2.1 低成本微流控芯片加工方法

選取了常用的低成本微流控芯片加工方法進(jìn)行介紹。

2.1.1 微模塑成型

由于PDMS材料在微流控芯片加工領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，基于PDMS的微模塑成型成為目前最為常見的微流控芯片加工方法。其中，使用SU—8光刻膠作為模具對(duì)PDMS進(jìn)行模塑成型較為常見，將SU—8光刻膠旋涂在硅片上并進(jìn)行光刻，根據(jù)不同型號(hào)SU—8光刻膠和旋涂速度的控制，其厚度可以在十幾到一兩百微米范圍內(nèi)自由調(diào)節(jié)；將PDMS主劑與硬化劑10∶1混合去除氣泡后緩慢傾倒在SU—8微結(jié)構(gòu)上，加熱硬化；將PDMS從SU—8模具上小心揭取，模具可以重復(fù)使用；將PDMS與玻璃等基底材料進(jìn)行氧等離子處理后鍵合。

2.1.2 激光燒蝕

這里的激光燒蝕特指使用波長(zhǎng)為10.6 μm的二氧化碳激光在聚合物材料表面進(jìn)行燒蝕加工微流道的方法。使用激光燒蝕方法加工微流道，其優(yōu)點(diǎn)在于：加工過程簡(jiǎn)單快捷，一次燒蝕即可完成加工；材料適用范圍寬，大部分聚合物材料和玻璃等均可使用該方法在表面加工微流道。缺點(diǎn)在于：在聚合物材料材料表面加工的微流道內(nèi)壁凹凸不平，存在大量氣泡，可能需要通過化學(xué)方法進(jìn)行處理；在聚合物材料表面加工流道兩側(cè)有熔融材料拋出再凝固形成的凸起，不利于后續(xù)鍵合；加工精度有限，僅適用于流道寬深度大于80 μm的應(yīng)用。激光燒蝕方法在低成本微流控芯片領(lǐng)域的應(yīng)用，目前還集中在單一聚合物材料應(yīng)用上，從未來的發(fā)展方向看，其在基于可降解生物塑料、紙、導(dǎo)電塑料等材料的微流控芯片加工領(lǐng)域還有較大的發(fā)展空間。

圖3 基于絲網(wǎng)印刷的微流控芯片

使用3D打印對(duì)微流控芯片進(jìn)行加工，主要有微立體光刻(stereo-lithography)、熔融沉積成型(FDM)等方法，其中熔融沉積成型3D打印機(jī)由于價(jià)格相對(duì)低廉可用于低成本3D微流控芯片的加工。熔融沉積成型技術(shù)既可以直接打印PC、PLA、ABS(acrylonitrile butadience styrene)等材料制成3D微流控芯片，也可以打印用于PDMS倒模的模具。但目前商業(yè)化熔融沉積成型設(shè)備的精度在100～500 μm之間，距離大部分微流控芯片的應(yīng)用需求還有一定差距，且適于微流控芯片使用的透明打印耗材選擇有限，芯片加工速度與本文介紹的其他方法相比也較慢。

2.1.4 注塑成型

注塑成型是在塑料加工領(lǐng)域使用廣泛的加工方法，近年來伴隨微注塑技術(shù)的發(fā)展，研究者開始嘗試使用注塑成型的方法加工微流控芯片，常見的用于微流控芯片的注塑材料有PMMA、COC、PDMS等。傳統(tǒng)上，使用注塑方法加工微流控芯片需先加工模具，耗時(shí)長(zhǎng)且模具價(jià)格昂貴。在低成本微流控芯片加工中，有別于傳統(tǒng)金屬模具，Hansen T S等人使用加工在鎳表面的SU—8光刻膠作為注塑模具，模具反復(fù)使用300次后制品質(zhì)量穩(wěn)定，顯著降低了成本和模具加工時(shí)間。其優(yōu)勢(shì)在于重復(fù)性好、加工速度快、可以加工3D微流控芯片，適用于大規(guī)模微流控芯片的加工；缺點(diǎn)是靈活性差，芯片結(jié)構(gòu)變動(dòng)時(shí)需要重新開模，模具成本較高。

2.2 低成本微流控芯片鍵合技術(shù)

