范一強(qiáng)， 王洪亮， 張亞軍

(北京化工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院,北京 100029)

引 言

微流控技術(shù)最初源自于微機(jī)電系統(tǒng)(micro-electro-mechanical system,MEMS)在微量流體操控方面的研究，形成于20世紀(jì)90年代初。最近十年來(lái)，伴隨著分析化學(xué)和生命科學(xué)的蓬勃發(fā)展，由于微流芯片系統(tǒng)具有試劑和能量消耗少、檢測(cè)和分析靈敏度高、檢測(cè)時(shí)間短、可將多種功能集成化程度高等優(yōu)勢(shì)，在納米纖維合成、納米復(fù)合物制備、量子點(diǎn)合成、微納米顆粒制備、電化學(xué)傳感器、生物化學(xué)傳感器、細(xì)胞生物學(xué)、分子生物學(xué)等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。通過(guò)微流控技術(shù)，可以將復(fù)雜的化學(xué)或生物分析合成過(guò)程整合在一塊芯片中完成，實(shí)現(xiàn)了微全分析系統(tǒng)(μTAS)或被稱為芯片上的實(shí)驗(yàn)室(lab-on-a-chip)。

初期的微流控芯片加工技術(shù)完全繼承自MEMS加工技術(shù)，步驟都需要在超凈間內(nèi)使用精密微加工設(shè)備完成，芯片的設(shè)計(jì)加工成本非常高昂，嚴(yán)重阻礙了其在分析化學(xué)和生命科學(xué)領(lǐng)域的推廣應(yīng)用。時(shí)至今日，歐美一些微流控技術(shù)公司生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)化玻璃或聚合物材料微流控芯片單片售價(jià)仍在數(shù)十到幾百美元，對(duì)于微流控芯片在生物、化學(xué)、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)化也形成了阻礙。

近年來(lái)，機(jī)械、電子、化學(xué)、生物等領(lǐng)域的研究者根據(jù)其在各自領(lǐng)域的專長(zhǎng)和經(jīng)驗(yàn)，探索使用了多種低成本微加工方法。從相關(guān)論文的發(fā)表情況看，在Web of Science核心數(shù)據(jù)庫(kù)中，從2000年到2018年1月以“低成本(low-cost)”和“微流控芯片(microfluidics)”為關(guān)鍵詞的論文發(fā)表數(shù)量，呈逐年穩(wěn)步增長(zhǎng)的趨勢(shì)，目前，該方向每年的SCI論文發(fā)表數(shù)量為550篇左右。

1 低成本微流控芯片的加工材料

硅和玻璃是最早用于微流控芯片的基體材料，主要是由于其加工方法可以直接套用MEMS和微電子領(lǐng)域的加工方法。硅和玻璃材料價(jià)格昂貴且不易加工，在微流控芯片的發(fā)展過(guò)程中很快就被以各類聚合物為代表的低成本材料所替代。現(xiàn)有各類微流控芯片的加工方法中，可供選擇的低成本材料很多，有各類彈性體材料、熱塑性聚合物材料、熱固性聚合物材料、紙材料、生物材料等。本文的討論中，將常見(jiàn)的可用于低成本微流控芯片加工的材料分為聚合物材料、紙材料、其他材料三類分別進(jìn)行介紹。

1.1 聚合物材料

1.1.1 彈性體材料

本文所述的彈性體材料指的是能夠在弱應(yīng)力下發(fā)生顯著形變，應(yīng)力松弛后能迅速恢復(fù)到接近原有狀態(tài)和尺寸的聚合物材料。聚二甲基硅氧烷(polydimethylsiloxane,PDMS)是目前在微流控芯片領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛的彈性體材料，PDMS用于微流控芯片最早在1998年由Whitesides等提出，PDMS具有價(jià)格低廉、光學(xué)透明、生物兼容性好、具有一定透氣性等優(yōu)點(diǎn)，是低成本微流控芯片的理想材料(如圖1所示)。PDMS在微流控芯片加工中往往通過(guò)模塑成型的方法在表面形成微結(jié)構(gòu)，其翻模精度甚至可以達(dá)到納米(nm)級(jí)別。然而，PDMS也有通道易變形坍塌，對(duì)通道內(nèi)流體有少量吸收等缺點(diǎn)。PDMS的加工和鍵合方法將在本文的低成本加工部分進(jìn)行較為詳細(xì)的介紹。

圖1 基于PDMS材質(zhì)的液滴發(fā)生微流控芯片

1.1.2 熱塑性塑料

熱塑性塑料是日常生活中最為常見(jiàn)且應(yīng)用廣泛的材料，價(jià)格非常低廉，熱塑性塑料可以在一定溫度條件下變軟后進(jìn)行塑形。可用于低成本微流控芯片的熱塑性材料種類很多，主要有聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚苯乙烯(PS)、環(huán)烯烴類共聚物(COC)、聚碳酸酯(PC)、聚對(duì)苯二甲酸(PET)、聚氯乙烯(PVC)等。

熱塑性塑料中，PMMA由于材料成本低、熱加工和光學(xué)性能良好，基于PMMA的微流控芯片在各類生命科學(xué)和醫(yī)學(xué)研究中具有廣泛應(yīng)用；PS具有優(yōu)異的生物兼容性，作為微流控芯片的基體材料在細(xì)胞培養(yǎng)等領(lǐng)域具有顯著優(yōu)勢(shì)；COC作為一種較新的非晶性共聚高分子材料，與PMMA等熱塑性材料相比，在紫外光波段具有優(yōu)異的透過(guò)性能和更好的熱穩(wěn)定性，同時(shí)吸水性只有PMMA的1/10，COC芯片在大多數(shù)情況下(非極端溫度情況)可以直接替代昂貴的玻璃芯片。

1.2 紙材料

紙基微流控芯片是通過(guò)各種方法將疏水材料滲透入親水的紙纖維中，通過(guò)疏水材料的“圍墻”控制親水紙纖維內(nèi)的流體流動(dòng)，從而形成了紙基微流控芯片，常見(jiàn)的噴墨打印機(jī)、絲網(wǎng)印刷、3D打印機(jī)、蠟打印機(jī)甚至蠟筆都可以被用來(lái)加工低成本的紙基微流控芯片。在紙張選擇上，常見(jiàn)的有Whatman系列濾紙或色譜分析紙。與聚合物材料微流控芯片需要封閉流道不同，紙基微流控芯片由于液體在紙張纖維內(nèi)部運(yùn)動(dòng)，往往不需要對(duì)流道進(jìn)行封閉，即開(kāi)放式流道(open-channel)。

圖2所示的用于血細(xì)胞分離和血清蛋白檢測(cè)的紙基微流控芯片，利用了浸蠟的方法定義了液體在紙纖維內(nèi)流動(dòng)的通道，隨后通過(guò)紙纖維的孔隙對(duì)血漿和血細(xì)胞進(jìn)行分離，最后通過(guò)顯色測(cè)定血清蛋白含量。紙基微流控芯片由于材料和加工成本低廉，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于各類醫(yī)學(xué)和生命科學(xué)檢測(cè)研究和應(yīng)用中，如唾液乙醛檢測(cè)、重金屬檢測(cè)、血糖檢測(cè)、乳酸檢測(cè)等。

圖2 用于血細(xì)胞分離和血清蛋白檢測(cè)的紙基微流控芯片

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