1微流控技術(shù)

微流控技術(shù)(Micronuidics)，或稱為芯片實(shí)驗(yàn)室(1ab．on．a(chǎn)．chip)，是把生物、化學(xué)等領(lǐng)域中樣品的制備、反應(yīng)、分離、檢測等基本操作集成在一塊芯片上，在微納尺度下完成流體操控實(shí)現(xiàn)分析功能的一種技術(shù)平臺。通過分析儀器的集成化，微型化，可把實(shí)驗(yàn)室中的分析儀器功能集成到幾個平方厘米大小的芯片上。微流控芯片主要以玻璃、硅片、高聚合物等材料作為基底，以微通道為網(wǎng)絡(luò)，將微泵，微閥，微電極，微反應(yīng)器，檢測元件等功能器件像集成電路一樣集成在微芯片上。表1為不同材料的主要特性。圖2 為不同材料的微流控芯片材料對比。

表1 不同材料的主要特性參數(shù)對比

圖2 不同微流控芯片材料特性

以上述材料作為結(jié)構(gòu)制作的載體，在載體上設(shè)計溝道、微結(jié)構(gòu)、樣品池等單元，再使用入注射泵、蠕動泵等外圍裝置，最后選擇必要的設(shè)備并完成整體系統(tǒng)的搭建，以此來實(shí)現(xiàn)生物基因測序、細(xì)胞捕獲與分離、光學(xué)領(lǐng)域相關(guān)實(shí)驗(yàn)檢測等功能。

微流控芯片設(shè)計與制作之前就需要考慮選擇合適的材料。能否高效率地制造出高品質(zhì)的微流控芯片很大條件下取決于芯片材料的機(jī)械加工性能。另外材料的生物相容性、表面性質(zhì)、光學(xué)性質(zhì)、分子吸附性、絕緣性及化學(xué)惰性等性質(zhì)也會影響芯片檢測性能。為滿足不同鄰域的使用要求，在選擇微流控芯片材料時需要考慮以下幾點(diǎn)要求，如圖3所示。

圖3微流控芯片選材依據(jù)

微流控芯片的商業(yè)化過程中，聚合物由于其成本更低，且制造工藝更簡單，同時，聚合物在生物相容性和靈活性方面更優(yōu)，并且可以通過多種方法進(jìn)行物理或者化學(xué)修飾。其越來越多的應(yīng)用在微流控芯片的生產(chǎn)當(dāng)中。常見的聚合物材料有聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚二甲基硅氧烷 (PDMS)和聚碳酸酯(PC)等。

2 PMMA

PMMA 是一種長鏈高分子聚合物，因其具有高透明度，外觀材質(zhì)又與玻璃相似，故被稱作有機(jī)玻璃，也常用作玻璃的替代品。PMMA 作為熱塑性材料的代表，具有較高的機(jī)械強(qiáng)度，耐高溫，透光性和親水性較好。PMMA 具有良好的光學(xué)性能，高達(dá) 92%的透光率使其廣泛應(yīng)用于光學(xué)領(lǐng)域相關(guān)實(shí)驗(yàn)檢測。

可以通過激光燒蝕(最廣泛使用的方法)、熱壓、數(shù)控加工和銑削等技術(shù)進(jìn)行物理操作。且 PMMA 更易于表面功能化處理，比如親水性和疏水性處理，化學(xué)處理胺功能化等。采用較為傳統(tǒng)的加工方式，這樣也有利于降低生產(chǎn)成本，從而實(shí)現(xiàn)大批量地生產(chǎn)。具體的制備工藝流程如下。

1） 繪制芯片結(jié)構(gòu)

