微流控技术及微流控器件制造

笑看风云

微流控芯片是指在不同材料（玻璃、硅或聚二甲基硅氧烷的聚二甲基硅氧烷等聚合物）上通过刻蚀或模压形成一系列微通道。微流控芯片里的微通道连接在一起，以实现所需的功能（混合、泵、分类或控制生化环境）。微流控芯片内的微通道网络，通过芯片的输入和输出端口与外部连接实现对微流体进行精确控制，成为宏观和微观世界的接口。通过这些接口，液体（或气体）可以通过外部主动系统（压力控制器、注射器泵或蠕动泵）或被动方式（如流体静水压）注入和从微流控芯片中排出。



1.微流体研究的是液体在微米级通道内的流动

为了研究微流体，通道至少在一个维度上必须在微米或几十微米范围内。微流控既可以被视为一门科学（研究流体在微通道中的行为），也可以被视为一种技术（制造用于实验研究的微流体装置，例如芯片实验室）。如果研究人员现在可以在制造微流控芯片的全套技术材料中进行选择，那么必须考虑到，微流控芯片的制造过程最初是基于源自发达半导体工业的光刻法。由于沉积和电沉积、蚀刻、键合、注塑成型、压纹和软光刻(特别是结合PDMS使用)等特定工艺的发展，使聚合物（例如PDMS）、陶瓷（例如玻璃）、半导体（例如硅）和金属等材料用于制作微流控芯片成为可能。就我们所知，只有少数的微流控芯片制造商能提供较全面的芯片加工及材料提供。了解并改造这些材料可以设计出具有新特性的微流控芯片，比如特定的光学特性、生物或化学相容性、更快的原型制作或更低的生产成本及电传感装置等。最终的选择取决于所需的应用程序。目前，许多研究者都在使用具有操作简单和加工速度快优势的软光刻芯片（PDMS）加工技术。通过它，研究人员可以快速构建原型和测试他们的应用/装置，而不是浪费时间在艰苦的芯片制作过程上。与一般观念相反，软光刻不需要数百平方米的洁净空间。事实上，实验室通风柜下的一个小工作台空间足以放置必要的快速PDMS原型仪器，快速评估微流控芯片功能并获得可发表的结果。
2.微流控技术的诞生晶体管和微处理器制造技术可以应用于制造微型通道并将它们集成在芯片上。因此，微流控技术的历史将把我们带回到第一次月球探险的时候，从我们的打印机头到我们的医学应用。




微型处理器50年代见证了第一批晶体管的发明和发展。它们由半导体制成，逐渐取代了以前用于制造电子设备（收音机、电脑……）的灯具。在60年代，通过具有250亿美元预算的阿波罗太空研究计划，开展了计算机小型化的研究项目，目的是把它们带到太空，特别是月球上。光刻等技术的发展使数以千计的晶体管微型化并集成到半导体晶片上成为可能，其中主要是硅晶片。这项研究产生了世界上第一个集成电路，随后是第一个微处理器。在80年代，为微电子工业开发的硅蚀刻工艺的使用，制造了第一个包含机械微元素集成在硅片上的装置。这些新型器件被称为MEMS（微型电子机械系统）并在工业上得到了应用，特别是在压力传感器和打印机头领域。


在90年代，许多研究者尝试探讨了MEMS在生物学、化学和生物医学领域的应用。这些应用需要控制液体在微通道中的运动，并推动了微流体技术的发展。一项主要的研究工作是开发芯片上的实验室，以便能够在一个微流控芯片上集成几乎所有完整的生物、化学和生物医学反应检测所需的全部操作过程。在那个时候，大多数微流体装置仍然是由硅或玻璃制成，因此，必须配置微电子工业的昂贵的设备。



玻璃芯片

在21世纪初，基于压印成型微通道的聚合物(如PDMS)技术经历了快速的增长。这些装置降低了成本，缩短了生产时间，使得大量的实验室可以进行微流体的研究。今天，成千上万的研究人员正在努力扩展微流体的应用领域，特别是在生物学、化学和生物医学领域。


3.微流控芯片制备技术目前最简单的微流控装置是通过将软光刻复制成型的具有微通道的聚合物与平整的表面（例如载玻片）进行键合组成。通过软光刻复制成型制作微流控芯片最常用的聚合物是PDMS。PDMS是一种透明的、生物相容性好的（与用于隆胸的硅胶非常类似）、可变形且价格低廉的弹性体。它很容易浇铸成型并与玻璃键合。由于这些优势，它被广泛应用于研究实验室。制造一个简单的微流控芯片需要几个步骤。本文介绍了一种用软光刻技术制作微流控芯片的方法。（1）微流控芯片通道设计:微流控芯片的制造首先要用专门软件（AUTOCAD, Illustrator,LEDIT…）设计微流控通道。一旦设计完成，它可以通过激光直写技术转移到掩模上:最常见的模板是镀铬的玻璃板或塑料薄膜。这可以交给专门的制造商制备。因此，微结构是用UV不透明油墨印刷（如果基材是塑料薄膜）或蚀刻在铬上（如果基材是玻璃板）。



以玻璃为底刻蚀铬制备的光学模板

（2）光刻法制作微流控芯片阳模:这一步将掩膜上的微结构转移到模具上形成微通道。微结构被“雕刻”在模具上，复制过程将使形成与“雕刻”结构相反的微通道并转移到制备微流控芯片的材料上。(1)光胶树脂按要求的厚度涂在平面上（通常是硅片，光胶的厚度决定微流体通道的高度）(2)将掩模置于光胶的上方并密接触，然后在紫外光下曝光。因此，在负光胶树脂如SU-8的情况下，只有部分代表通道（透光部分）暴露在紫外光和固化，模具的其他部分被不透明的区域的掩膜保护。(3)模具浸泡在一种溶剂中完成显影过程，这种溶剂可以蚀刻没有暴露在紫外光下的树脂区域。(4)我们获得一个带有微流控结构的阳模具，上面有掩模上的图案的光胶复制品（微通道会在模具上产生浮雕）。通道的高度是由原光胶在晶圆片上的厚度决定的。随后用硅烷处理模具，以便在成型步骤中容易脱模（见下一段）。



阳模制备过程

（3）微流控芯片成型:(1)成型步骤允许从模具大批量生产微流控芯片。(2)将PDMS(液体)与交联剂(用于固化PDMS)的混合物倒入模具，高温加热。(3)  PDMS一旦固化，就可以从模具上取下。我们获得具有微通道的PDMS块。(4)为了能够为将来的实验注入流体，微流控装置的输入和输出用与连接管大小一致的PDMS打孔器打孔。(5)最后，对带有微通道的PDMS块的表面和载玻片进行等离子体处理。(6)通过等离子体处理，PDMS与玻璃通过永久性键合来形成封闭的微流控芯片。该芯片现在已经准备好连接微流控储液槽与连接泵的微流体管。Tygon管和Teflon管是最常用的微流体管。



基于PDMS的微流控芯片制备过程

4.微流控芯片应用微流控技术有很多应用，主要包括:

• 在医学领域，可以在同一个芯片上同时实现多个指标的检测；
  
• 在细胞生物领域，因为微通道具有与细胞相同的特征尺寸，微流控芯片使单细胞操作和药物浓度梯度变化变得更容易实现。
  
• 在蛋白结晶领域，微流控芯片可以在单个芯片上可以调控产生大量的结晶条件（温度，pH，湿度…）
  
• 还有许多其他领域:药物筛选、葡萄糖测试、化学微反应器、电化学、微冷却处理器或微型燃料电池等。
  

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