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)

0 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[1]。最近十年來，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。通過微流控技術(shù)，可以將復(fù)雜的化學(xué)或生物分析合成過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[2]，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，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)展過程中很快就被以各類聚合物為代表的低成本材料所替代?，F(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[3]、熱塑性聚合物材料[4]、熱固性聚合物材料[5]、紙材料[6]、生物材料[7]等。本文的討論中，將常見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[8]，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)[9]，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[10]。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[11]

1.1.2 熱塑性塑料

熱塑性塑料是日常生活中最為常見且應(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?？捎糜诘统杀疚⒘骺匦酒臒崴苄圆牧戏N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)[12]和醫(yī)學(xué)研究[13]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)[14]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)異的透過性能和更好的熱穩(wěn)定性，同時(shí)吸水性只有PMMA的1/10[15]，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各種方法將疏水材料滲透入親水的紙纖維中，通過疏水材料的“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，常見的噴墨打印機(jī)[16]、絲網(wǎng)印刷[17]、3D打印機(jī)[18]、蠟打印機(jī)[19]甚至蠟筆[20]都可以被用來加工低成本的紙基微流控芯片。在紙張選擇上，常見的有Whatman系列濾紙[21]或色譜分析紙[22]。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，隨后通過紙纖維的孔隙對(duì)血漿和血細(xì)胞進(jìn)行分離，最后通過顯色測(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)[23]、重金屬檢測(cè)[24]、血糖檢測(cè)[25]、乳酸檢測(cè)[26]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

2 低成本微流控芯片的加工與鍵合方法

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[28,29]，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[4]。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[30]；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。

2.1.3 2D/3D打印

2D打印指辦公和實(shí)驗(yàn)場(chǎng)合常見的激光打印機(jī)[31]、噴墨打印機(jī)[32]、蠟打印機(jī)[33]、絲網(wǎng)印刷[34]等加工微流控芯片或微流控芯片倒膜模具的方法，3D打印是利用近來發(fā)展迅速的3D打印機(jī)直接打印微流控芯片或倒模模具的技術(shù)[35]。2D打印微流控芯片通常應(yīng)用在紙基微流控芯片中，通過疏水性墨水的浸透作用在親水紙材料中包圍形成微流道，圖案精度由打印機(jī)精度或絲網(wǎng)網(wǎng)孔決定，通常在80～400 μm之間。此外，還可以利用噴墨打印或絲網(wǎng)印刷在玻璃或聚合物基底上直接沉積PDMS、SU—8等材質(zhì)的微結(jié)構(gòu)，形成微流控芯片[35,36]；如果使用含有銀納米顆粒的導(dǎo)電墨水，還可在微流控芯片表面打印電極[37]。圖3(a)、圖3(b)為絲網(wǎng)印刷的基本原理[38]，通過絲網(wǎng)印刷方法加工的基于紫外感光介質(zhì)漿料(5018A,Dupont,USA)的微流道和銀電極[39]。

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)[40]、熔融沉積成型(FDM)[41]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[42]，也可以打印用于PDMS倒模的模具[43]。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[44]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[45]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[46]、PMMA/PS[47]、COC/COC[15]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[48]。

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[49]、干膜[50]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[51]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[52]，以及PDMS/SU—8[53]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。