在繪制微流控芯片結(jié)構(gòu)過程中，會使用到一些常見的繪圖軟件，如 SolidWorks、AutoCAD 等，利用上述繪圖軟件設(shè)計并繪制出需求的 PMMA 微流控芯片結(jié)構(gòu)。微流控芯片的結(jié)構(gòu)設(shè)計通常包括了三種類型，分別是常規(guī)、含彎曲、含擋板通道結(jié)構(gòu)。根據(jù)目標(biāo)找出能夠順利實(shí)現(xiàn)目標(biāo)效果的最簡結(jié)構(gòu)，同時繪制過程也要考慮實(shí)際加工難度和可行性。必要時候可以提前研究流體在微通道中的流動、混合效果，以及能否順利流入微樣品池并排出廢液，以此來保證所設(shè)計的微流控芯片微通道尺寸的精準(zhǔn)性。

2）切割、打孔、刻蝕

針對所設(shè)計的微流控芯片結(jié)構(gòu)進(jìn)行切割/打孔/刻蝕加工操作，此處詳細(xì)介紹打孔工藝操作，根據(jù)需要設(shè)置好打孔儀器的相關(guān)參數(shù)，固定好加工材料的位置，運(yùn)行儀器即可對其進(jìn)行操作。包括 PMMA 在內(nèi)的玻璃類材料微流控芯片的打孔方式有多種，包括了金剛石打孔、激光打孔、超聲波打孔等。其中，金剛石打孔法所需要的設(shè)備較為簡單，并且加工過程所花時間較少，但是鉆頭質(zhì)量對孔質(zhì)量影響較大，并且難以滿足較精確的尺寸要求。相較金剛石打孔而言，激光打孔法打出的孔則較細(xì)、較深，孔徑大小通常為幾十微米甚至幾微米。但是激光打孔發(fā)也存在缺點(diǎn)，在打孔過程中所使用的溶膠微粒容易在微流控芯片材料上沉積，造成裂痕的產(chǎn)生。因此，在打孔之后必須進(jìn)行拋光，以及超聲清洗。而超聲波打孔法打出的孔邊緣光滑整齊，最小孔徑尺寸在 200μm 左右，但是在封裝前也要嚴(yán)格清洗玻璃的表面，以去除殘留碎屑和雜質(zhì)。具體的打孔方法選擇需要結(jié)合微流控芯片結(jié)構(gòu)需求和實(shí)際工藝加工水平進(jìn)行選擇。

3） 拋光、清洗

工藝中如果使用到上述的激光打孔法，則必須進(jìn)行拋光和超聲清洗。通過打孔后的 PMMA 表面會殘留下有機(jī)物、無機(jī)顆粒和塵埃等雜質(zhì)，這些雜質(zhì)的存在將會直接導(dǎo)致微流控芯片表面的不平整、不均勻，以及粗糙程度不一致的情況。在打孔后續(xù)會進(jìn)行鍵合操作，如果前期沒有進(jìn)行拋光和清洗操作，那么結(jié)合界面容易產(chǎn)生衍射紋，這將直接導(dǎo)致鍵合過程的失敗。正確的操作是使用自動拋光機(jī)對微流控芯片的孔表面進(jìn)行拋光處理，從而獲得平整的 PMMA 表面，然后再將其放置于超聲清洗機(jī)中進(jìn)行超聲清洗。

4） 鍵合

微流控芯片的鍵合方法主要有直接鍵合、中間層鍵合兩種類型。直接鍵合包括熱鍵合法、陽極鍵合法等，熱鍵合法是將貼合在一起的基片放置在高溫爐中加熱后退火，界面上發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)使兩塊基片牢固鍵合在一起。直接鍵合法可以更加精準(zhǔn)地對連接兩塊基片而不引入其它物質(zhì)，但其工藝條件要求較高。中間層鍵合則是采用高分子材料作為粘結(jié)劑，粘連兩片基片，如 UV 膠、SU-8 光刻膠、AZ-4620 等。中間層鍵合法工藝簡單、價格低廉，但是工藝精度不高。

圖4 PMMA 微流控芯片工藝流程

3 PDMS

PDMS 由于制造成本低，透氣性好且具有高彈性，使其成為微流控芯片中最受歡迎的彈性材料，經(jīng)常用于細(xì)胞培養(yǎng)和生化分析等領(lǐng)域。

