基于絲網(wǎng)印刷技術(shù)的微流控芯片研究進(jìn)展

柴東平 范一強(qiáng) 張亞軍

概論

微流控技術(shù)已經(jīng)在生物學(xué)、微生物學(xué)、分析化學(xué)、藥物開發(fā)和化學(xué)合成等領(lǐng)域中得到了越來越多的應(yīng)用，并且微流控芯片也逐漸成為目前各類商業(yè)化的生物傳感器和生物分析儀器中的重要組成部分。微流控芯片為許多領(lǐng)域提供了快速分析檢測工具，如DNA測序、高通量藥物篩選、食品和環(huán)境檢測等，并且在體外診斷等醫(yī)療領(lǐng)域也發(fā)揮了重要作用。與傳統(tǒng)實驗室檢測儀器設(shè)備相比，微流控芯片有許多優(yōu)點，如自動化、體積小、處理能力強(qiáng)、分析時間少、高精確度、高可靠性等。

從目前微流控芯片的發(fā)展看，微流控芯片的加工方法主要包括光刻法[1]、激光燒蝕法[2]、熱壓印法[3]、蠟打印法[4]等。光刻法是借助光刻膠將掩膜版上的圖形轉(zhuǎn)印到基體上的技術(shù)，這種方法需要有機(jī)溶劑、光刻膠、旋涂機(jī)、紫外曝光機(jī)、光刻設(shè)備等貴重儀器，不利于低成本微流控芯片的制作；激光燒蝕法是利用激光的熱作用在聚合物材料表面燒蝕微結(jié)構(gòu)，微結(jié)構(gòu)的加工精度高度依賴激光設(shè)備的掃描精度，此方法對技術(shù)設(shè)備要求較高；熱壓印法是利用加熱加壓將微結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)印到聚合物基體上，由于溫度、壓力、時間等工藝參數(shù)不易控制，可重復(fù)性和轉(zhuǎn)印精度較低。上述的微流控芯片加工方法對設(shè)備要求較高，且加工過程繁瑣。將絲網(wǎng)印刷技術(shù)應(yīng)用于微流控芯片的加工，為微流控芯片的加工制備提供了一個新的思路和解決方案，不僅提高微流控芯片加工效率，而且顯著降低成本，具有較為廣闊的應(yīng)用前景。

絲網(wǎng)印刷是利用絲網(wǎng)印版圖文部分網(wǎng)孔透油墨，非圖文部分網(wǎng)孔不透墨的基本原理進(jìn)行印刷。絲網(wǎng)印刷技術(shù)已經(jīng)在服裝、電路、傳感器等方面顯出顯著優(yōu)勢[5]。絲網(wǎng)印刷技術(shù)具有操作簡單、成本低、大規(guī)模生產(chǎn)等優(yōu)點，與微流控技術(shù)相結(jié)合，可以用于制備微結(jié)構(gòu)或者微電極，其加工精度和可重復(fù)性能夠基本滿足微流控芯片的制備需求。

本文針對目前絲網(wǎng)印刷與微流控技術(shù)的結(jié)合應(yīng)用發(fā)展情況，首先回顧了目前絲網(wǎng)印刷用于制備基于PDMS、蠟等材料微流控芯片的最近技術(shù)進(jìn)展，隨后討論了利用絲網(wǎng)印刷技術(shù)制備微流控芯片中微電極的研究進(jìn)展，最后探討了未來絲網(wǎng)印刷與微流控技術(shù)的結(jié)合應(yīng)用發(fā)展方向。

微流道物理結(jié)構(gòu)的絲網(wǎng)印刷方法

微流道的物理結(jié)構(gòu)是微流控芯片的重要組成部分，微流道構(gòu)成了微流控芯片中流體運動的通路，加工微流道時所使用的材料對微流控芯片的性能有重大影響，可以用于絲網(wǎng)印刷加工微流道的典型材料有聚二甲基硅氧烷（PDMS）和蠟等。

1.1 PDMS

PDMS具有很高的化學(xué)/機(jī)械穩(wěn)定性、生物兼容性、熱穩(wěn)定性、透明性、可拉伸性等特性，且PDMS無毒、成本低廉，它是目前微流控芯片加工中所使用的典型材料之一。

