低成本聚合物微流控芯片加工技术

范一强， 王洪亮， 张亚军

(北京化工大学 机电工程学院,北京 100029)

引 言

微流控技术最初源自于微机电系统(micro-electro-mechanical system,MEMS)在微量流体操控方面的研究，形成于20世纪90年代初。最近十年来，伴随着分析化学和生命科学的蓬勃发展，由于微流芯片系统具有试剂和能量消耗少、检测和分析灵敏度高、检测时间短、可将多种功能集成化程度高等优势，在纳米纤维合成、纳米复合物制备、量子点合成、微纳米颗粒制备、电化学传感器、生物化学传感器、细胞生物学、分子生物学等领域得到了广泛的应用。通过微流控技术，可以将复杂的化学或生物分析合成过程整合在一块芯片中完成，实现了微全分析系统(μTAS)或被称为芯片上的实验室(lab-on-a-chip)。

初期的微流控芯片加工技术完全继承自MEMS加工技术，步骤都需要在超净间内使用精密微加工设备完成，芯片的设计加工成本非常高昂，严重阻碍了其在分析化学和生命科学领域的推广应用。时至今日，欧美一些微流控技术公司生产的标准化玻璃或聚合物材料微流控芯片单片售价仍在数十到几百美元，对于微流控芯片在生物、化学、医学等领域的应用和产业化也形成了阻碍。

近年来，机械、电子、化学、生物等领域的研究者根据其在各自领域的专长和经验，探索使用了多种低成本微加工方法。从相关论文的发表情况看，在Web of Science核心数据库中，从2000年到2018年1月以“低成本(low-cost)”和“微流控芯片(microfluidics)”为关键词的论文发表数量，呈逐年稳步增长的趋势，目前，该方向每年的SCI论文发表数量为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体材料，主要是由于其加工方法可以直接套用MEMS和微电子领域的加工方法。硅和玻璃材料价格昂贵且不易加工，在微流控芯片的发展过程中很快就被以各类聚合物为代表的低成本材料所替代。现有各类微流控芯片的加工方法中，可供选择的低成本材料很多，有各类弹性体材料、热塑性聚合物材料、热固性聚合物材料、纸材料、生物材料等。本文的讨论中，将常见的可用于低成本微流控芯片加工的材料分为聚合物材料、纸材料、其他材料三类分别进行介绍。

1.1 聚合物材料

1.1.1 弹性体材料

本文所述的弹性体材料指的是能够在弱应力下发生显著形变，应力松弛后能迅速恢复到接近原有状态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领域应用最为广泛的弹性体材料，PDMS用于微流控芯片最早在1998年由Whitesides等提出，PDMS具有价格低廉、光学透明、生物兼容性好、具有一定透气性等优点，是低成本微流控芯片的理想材料(如图1所示)。PDMS在微流控芯片加工中往往通过模塑成型的方法在表面形成微结构，其翻模精度甚至可以达到纳米(nm)级别。然而，PDMS也有通道易变形坍塌，对通道内流体有少量吸收等缺点。PDMS的加工和键合方法将在本文的低成本加工部分进行较为详细的介绍。

图1 基于PDMS材质的液滴发生微流控芯片

1.1.2 热塑性塑料

热塑性塑料是日常生活中最为常见且应用广泛的材料，价格非常低廉，热塑性塑料可以在一定温度条件下变软后进行塑形。可用于低成本微流控芯片的热塑性材料种类很多，主要有聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚苯乙烯(PS)、环烯烃类共聚物(COC)、聚碳酸酯(PC)、聚对苯二甲酸(PET)、聚氯乙烯(PVC)等。

热塑性塑料中，PMMA由于材料成本低、热加工和光学性能良好，基于PMMA的微流控芯片在各类生命科学和医学研究中具有广泛应用；PS具有优异的生物兼容性，作为微流控芯片的基体材料在细胞培养等领域具有显著优势；COC作为一种较新的非晶性共聚高分子材料，与PMMA等热塑性材料相比，在紫外光波段具有优异的透过性能和更好的热稳定性，同时吸水性只有PMMA的1/10，COC芯片在大多数情况下(非极端温度情况)可以直接替代昂贵的玻璃芯片。

1.2 纸材料

纸基微流控芯片是通过各种方法将疏水材料渗透入亲水的纸纤维中，通过疏水材料的“围墙”控制亲水纸纤维内的流体流动，从而形成了纸基微流控芯片，常见的喷墨打印机、丝网印刷、3D打印机、蜡打印机甚至蜡笔都可以被用来加工低成本的纸基微流控芯片。在纸张选择上，常见的有Whatman系列滤纸或色谱分析纸。与聚合物材料微流控芯片需要封闭流道不同，纸基微流控芯片由于液体在纸张纤维内部运动，往往不需要对流道进行封闭，即开放式流道(open-channel)。

图2所示的用于血细胞分离和血清蛋白检测的纸基微流控芯片，利用了浸蜡的方法定义了液体在纸纤维内流动的通道，随后通过纸纤维的孔隙对血浆和血细胞进行分离，最后通过显色测定血清蛋白含量。纸基微流控芯片由于材料和加工成本低廉，已经被广泛应用于各类医学和生命科学检测研究和应用中，如唾液乙醛检测、重金属检测、血糖检测、乳酸检测等。

图2 用于血细胞分离和血清蛋白检测的纸基微流控芯片

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