PDMS 是有機(jī)聚合物中的一種透明軟質(zhì)彈性材料，低自發(fā)熒光特性使其可以兼容熒光檢測。PDMS可以重復(fù)變形而不會發(fā)生永久性破壞，利用PDMS具有良好的彈性這一特質(zhì)，可以設(shè)計制作出不同微結(jié)構(gòu)的芯片，并且水、甘油、甲醇、乙醇等流體物質(zhì)不會使微結(jié)構(gòu)變形。PDMS 的透氣性也為細(xì)胞及各種微生物提供了良好的培養(yǎng)環(huán)境；除此之外，該聚合物無毒、成本低、制作簡單，能透過 300nm 以上的紫外光和可見光，是國內(nèi)外研究者廣泛應(yīng)用的芯片材料

微流控芯片的加工技術(shù)來源于集成電路、半導(dǎo)體行業(yè)的芯片加工，但微流控芯片工尺寸遠(yuǎn)大于集成電路，芯片整體大小為平方厘米級，芯片微通道寬度為微米級。本小節(jié)將闡述實(shí)際實(shí)驗(yàn)中所使用的 PDMS 微流控芯片的工藝流程，也是常見廣泛使用的加工方式，具體的制備工藝流程如下

1） 制備 PDMS 預(yù)聚體

將 PDMS 預(yù)聚物緩慢倒入塑料攪拌杯中，然后以預(yù)聚物與固化劑質(zhì)量比為 10：1 的比例加入固化劑，并攪拌混合兩種物質(zhì)，直到呈現(xiàn)唾液狀混合液為止，即為預(yù)聚體。為了避免 PDMS 預(yù)聚體中氣泡影響其固化效果，需要進(jìn)行氣泡去除處理。將裝有 PDMS 預(yù)聚體中的攪拌杯置于真空干燥器中，利用儀器的真空泵進(jìn)行抽氣抽濕，直到攪拌杯中 PDMS 預(yù)聚體氣泡基本消失。

2）加工制作模具

利用 SolidWorks、AutoCAD 等設(shè)計軟件設(shè)計并繪制好芯片三維結(jié)構(gòu)后需要進(jìn)行模具的制作，傳統(tǒng)模具加工技術(shù)基于光刻法制作硅片模具，可以實(shí)現(xiàn)微米級的通道寬度，因其對微加工技術(shù)條件要求較高，大多科研團(tuán)隊都選擇委托其它公司或科研機(jī)構(gòu)進(jìn)行代加工。當(dāng)微流控芯片結(jié)構(gòu)復(fù)雜度不高、尺寸精度要求不大時，也可以選擇 3D打印技術(shù)制造的樹脂模具。常見的熔融沉積型 3D 打印機(jī)通過熱熔加熱融化熱塑型材料，再將軟化的材料按照設(shè)計的結(jié)構(gòu)進(jìn)行堆積，最終成型。

3）勻膠、倒膠、固化

將預(yù)聚體倒入培養(yǎng)皿并放置于勻膠機(jī)上，輔勻膠體。將攪拌均勻的預(yù)聚體倒入前期制作好的模具內(nèi)，使用洗耳球輕吹去除 PDMS 表面氣泡，最后放置于真空干燥箱中加熱烘烤。

4）揭膜、切割、封閉

用手術(shù)刀沿著邊緣切下 PDMS 芯片，緩慢輕挑一角剝離模具與 PDMS 芯片，先后用乙醇、超純水、氮?dú)鉀_刷其表面以去除碎屑、灰塵等雜質(zhì)。將清洗后的微流控芯片放置在切膠臺上，按照前期設(shè)計的尺寸切除不整齊的邊緣部分，最后將制作好的PDMS 片與基片進(jìn)行粘合以封閉微流控芯片。

圖5 PDMS 微流控芯片工藝流程

審核編輯：黃飛