圖1 (a)絲網(wǎng)印刷工藝原理 (b)使用焊錫材料制作微流控裝置的絲網(wǎng)印刷、軟光刻流程圖Fig．1 (a) Principle of screen printing process． (b) Flow diagram of screen printing and soft lithography for the fabrication

通過絲網(wǎng)印刷技術(shù)，可以將PDMS材料直接印刷在材料基體上，省去了常規(guī)PDMS微流控芯片加工中的微模具加工和倒模環(huán)節(jié)，顯著提高了效率。Shuangguan等人，通過絲網(wǎng)印刷技術(shù)，將PDMS涂刷在紙張的表面，通過PDMS定義了親水性紙上表面的流道結(jié)構(gòu)。它與用軟光刻技術(shù)制成的帶有微通道的PDMS層一起組成微流控芯片。升高溫度，可以獲得更快的固化速度和更好分辨率的PDMS微流控芯片。通過對固化溫度、印刷時間和預(yù)固化時間進(jìn)行調(diào)優(yōu)，可以很好地控制PDMS在紙張的滲透深度[6]。

在提高PDMS絲網(wǎng)印刷微流道的深寬比上，Yue等人使用一種焊錫材料與絲網(wǎng)印刷技術(shù)相結(jié)合的方法來加工微流控芯片，顯著提升了微通道的深寬比和通道內(nèi)的表面質(zhì)量。如圖1所示，他們先將玻璃放在絲網(wǎng)印刷的平臺上，并將絲網(wǎng)框平行地放在玻璃基體上；接下來將焊錫布滿絲網(wǎng)，用刮板將焊錫均勻地通過網(wǎng)孔擠壓在玻璃基體上；之后，將絲網(wǎng)印刷的焊錫在80℃下預(yù)熱20分鐘，并冷卻到室溫；然后，將光刻后、除了氣泡的PDMS預(yù)聚合物澆注到烘干后的帶有焊錫的玻璃基體上，將其在65℃下烘干2小時，并將其與玻璃基體分離；最后將兩塊固化后的PDMS在氧等離子體中表面處理5分鐘，鍵合封裝制成微流控芯片。這種方法不需要專門的微加工設(shè)備，且微流道的高度是可以控制的[7]。

1.2 蠟

蠟具有良好的生物兼容性、塑性、易融化、易生物降解等優(yōu)點，且蠟無毒、成本低，它是微流控芯片中定義親疏水性堡壘的典型材料。Dungchai等人開發(fā)了一種低成本、簡單和快速的制造方法，他們首先使用激光打印機(jī)將微結(jié)構(gòu)打印在透明膠片上，并制作絲網(wǎng)網(wǎng)布；之后，將固體蠟?zāi)Σ赁D(zhuǎn)印到紙上；接下來，將帶有圖案的紙放在100℃的加熱臺上，60秒后，蠟滲透進(jìn)入紙基內(nèi)形成疏水屏障；自然冷卻后即完成了紙基微流控芯片的加工。將絲網(wǎng)框放在帶有紙巾紙的加熱臺上，加熱60秒后可以去除殘留的蠟，實現(xiàn)重復(fù)利用[8]。

Liu等人介紹了一種簡單、廉價、快速、低能耗和高通量的基于織物的微流控芯片的制備方法，他們的加工方法與前述的方法基本相同。使用蠟將定義好的圖案通過絲網(wǎng)框轉(zhuǎn)印到織物表面，經(jīng)過幾秒的加熱后，蠟融化在織物纖維中，冷卻至室溫后制備出微流控芯片。在他們的研究中，測得最佳熔化時間大約為5s，熔化溫度75℃，最佳的絲網(wǎng)框目數(shù)是300目[9]。

