微流控芯片的發(fā)展歷程

摘 要：隨著自然科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，系統(tǒng)的微型化是大勢所趨。微流控芯片作為生物、化學(xué)、醫(yī)學(xué)、流體、電子、材料、機(jī)械等交叉學(xué)科而興起的研究熱點(diǎn)，本文主要介紹了微流控芯片的發(fā)展歷程，并闡釋了微流控芯片和微流控器件的應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：微電機(jī)；微流控；芯片；PDMS

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.13.108

1 微機(jī)電系統(tǒng)

近幾十年來，自然科學(xué)技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要趨勢是逐漸向微型化邁進(jìn)，系統(tǒng)的微型化是大勢所趨，微機(jī)電系統(tǒng)（Micro Electro-Mechanical Systems，MEMS）就是微型化、集成化與智能化發(fā)展的典型。MEMS的定義是：集微型傳感器、微型執(zhí)行器以及控制電路等于一體的能夠完成特定功能的微型器件或者系統(tǒng)，其中微型傳感器、執(zhí)行器和相對應(yīng)的控制電路是MEMS的主體三部分，另外還包括信號處理、接口、電源等其他輔助部分[1-6]。

MEMS技術(shù)作為機(jī)械工程、微電子技術(shù)、控制工程、流體力學(xué)、材料學(xué)、生物醫(yī)學(xué)、化學(xué)等交叉興起的研究領(lǐng)域，具有以下特點(diǎn)：

（1）微型化：尺寸小、質(zhì)量輕、響應(yīng)快。

（2）集成化：MEMS技術(shù)可以把多個(gè)傳感器、執(zhí)行器、控制電路和信號處理等集成在一塊方寸大小的芯片上，構(gòu)成微系統(tǒng)。

（3）智能化：隨著人們生活水平的提高，以MEMS為技術(shù)支持的具有感知能力、學(xué)習(xí)能力以及行為決策能力的智能化產(chǎn)品越來越受歡迎。

（4）材料：MEMS技術(shù)主要是以硅材料為主，其性能穩(wěn)定，礦產(chǎn)存儲豐富。

（5）批量生產(chǎn)：利用微加工技術(shù)，在一塊硅基板上可以加工出成千上萬個(gè)元件，并且可以重復(fù)加工。

（6）節(jié)能環(huán)保：非常低的生產(chǎn)成本、能源消耗更加符合當(dāng)下的發(fā)展理念。

工業(yè)發(fā)達(dá)的國家非常注重MEMS技術(shù)的發(fā)展，在二十一世紀(jì)MEMS技術(shù)必將成為一個(gè)新的國家經(jīng)濟(jì)增長點(diǎn)。我國對MEMS技術(shù)研究開始于上世紀(jì)80年代，并且受到教育部、科技部、基金委等各部門的大力支持。

2 微全分析系統(tǒng)

上世紀(jì)90年代初，瑞士的Manz和Widmer在MEMS技術(shù)基礎(chǔ)之上，提出了微全分析系統(tǒng)（Micro Total Analysis Systems，μTAS）[7]。作為MEMS技術(shù)新的應(yīng)用，μTAS在臨床醫(yī)學(xué)、醫(yī)藥檢測、生物化學(xué)、生命科學(xué)等領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。根據(jù)芯片的結(jié)構(gòu)和工作原理，可以將μTAS劃分為微陣列（生物）芯片和微流控芯片[8-9]。

微陣列（生物）芯片的發(fā)展要早于微流控芯片，是以微探針陣列為結(jié)構(gòu)特征，主要用于DNA分析，因此也稱為基因芯片。而微流控芯片（Microfluidics Chips）以微通道網(wǎng)絡(luò)為結(jié)構(gòu)特征，通過把分析設(shè)備微型化、便攜化和集成化，最大程度的將分析實(shí)驗(yàn)室的各種功能轉(zhuǎn)移到一個(gè)方寸大小的芯片上面，以其為研究分析和操作平臺，完成采樣、稀釋、分離、混合、加試劑、反應(yīng)、檢測等各種相關(guān)實(shí)驗(yàn)。因此，這種能夠代替實(shí)驗(yàn)室完成各種分析實(shí)驗(yàn)的芯片也被稱為芯片實(shí)驗(yàn)室（Lab-on-a-Chip）。表1是微陣列（生物）芯片與微流控芯片的比較[10]，可以發(fā)現(xiàn)它們之間存在著相互補(bǔ)充的關(guān)系，二者通過這種相互補(bǔ)充、借鑒的關(guān)系共同帶動微全分析系統(tǒng)的快速發(fā)展。