除紙基微流控芯片可以采用開放式流道外，其他各類型微流控芯片在微結(jié)構(gòu)加工完成后都需要在流道上方覆蓋一層材料(蓋片)完成流道的封閉，即微流控芯片的鍵合。蓋片材料與基底材料可以是同類、同厚度材料，特殊用途時(shí)也可對(duì)不同類型和厚度的材料進(jìn)行鍵合。不同于超凈間內(nèi)使用精密儀器設(shè)備完成的硅、玻璃芯片間的鍵合，近年來,研究者提出了各類低成本的微流控芯片鍵合方法，主要包括熱壓鍵合(thermal compression bonding)、粘合(adhesive bonding)、表面氧等離子處理鍵合(plasma surface treatment)以及激光焊接(laser welding)等，如圖4所示。

圖4 常見微流控芯片鍵合方法

2.2.1 熱壓鍵合

熱壓鍵合圖4(a)是基于PMMA、PC、PS、COC/COP等熱塑性材料微流控芯片較為理想的鍵合方法，待鍵合的兩層材料接觸并對(duì)準(zhǔn)后，通過同時(shí)加熱加壓的方式完成芯片鍵合，加熱溫度略高于熱塑性塑料的玻璃化溫度(Tg)，壓力則可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行設(shè)定。研究者在使用熱壓方法對(duì)微流控芯片進(jìn)行鍵合的領(lǐng)域進(jìn)行了較為深入的探索，完成了PMMA/PMMA、PMMA/PS、COC/COC等材料在不同溫度和壓力下鍵合強(qiáng)度的研究。熱塑性材料使用熱壓鍵合最常出現(xiàn)的失敗情況是由于溫度或者壓力過高導(dǎo)致鍵合過程中微結(jié)構(gòu)發(fā)生坍塌，實(shí)際使用中一方面需要嚴(yán)格控制溫度和壓力的設(shè)定，另一方面也可使用氧等離子或紫外光對(duì)材料表面進(jìn)行預(yù)處理，降低聚合物材料待鍵合表面的分子量以降低表面的玻璃化溫度。

2.2.2 粘性鍵合

粘性鍵合圖4(b)，是指在芯片基底材料上添加一層粘性材料，再覆蓋蓋片進(jìn)行鍵合。這里的粘性材料通常是具有紫外固化性質(zhì)的材料(如SU—8、干膜等)，需要經(jīng)過紫外曝光實(shí)現(xiàn)基底和蓋片材料的鍵合。此外，非紫外固化材料如蠟也可以用來進(jìn)行簡(jiǎn)易的芯片鍵合。除使用粘性材料外，還可在待鍵合材料的接觸面上涂覆一層有機(jī)溶劑，通過有機(jī)溶劑材料對(duì)表面的部分溶解實(shí)現(xiàn)鍵合，缺點(diǎn)在于粘性材料或有機(jī)溶劑鍵合后在微流道內(nèi)有殘留，與流道內(nèi)液體接觸后會(huì)溶解到實(shí)驗(yàn)溶液中，可能嚴(yán)重影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

2.2.3 氧等離子表面處理鍵合

具有微結(jié)構(gòu)的PDMS基片通常使用氧等離子體對(duì)表面進(jìn)行處理后與PDMS、玻璃、PMMA、PC等材料進(jìn)行鍵合圖4(c)。如果使用PDMS、玻璃或硅材料的蓋片，PDMS基片與蓋片需要同時(shí)進(jìn)行氧等離子表面處理,從低成本加工的角度看，氧等離子表面處理設(shè)備的成本較高，實(shí)際應(yīng)用中如果不具備設(shè)備條件也可使用低成本的手持式等離子電暈設(shè)備代替氧等離子表面處理。使用氧等離子表面處理對(duì)基于PDMS材料的微流控芯片進(jìn)行鍵合，其優(yōu)勢(shì)在于：表面清潔無(wú)污染、鍵合速度較快；其劣勢(shì)在于芯片清洗等操作較為復(fù)雜，且設(shè)備成本較高。

從芯片鍵合技術(shù)發(fā)展看，目前可逆(reversible)鍵合和混合(hybrid)材料鍵合領(lǐng)域的研究最為活躍。研究者嘗試了各種物理和化學(xué)方法實(shí)現(xiàn)PDMS等材料的可逆鍵合，以及PDMS/SU—8等物理化學(xué)性質(zhì)完全不同材料間的混合鍵合。

3 結(jié) 論

針對(duì)分析化學(xué)和生命科學(xué)領(lǐng)域，介紹現(xiàn)階段低成本微流控芯片材料和加工領(lǐng)域的最新技術(shù)和成果。介紹的各類低成本微流控芯片及其加工方法都是可以通過化學(xué)和生物實(shí)驗(yàn)室的常見材料和儀器設(shè)備加工完成的，對(duì)于分析化學(xué)和生命科學(xué)領(lǐng)域希望使用微流控芯片的研究者具有實(shí)踐意義。

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