芯片新的發展方向。高分子材料為基質的微流控芯片通常采用壓模，注塑，X光刻蝕或激光刻蝕等方法制作。 

　　從微流控芯片的分析性能看，其未來的應用領域將十分廣泛，但目前的重點顯然在生物醫藥方面。除此之外，環境監測、食品衛生、刑事科學及國防方面也會成為重要的應用領域