江樹鎮(zhèn)，郭鐘寧，鄭文書，黃紅光

（廣東工業(yè)大學機電工程學院，廣東廣州510006）

生物芯片微流道的微細加工工藝

江樹鎮(zhèn)，郭鐘寧，鄭文書，黃紅光

（廣東工業(yè)大學機電工程學院，廣東廣州510006）

在生物芯片發(fā)展初期，其基底材料主要是玻璃，這是由于其加工方法是從半導體工業(yè)轉移而來和玻璃材料的表面特性決定的。隨著大批量、低成本的需求，基底材料轉向聚合物材料，其加工方法也相應地發(fā)生轉變。通過對比，介紹了生物芯片微流道微細加工的幾種不同方法的原理及特點。

微細加工；微流道；刻蝕；微成形

生物芯片（或芯片實驗室）是集成電路芯片技術在生物化學領域的延伸和推廣，是生物化學分析與實驗的微型化。傳統(tǒng)的生物或化學實驗裝置是燒杯、燒瓶與連通管的組合，還包括注液、輸液與檢測系統(tǒng)；而生物芯片將這些系統(tǒng)都微縮到一個幾厘米或十幾厘米大小的平面基底上[1]。使用生物芯片的好處有：減少制造、使用和處理的費用；減少分析時間；減少試劑和分析物的使用量；減少有害產物的產量；增強便攜性；解決了有些研究在大尺度裝備中很難甚至無法進行的問題[2]。

生物芯片按結構形式可分為微點陣芯片與微流體芯片兩大類。微點陣芯片是大量規(guī)則排列的點陣；微流體芯片的結構比微點陣芯片復雜得多，其最基本的組成部分是微流體通道。最早的微流體芯片是1979年報道的氣相色譜分析芯片[3]。

1 早期微流道加工工藝

微流體芯片的加工主要是微流體通道的加工。硅、玻璃或石英是微流體芯片的主要基底材料。硅的微加工技術最成熟，無論是化學濕法刻蝕還是反應離子深刻蝕，都能用來制作微流體通道；采用硅材料的另一個重要原因是硅片能和玻璃通過陽極鍵合形成非常好的密封結構，這是保證微流體系統(tǒng)正常工作的首要條件。而玻璃密封的微流體加工相對于硅要困難得多，干法腐蝕的速率非常低，濕法腐蝕難以控制微流體通道的結構尺寸。此外，玻璃與玻璃的密封也比玻璃與硅的密封困難得多。

1.1 硅的刻蝕技術

早期的微流道系統(tǒng)技術是從微電子產業(yè)轉移而來，經各種曝光技術（如光學曝光、電子束曝光、聚焦離子束加工等）后得到光刻膠的微細圖形，然后通過刻蝕技術（如濕法刻蝕、干法刻蝕）將光刻膠圖形轉移到功能材料表面。

利用硅的各向異性腐蝕能刻蝕出垂直壁面，各向異性腐蝕必須使用堿性腐蝕液，其中最常用的為KOH。對微流體流道截面形狀無特殊要求，可采用各向同性腐蝕。酸性腐蝕液對硅的腐蝕是各向同性的，最常用的酸性腐蝕液是氫氟酸、硝酸與醋酸的

混合，通常稱為HNA。在硅基底上加工微流道的一般流程見圖1[4]。

圖1 光刻和刻蝕工藝

1.2 玻璃的刻蝕技術

玻璃實質上是一種非晶態(tài)二氧化硅，玻璃材料在微流體系統(tǒng)中有大量的應用。在玻璃表面腐蝕微流體通道與硅的微加工在本質上是一樣的，需經過表面處理、涂光刻膠、光學曝光、顯影等工藝獲得所需的光刻膠圖形。微流體系統(tǒng)所用的玻璃材料一般為鈉鈣玻璃或耐熱玻璃，耐熱玻璃與硅有相近的熱膨脹系數(shù)，適于與硅片進行陽極鍵合封裝。