微電極的絲網(wǎng)印刷方法

利用絲網(wǎng)印刷電極，已經(jīng)在集成電路領(lǐng)域得到了較為廣泛的應(yīng)用[10]。在微流控領(lǐng)域，電極是微流控芯片中各類傳感器的重要組成部分。相比傳統(tǒng)電極制造技術(shù)，如金屬沉積、光刻、電化學(xué)腐蝕等，利用絲網(wǎng)印刷電極具有設(shè)備小型化、多功能性、低成本等優(yōu)點，此外，絲網(wǎng)印刷電極無需使用潔凈室即可完成電極制備過程。從制造時間、成本和生產(chǎn)能力等方面來看，絲網(wǎng)印刷是一種有效的方法，同時，它對基體的選擇性低，可以在各類聚合物或無機(jī)材料表面印刷不同類型的導(dǎo)電材料。

2.1 Ag電極

Ag/ AgCl電極由于高穩(wěn)定和準(zhǔn)確的電化學(xué)特性和低成本、易于處理、易于制造等特點，可以小型化集成在微流控芯片上。此外，這種電極制造方法成本低，且適用于大規(guī)模生產(chǎn)[11]。

Wee等人開發(fā)了一種基于絲網(wǎng)印刷技術(shù)的電極加工方法，利用激光切割PET膜形成所需圖案替代了絲網(wǎng)。他們首先利用激光切割PET薄膜，使PET薄膜形成所需印刷的圖案；之后，將導(dǎo)電銀墨水傾倒在PET薄膜表面，用刮板刮勻?qū)щ娿y油墨，使其在PMMA基體表面形成所需的電極圖案，之后在120℃下固化30分鐘；最后，用120μm厚的雙面膠帶將20mm2的帶有中間微流道的PMMA平板與前面制作的帶有銀電極的PMMA基體結(jié)合形成DEP微流控芯片[12]。Johiru等人報道了一種利用絲網(wǎng)框，在聚乙烯基薄膜表面印刷混合電極的微流控芯片[13]。

2.2 含碳導(dǎo)電油墨

圖2 利用絲網(wǎng)印刷技術(shù)加工含碳導(dǎo)電油墨電極的過程Fig．2 Process of carbon conductive ink electrode by screen printing

電極材料的性能對數(shù)字微流控芯片有重要影響，數(shù)字微流控芯片（DMF）是一種基于介電潤濕(EWOD)現(xiàn)象的新型液滴處理技術(shù)，DMF裝置有開放式DMF(單板)和封閉DMF（兩板）兩種配置，典型的DMF裝置有四個主要部分：基體、電極、介電層和疏水層。傳統(tǒng)上以玻璃或硅為基體，利用MEMS使金屬層沉積在基體上作為電極，這種技術(shù)所使用的設(shè)備極其昂貴，而Yafia等人介紹了一種利用絲網(wǎng)印刷電極的數(shù)字微流控芯片制造方法。如圖2所示，他們首先將感光膠均勻地涂刷在網(wǎng)布上，使感光乳劑完全覆蓋網(wǎng)布，之后進(jìn)行紫外曝光；接下來，用絲網(wǎng)水溶解去除未曝光的圖案；然后，用橡膠刷擠壓油墨通過網(wǎng)孔印刷在所要產(chǎn)生圖案的基體上；最后，將封口薄膜鋪在電極上作為介質(zhì)層，噴灑一層Rain-X作為疏水層，完成數(shù)字微流控芯片的加工[14]。Monkkonen等人則利用含碳導(dǎo)電油墨制造電極，并將其印刷在聚酰亞胺薄膜表面來制備一種廉價的數(shù)字微流控芯片[15]。

2.3 導(dǎo)電碳漿

由于碳電極具有穩(wěn)定的電化學(xué)性、良好的生物相容性和力學(xué)性能等優(yōu)點，是用于絲網(wǎng)印刷微流控芯片中電極的較為理想的材料。

Zhu等人介紹了一種通過絲網(wǎng)印刷技術(shù)制造微流控AC-DEP芯片的方法。圖3顯示了微流體AC-DEP芯片的絲網(wǎng)印刷工藝，電極和通道是由逐層的絲網(wǎng)印刷工藝制成的。首先，將導(dǎo)電碳漿印刷在清潔玻璃表面來形成互相交叉碳電極，并將其在130℃固化10分鐘，碳電極的厚度為10～15μm；之后，印刷UV固化介質(zhì)，形成微流體通道；然后，將一層具有出入端口的PDMS在氧等離子體中處理，并將其鍵合在印刷介質(zhì)層的頂部；最后，將整個裝置在80℃下加熱1小時，完成微流控芯片的制備過程[16]。另外，他們還通過絲網(wǎng)印刷技術(shù)，研制了一種簡單、低成本、高通量的連續(xù)流微流控芯片[17]。