3 微流控芯片

微流控芯片或者芯片實(shí)驗(yàn)室是以分析化學(xué)和分析生物為研究對象，利用微加工技術(shù)在芯片基板上面刻劃、加工微通道，最終封裝成帶有流體進(jìn)口、中間流道、出口的封裝芯片。作為生物、化學(xué)、醫(yī)學(xué)、流體、電子、材料、機(jī)械等交叉學(xué)科而興起的研究熱點(diǎn)，微流控芯片無論在幾何尺寸還是分析功能都要比一般的常規(guī)實(shí)驗(yàn)具有非常明顯的優(yōu)勢：

（1）高度集成化、體積小、結(jié)構(gòu)簡單。微流控芯片只需通過微加工機(jī)技術(shù)，將所需要的微通道集成到一塊基板上面，形成微通道網(wǎng)絡(luò)，因此不僅體積微小只有方寸大小，而且網(wǎng)絡(luò)狀的微結(jié)構(gòu)比較簡單。一般傳統(tǒng)的反應(yīng)器內(nèi)部動力元件較多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、加工要求高，相對于常規(guī)的機(jī)械加工反應(yīng)器，微流控芯片的加工更加簡便、經(jīng)濟(jì)。

（2）降低消耗、環(huán)保。微流控芯片所需樣品液和檢測液的量相對于常規(guī)實(shí)驗(yàn)室分析要大大的減少，只有數(shù)微升，所需外界附加的能源更加少，因此整體很大程度的降低了珍貴樣品液與檢測液的消耗和能源的消耗，而且更加環(huán)保符合當(dāng)下社會綠色低碳的環(huán)保思想，將會成為未來分析實(shí)驗(yàn)的主流分析平臺。

（3）安全性能較好。微流控芯片體積小、結(jié)構(gòu)簡單、集成化、所需附加能量少，因此在芯片加工、運(yùn)輸、實(shí)驗(yàn)室操作等過程中，能夠避免產(chǎn)生如加工斷裂報(bào)廢、運(yùn)輸報(bào)廢、操作爆炸等更多的危險(xiǎn)狀況，加工、使用更加安全。

（4）分析效率高。微流控芯片不僅結(jié)構(gòu)尺寸的微小，而且微通道具有非常高的傳質(zhì)和傳熱效率，其效率一般高出宏觀試驗(yàn)方法一到二個(gè)數(shù)量級。

（5）因微流控芯片在結(jié)構(gòu)、材料、能耗、安全性和高效率等方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢，當(dāng)商業(yè)采用大批量生產(chǎn)時(shí)，能夠大大降低材料、生產(chǎn)成本，能夠帶來巨大的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。

綜上所述，微流控芯片的發(fā)展優(yōu)勢和廣泛應(yīng)用將帶動生物檢測、化學(xué)分析、臨床醫(yī)學(xué)、生命科學(xué)、藥劑合成等研究領(lǐng)域一項(xiàng)重大變革。

4 微流控器件

一般地，完成微流控分析、檢測實(shí)驗(yàn)的有效組成器件主要包括：微型閥門、微型泵、微混合器（微反應(yīng)器）、微型感應(yīng)器、微儲液器、微電極、微檢測元件等功能部件。

正常情況下，微流控芯片進(jìn)行分析實(shí)驗(yàn)之前，要事先把各種樣品液與檢測液進(jìn)行高效混合。例如，新藥劑的合成、化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行、臨床醫(yī)學(xué)檢測都必須建立在不同流體充分混合的基礎(chǔ)上。另外，因微觀流體的尺度效應(yīng)存在，宏觀上的流體混合理論可能已經(jīng)不再適用微觀混合，所以如何設(shè)計(jì)出在最短的時(shí)間內(nèi)、最大程度上實(shí)現(xiàn)不同流體物質(zhì)高效快速混合的微混合器，是目前微流控芯片研究的一個(gè)重點(diǎn)課題。