一種在鈉鈣玻璃上加工微流道的工藝流程見圖2[5]。其中，第4步是在超聲波浴中進行緩沖氧化物刻蝕。由于微流道處的溶液不易流通，腐蝕溶液會很快飽和；當溶解過程具有氣態(tài)的反應生成物時，還會出現(xiàn)氣泡。增加超聲有利于更新蝕刻位置的溶液，減小氣泡的附著力，從而帶走氣泡。BOE的作用是使腐蝕溶液在長時間的使用中保持其最大的腐蝕能力；此外，還能降低光刻膠的腐蝕速度[4]。最后一步通過鍵合，把基板和蓋板封裝起來。在該過程中，使用粘接劑或中間層可能堵塞流道、吸收試劑或改變液體的流動模式，這種情況應該避免[6]。

圖2 鈉鈣玻璃基底上的微流道芯片快速成形簡化加工過程

雖然直接使用硅和玻璃等材料進行微流體芯片制造的技術成熟，但還有以下缺點：① 硅材料不透明，不能應用于光學檢測系統(tǒng)；② 玻璃材料雖然透明，但為非晶體材料，難以蝕刻出垂直壁面；③ 雖然硅和玻璃都能實現(xiàn)批量生產，但兩種材料的密封需在無塵環(huán)境中進行，且需要高的電壓或溫度；④價格昂貴、加工費時。

2 近期微流道加工工藝

隨著生物芯片技術的發(fā)展，要求有更低成本、更易處理的材料及大批量生產技術或快速成形技術的出現(xiàn)。目前，對芯片材料的研究主要集中在高分子聚合物，如熱塑性的poly methyl methacrylate （PMMA）聚甲基丙烯酸甲酯（俗稱有機玻璃）、具有彈性的poly dimethylsiloxane（PDMS）聚二甲基硅氧烷（俗稱有機硅）及光敏環(huán)氧樹脂SU-8光刻膠[7]。

新的微流體設備的制作方法大致可分為直寫技術和復制技術兩大類[8]。直寫技術包括激光燒蝕、激光切削、立體光刻及光敏聚合物的光刻等，主要用于實驗室單個設備分別的制作；復制技術包括熱壓、微注塑及微澆鑄等，主要用于工業(yè)大批量設備的生產。此外，對于機械微加工手段，有用于聚合物加工的微銑及用于玻璃加工的噴粉加工。

2.1 塑料微成形技術

在微系統(tǒng)器件中最適于采用高分子材料作為基礎材料的是微流體系統(tǒng)，包括生物與化學分析系統(tǒng)，如芯片實驗室系統(tǒng)。在微成形技術中通常采用的技術包括熱壓成形、微注塑成形和澆鑄成形[1]。

2.1.1 熱壓成形

熱壓成形的工藝流程為：首先，將模板與放置有高分子材料的基板同時在真空中加熱到大于高分子材料的玻璃化溫度；然后，將模板壓在加熱軟化的高分子材料上，在壓力沒有撤走前開始降溫，當溫度降到玻璃化溫度以下后，拉開模板，于是在高分子材料表面就形成了浮雕結構。在真空環(huán)境下進行加溫和壓印是為了防止模板空腔的氣體無法逃逸而在模壓材料中形成氣泡。在整個模壓過程中，脫模是最重要的環(huán)節(jié)。熱壓模板的制作一般通過硅的反應離子深刻蝕或LIGA技術得到電鑄金屬鎳結構。

2.1.2 微注塑成形

注塑是一種傳統(tǒng)工業(yè)技術。在微注塑中，有很多問題需要注意。為了保證塑料均勻填充至所有腔體角落，微注塑需要比傳統(tǒng)注塑更高的溫度和壓力；脫模過程中，注塑件結構或表面極易受損，需將冷卻系統(tǒng)集成到脫模夾具中，以保證快速冷卻；由于沒有出氣孔，還必須將模具抽真空。

因此，制作微小塑料注塑制品不是簡單地減小模具尺寸，而必須有專門設計的注塑機。微注塑的模具必須是金屬材料，因為硅材料本身的易碎性，不適于承受注塑機的機械沖擊振動。普遍的加工方法是電火花微細加工；如果構件尺寸在毫米量級以上，機械精細加工也可勝任。更小尺寸的模具則必須采用曝光形成光刻膠模，然后通過電鑄形成金屬結構，如LIGA技術[1]。