2.4 石墨烯

石墨烯是一種新型的二維碳納米材料，由于其優(yōu)異的導(dǎo)電性、電催化活性、電化學(xué)靈敏度，是電極材料較為理想的選擇。此外，石墨電極在微流控芯片中具有良好的穩(wěn)定性和良好的重復(fù)性檢測能力。C．Karuwan等人提出了一種新的微流控芯片制造方法，通過絲網(wǎng)印刷技術(shù)印刷基于石墨烯的電化學(xué)電極。如圖3所示，他們先將石墨烯導(dǎo)電油墨通過絲網(wǎng)框印刷在玻璃基體上，形成工作電極，并將其在60℃下烘烤1小時；然后將Ag/AgCl糊狀物在玻璃基體表面再次印刷參考電極，并進(jìn)行相同的烘烤步驟；最后，將制備的PDMS和玻璃芯片在氧等離子體中處理30秒后鍵合，制成PDMS微流控芯片。如圖4所示，分別利用絲網(wǎng)印刷技術(shù)加工了微流控芯片中的工作電極、計數(shù)電極和參考電極[18]。

圖3 利用絲網(wǎng)印刷技術(shù)制造微流控AC-DEP芯片的加工過程Fig．3 The process of making AC-DEP microfluidic chip by screen printing technology

圖4 基于絲網(wǎng)印刷石墨烯電化學(xué)電極的微流控芯片的試驗裝置Fig．4 A test device for a microfluidic chip based on a screen printed graphene electrochemical electrode

結(jié)論與展望

微流控芯片在生命科學(xué)、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域得到了非常廣泛的應(yīng)用，然而尚缺乏高效率、低成本的批量化加工技術(shù)，絲網(wǎng)印刷與微流控技術(shù)相結(jié)合，為微流控芯片的批量化生產(chǎn)提供了新的技術(shù)路徑。采用絲網(wǎng)印刷技術(shù)加工微流控芯片的微流道與電極結(jié)構(gòu)，不僅成本低廉，而且加工步驟少、可重復(fù)性高。但是，絲網(wǎng)印刷技術(shù)與微流控技術(shù)的結(jié)合應(yīng)用還處在初級階段，未來可以從以下幾方面取得突破：

（1）基于絲網(wǎng)印刷的環(huán)保、低成本的紙基微流控芯片。對于微流控芯片的基體材料而言，紙基比傳統(tǒng)的玻璃和聚合物材料在成本和液滴驅(qū)動方式上具有有顯著優(yōu)勢，基于紙張的微流控芯片甚至可以被稱為“零成本診斷設(shè)備”[19]。此外，基于紙張的基體加工性能好，可以很容易地穿孔、切割、折疊制成所需的微流控芯片，實現(xiàn)復(fù)雜的流體操控功能。因此，探索和研究適用于絲網(wǎng)印刷微流控芯片的紙基材料和相關(guān)加工方法具有顯著意義和廣泛的應(yīng)用前景。

（2）探索新型電極材料的絲網(wǎng)印刷方法。因為不同的電極材料具有不同的介電常數(shù)和化學(xué)性質(zhì)，所以探索出應(yīng)用于不同場所的電極/復(fù)合電極材料的絲網(wǎng)印刷方法并將其結(jié)合在微流控芯片技術(shù)中，可以顯著提高微流控芯片的檢測靈敏度和縮短檢測時間。

（3）提高絲網(wǎng)印刷電極的分辨率。微流控芯片中電極結(jié)構(gòu)的加工精度對芯片性能有顯著影響，例如，數(shù)字微流控芯片中，電極之間的距離越小，越有利于實現(xiàn)液滴的操控。因此，探索電極材料的高精度絲網(wǎng)印刷方法對于其與微流控芯片的結(jié)合應(yīng)用具有重要意義。