微流控芯片材料的選擇
在微流控芯片研制過(guò)程中,首先要考慮芯片材料的選取。芯片材料的選取原則大體有下述幾點(diǎn):
一、芯片材料與芯片實(shí)驗(yàn)室的工作介質(zhì)之間要有良好的化學(xué)和生物相容性,不發(fā)生反應(yīng);
二、芯片材料應(yīng)有很好的電絕緣性和散熱性;
三、芯片材料應(yīng)具有良好的光學(xué)性能,對(duì)檢測(cè)信號(hào)干擾小或無(wú)干擾;
四、芯片材料表面要具有良好的可修飾性,可產(chǎn)生電滲流或固載生物大分子;
五、芯片的制作工藝簡(jiǎn)單,材料及制作成本低廉。
硅、石英和玻璃硅分為單晶硅和無(wú)定型娃,是最先嘗試使用的芯片基材。具有良好的化學(xué)惰性和熱穩(wěn)定性,單晶硅生產(chǎn)工藝和微細(xì)加工技術(shù)己趨成熟,使用光刻和燭刻方法可以高精度地復(fù)制出二維圖形或者復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu),在半導(dǎo)體和集成電路上得到廣泛應(yīng)用。
但是由于硅材料的不透明性、電絕緣性較差、抗腐蝕性能難以滿足化學(xué)分析的需要,加之易碎、價(jià)格偏高、表面化學(xué)行為也較復(fù)雜的缺點(diǎn)在微流控芯片中的應(yīng)用受到限制。盡管如此,由于硅材料具有良好的光潔度和成熟的加工工藝,作為微加工中的微模材料和某些功能單元加工中仍常有應(yīng)用,如可用于加工微系、微閥等流體驅(qū)動(dòng)和控制元件,此外,在用模塑法、熱壓法制作高分子聚合物芯片時(shí)常用它作相應(yīng)的模具。
石英和玻璃有良好的電滲和優(yōu)良的光學(xué)特性,彌補(bǔ)了單晶硅在光學(xué)和電學(xué)特性方面的不足,而且他們的表面吸附和表面反應(yīng)能力都有利于對(duì)表面改性,尤其是玻璃作為化學(xué)分析的反應(yīng)和測(cè)量容器的傳統(tǒng)材料,具有易得、廉價(jià)等優(yōu)點(diǎn),很快成為微流控系統(tǒng)主流基材之一。玻璃具有的電滲性質(zhì)、光透明性為微流控系統(tǒng)的故障診斷和光學(xué)檢測(cè)提供了便利條件,尤其是石英,適合于用紫外分光光度法檢測(cè)的微流控芯片制作。
有機(jī)高分子聚合物高分子聚合物種類多,加工成型方便,原材料價(jià)格較低,具有良好的透明性和介電—性,成為玻璃材料之后另一類主要芯片材料。用于微流控芯片制作的高分子聚合物主要有三類:熱塑性聚合物、固化型聚合物和溶劑揮發(fā)型聚合物。熱塑型聚合物,即室溫下為固體的塑料,有聚甲基丙燏酸甲酯和水凝膠等。溶劑揮發(fā)型聚合物有兩稀酸、橡膠和氟塑料等制作時(shí)將他們?nèi)苡谶m當(dāng)?shù)娜軇?,再通過(guò)緩慢揮發(fā)溶劑而得到芯片。
固化型聚合物有聚二甲基娃氧焼、環(huán)氧樹脂和聚氨酯等,它們與固化劑混合后,經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的固化變硬即得到芯片。彈性體材料,又稱硅橡膠,是眾多聚合物中用得較多的一種,也是當(dāng)前應(yīng)用最多的微流控芯片材料之一。由于具有獨(dú)特的彈性,良好的透光性,介電性,化學(xué)惰性,無(wú)毒,耐用,容易加工又廉價(jià)而迅速普及。容易由單體和交聯(lián)劑的預(yù)聚物熱交聯(lián)而得,反應(yīng)溫和,在下就能實(shí)現(xiàn)。能透過(guò)以上的紫外與可見光;能可逆和重復(fù)變形而不發(fā)生永久性破壞;能用模塑法高保真地復(fù)制微流控芯片;能在芯片微通道表面進(jìn)行多種改性修飾;它不僅能與自身可逆結(jié)合,還能與玻璃、硅、二氧化硅和氧化型多聚物可逆結(jié)合。
由于微流控芯片中的生物、化學(xué)反應(yīng)常常是在液相下進(jìn)行的,與各種溶劑的相容性在應(yīng)用研究中顯得非常重要。等寸的耐溶劑特性進(jìn)行了系統(tǒng)研究,漢等“對(duì)聚合物基材的特點(diǎn)進(jìn)行了很好的綜述,并提出選擇聚合物材料的主要考慮因素:(1)良好的光學(xué)性質(zhì);⑵易于加工;⑶對(duì)待分析物惰性;⑷良好的電和熱特性;有多種表面修飾和改性方法。光敏聚合物光刻膠)光刻膠是感光樹脂、增感劑和溶劑三種主要成分組成的對(duì)光敏感的混合液體。根據(jù)用途不同,有不同濃度、不同物理化學(xué)和光學(xué)性質(zhì)的品種供選擇。
光刻膠有兩種基本類型,一種在曝光時(shí)發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)形成曝光前更難溶的聚合物,即負(fù)膠,如光刻膠;另一種在光時(shí)聚合物發(fā)生鏈斷裂分解而變得更容易溶解,即正膠,如光刻膠。最有代表性的光敏聚合物材料是光刻膠。PDMS是一種環(huán)氧型聚合物材料,最早由公司開發(fā)并申請(qǐng)專利。它本身既可作光膠,同時(shí)也可作為微結(jié)構(gòu)材料。PDMS的光學(xué)透明性、硬質(zhì)、光敏的獨(dú)特性質(zhì),在微加工材料中獨(dú)樹一峽。主要特點(diǎn)如下:有很好的烘前自平能力;高機(jī)械強(qiáng)度;高化學(xué)惰性;可進(jìn)行高深寬比、厚膜和多層結(jié)構(gòu)加工。由于該光膠在近紫外區(qū)光透過(guò)率高,因而在厚膠上仍有很好的曝光均勾性,即使膜厚達(dá),獲得的圖形邊緣仍近乎垂直,深寬比可達(dá)。
標(biāo)簽:   微流控芯片材料的選擇