微注塑用于可重復制作的塑料微流體流道，使用材料一般是PMMA和PC。能影響微米級特征的變量包括注塑溫度和脫模后的松弛效應。通過調整加工時間和溫度，注塑機能很精確地將微流體芯片制作出來[9]。

2.1.3 澆鑄成形

用于電泳分離的PDMS芯片通過微澆鑄能很容易地制作出來，其制作流程見圖3[10]。首先，在硅或其他平面基底材料上用光刻方法制作出微結構浮雕圖形作為模板，在模板上預先涂覆一次防粘劑；然后，將PDMS與固化劑混合（10：1）并傾注于浮雕圖形表面，在PDMS未固化前放置于真空中除氣，以防止氣泡產生；最后，在60℃的熱板或烘箱中放置約1 h左右進行固化，固化后的PDMS能輕易地從模板表面剝離。此時，PDMS已印有模板上的圖案，且柔軟、具有彈性。將印有模板圖案的PDMS片貼到另一塊玻璃片上，就得到了氣密性極好的微流體通道結構。如果在玻璃基片上制作有電極，則該微流體系統(tǒng)可用來進行生物化學反應、分離或檢測，成為名副其實的芯片實驗室。

圖3 微流道澆鑄工藝過程

用于微流道制作的澆鑄成形工藝，包括模板的制作在許多文獻中被稱為軟光刻[2，9，11，12]。PDMS能重復制作亞微米級以下的微細結構特征，能通過上述簡單的模鑄工藝得到表面質量良好的微結構。PDMS被大量用來制作各種微流體器件與系統(tǒng)，進行各種生物化學表面的研究，這主要是因為它有以下顯著特點[1]：① 制作工藝簡單快捷，可大量低成本地重復制作；模板可重復利用，而其本身可以直接是光刻膠圖案，如SU-8膠形成的圖案；② 固化的PDMS片能粘到任何光滑平整的表面，依靠接觸界面的分子力形成良好的密封；③未進行表面氧化處理的PDMS呈疏水性，不適于水溶性流體，經表面氧化處理后，表面親水性能大大改善；且只有經過表面氧化處理后的PDMS微流體通道才能適于電滲流；④固化后的PDMS有極好的透明度，對＞230 nm波長的入射光幾乎沒有衰減，且自激發(fā)熒光效應很低；大部分生物分子包括DNA是靠激光激發(fā)熒光效應來檢測的。因此，由PDMS構成的生物芯片可直接通過激光檢測微流道中的反應及生成物。

上述特點中，PDMS的自發(fā)粘接是十分重要的性能[2，9，10，13]。通常，微流體器件能通過復雜的鍵合工藝得到密封的微流道或容器，如玻璃基底的熔化膠合、玻璃與硅的陽極鍵合。但對于PDMS材料，只需把芯片貼到平面基底就能把微結構密封。這種鍵合是可逆的，可通過更換或清洗芯片和基底來避免交叉污染。PDMS的永久密封可通過其表面的等離子體氧化工藝，再粘貼到基底材料[14]?；撞牧霞饶苁荘DMS本身，也能是玻璃、硅或其他高分子材料。

2.2 直寫技術

雖然熱壓、注塑和澆鑄在批量生產中很有優(yōu)勢，但這些工藝都需要模板，所以不適于快速成形。對于有機物的快速成形，最常用的方法是微銑，且已應用于工業(yè)界。由于激光加工技術的發(fā)展，尤其是納秒激光加工的應用，利用激光能量加工微流道也已成為一種不可或缺的方法。此外，還有相當成熟的噴粉加工技術的應用[15]。

2.2.1 微銑加工技術

利用微銑加工方法可加工出較復雜的截面形狀。加工后的微流道可直接封裝成為微流道芯片，或作為塑料成形的模板。但微銑加工的缺點是受制于刀具尺寸，且分辨率較低，目前約為100 μm。

Wilson等[11]結合微銑及軟光刻的方法加工出具有圓形截面的微流道。首先，利用微銑刀在平面金屬板上加工出半圓形的流道作為模板；然后，將微銑圖形通過兩次反向模鑄工藝轉換到PDMS材料上；最后，利用這些半圓形的PDMS微流道，通過對齊和鍵合制作出具有圓形截面的微流道。其加工過程見圖4。