微流控芯片上的通道一般是分布在長幾十毫米、寬幾十毫米、厚度在幾個(gè)毫米的透明基片上面，芯片一般常用的材料有硅片、玻璃、PDMS等等。圖1是PDMS材料的化學(xué)分子結(jié)構(gòu)。

5 微流控芯片的加工技術(shù)

模塑法是當(dāng)下制作微流控芯片的常用方法。該方法加工過程簡單、環(huán)保經(jīng)濟(jì)，可以適應(yīng)大批量芯片的生產(chǎn)。其加工工藝是通過光刻膠事先制作出具有微通道同樣形狀的凸起，之后在模具上注塑PDMS材料，通過添加固化劑的方式，最后退模得到具有微通道的PDMS基片。具有微通道的PDMS基片可以與空白基片鍵合，也可以與同樣具有微通道的基片進(jìn)行鍵合，最后通過打孔的方式加工出微通道芯片的進(jìn)去口。

加工過程中最常用的模具材料是SU-8正光膠或著負(fù)光膠，具體加工步驟是：首先在透光玻璃上面涂上一層SU-8正或負(fù)光刻膠，再將菲林掩膜覆蓋在光刻膠上面，然后用紫外線光垂直照射在菲林掩膜上，最后通過顯影就可以得到具有微通道對應(yīng)凹凸的陰或陽模。得到模具之后，就可以在模具上面澆注PDMS液體材料，再添加固化劑，一定時(shí)間之后將固化后的PDMS從模具上面剝落下來，就可以得到具有微通道的PDMS基片，之后或與空白蓋片或與同樣具有微通道的基片進(jìn)行鍵合，就可以加工出所需要的微通道芯片。模塑法加工微通道PDMS芯片的過程如圖2所示。

6 總結(jié)

本文首先介紹了MEMS技術(shù)的微型化、集成化的發(fā)展趨勢；其次綜述了微全分析系統(tǒng)的發(fā)展歷程；接著詳細(xì)介紹了微流控芯片和微流控器件的應(yīng)用價(jià)值；最后介紹了微流控芯片常用材料和加工技術(shù)。

通過本文的綜述，希望能讓初入微流控領(lǐng)域的學(xué)者對微流控芯片的發(fā)展及應(yīng)用有初步的了解，為將來研究微流控打下一定的基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

[1]Bryzek J.Impact of MEMS technology on society[J].Sensors & Actuators A Physical，1996，56（1-2）：1-9.

[2]張威，張大成，王陽元.MEMS概況及發(fā)展趨勢[J].微納電子技術(shù)， 2002，39（01）：22-27.

[3]劉光輝，亢春梅.MEMS技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢[J].傳感器與微系統(tǒng)，2001，20（01）：52-56.

[4]李志信，羅小兵，過增元.MEMS技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].傳感器與微系統(tǒng)，2001，20（09）：58-60.

[5]童志義，趙曉東.國內(nèi)外MEMS器件現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].電子工業(yè)專用設(shè)備，2002，31（04）：200-206.

[6]趙曉峰，溫殿忠.MEMS研究與發(fā)展前景[J].黑龍江大學(xué)自然科學(xué)學(xué)報(bào)，2002，19（01）：64-69.

[7]Manz A，Graber N，Widmer H M.Miniaturized total chemical analysis systems： A novel concept for chemical sensing[J]. Sensors & Actuators B Chemical，1990，1（1-6）：244-248.

[8]Effenhauser C S，Manz A，Widmer H M. Manipulation of Sample Fractions on a Capillary Electrophoresis Chip[J].Analytical Chemistry，1995，67（13）：2284-2287.

[9]Nguyen N T，Wu Z.TOPICAL REVIEW： Micromixers—a review[J]. Journal of Micromechanics & Microengineering，2005，15（02）：1-16.

[10]方肇倫，方群.微流控芯片發(fā)展與展望[J].現(xiàn)代科學(xué)儀器， 2001（04）：3-6.

作者簡介：孟婷婷（1992-），女，河南商丘人，碩士，助理工程師。