圖4 微銑與澆鑄復合加工過程示意圖

利用上述方法可加工出直線或曲折的流道，加工結果見圖5。其中，A、D分別為銅和鋁模板；B、E為正型硅樹脂橡膠模；C、F為負型PDMS模。

圖5 復合加工產品

2.2.2 激光燒蝕

激光微細加工[4]是微納加工技術中發(fā)展很快的一個新的分支，被普遍認為是現(xiàn)代微細加工的強有力的工具之一。其中，一種廣泛應用于微納加工技術的激光源是飛秒激光器。其獨特的高峰值功率特征使它實際上可去除任何物質；熱量在極短的持續(xù)時間范圍內來不及傳遞開，使加熱和加工區(qū)被限制在很小的范圍，沒有熱擴散的作用；沒有激光照射的部分不會被加熱和熱污染損傷。激光燒蝕的實際過程很復雜，有相當多的物理、化學過程在起作用。

飛秒激光器加工時，由于其光強度特別高，光與物質作用和伴隨的能量轉移具有多光子作用的特點。聚焦激光束的束斑光強空間分布通常接近于“高斯”分布的形式。飛秒加工的范圍限于聚焦光斑中心附近，具有很高的進入納米領域的高分辨率和高精度。Eaton等[7]全面介紹了聚合物材料的飛秒激光加工技術，著重強調了其在Lab-on-a-chip中的應用；還指出由于飛秒激光和聚合物的非線性交互作用，激光誘導修正定位于極小區(qū)域，使得在三維區(qū)域中獲得高分辨率。飛秒激光加工技術可通過激光燒蝕和掩埋型光波導加工表面微流道和衍射光學零件，還可通過雙光子聚合技術加工光刻膠中的三維復雜結構。

超短脈沖飛秒激光脈沖通過非線性多光子吸收傳遞到樣品表面，激光脈沖和聚合物的非線性交互作用得到LoC器件激光加工的兩個重要結論：①由于脈沖持續(xù)時間（～100 fs）比電子-光子耦合時間（～10 ps）短，因此產生最小的熱損傷，使精密燒蝕的微流道具有最小的熱影響區(qū)；②通過聚合物中激光束的聚焦，非線性交互作用被約束在局部區(qū)域中，通過合理曝光參數(shù)的選擇可使反射率增加，可用來開發(fā)光波導直寫。

此外，飛秒激光燒蝕適用于聚合物中低表面粗糙度值的微流道制作，且某些物質（如PMMA）在飛秒激光燒蝕后由親水性變成疏水性。激光誘導的疏水性主要是因為表面形態(tài)改性及不改變表面化學性質。飛秒激光燒蝕導致的亞微米孔困住了表面和水之間的空氣，導致激光燒蝕后疏水性的增強。

3 結語

本文圍繞加工材料的發(fā)展對加工方法進行論述，對各種方法的適用場合和優(yōu)劣進行比較。此外，還有多種可用于微流道的制作方法，如SACE技術[16-17]和Rolling[18]方法等。生物芯片的應用在當前生物科技的發(fā)展中越來越重要，而在生物芯片的制作中，微納加工技術扮演著極其關鍵的角色。一系列的加工技術和材料都可用來制作生物芯片微流體系統(tǒng)。材料從早期的硅和玻璃發(fā)展到當前主流的聚合物材料，加工方法也隨著材料的轉變發(fā)生了變化。隨著探索的進行，還會有更多的方法應用于生物芯片的制作，這些方法將是更高效和經濟的。

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The Micro Machining Processes of Microchannels on Biochips

Jiang Shuzhen,Guo Zhongning,Zheng Wenshu,Huang Hongguang
（Guangdong University of Technology，510006，China）

In the initial development of biochips，the mainly substrate material was glass due to its machining methods was derived from the semiconductor industrial and its surface property.With the requirement of mass production and lower cost，the substrate materials turned to polymers and its machining methods changed correspondingly.By comparing，the principles and characteristics of several typical methods used in the micro machining of biochip microchannels was introduced.

micro machining；micro channel；etching；micro molding

TG662

A

1009－279X（2014）03－0066-05

2013-12-30

國家自然科學基金重點資助項目（U1134003）第一作者簡介：江樹鎮(zhèn)，男，1988年生，碩士研究生。