微流控器件技術(shù)概述和專(zhuān)利申請(qǐng)申請(qǐng)人分布

金橋

（國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專(zhuān)利局專(zhuān)利審查協(xié)作湖北中心，武漢430070）

1 微流控技術(shù)（Microfluidics）的基本概念

微流控（Microfluidics）指的是使用微流道或者微流路（直徑尺寸在10～100μm）處理或者操縱微小量流體（體積在μL或者亞μL）的系統(tǒng)所涉及的科學(xué)和技術(shù)，是一門(mén)涉及化學(xué)、物理、微電子、生物或生物醫(yī)學(xué)的新興交叉學(xué)科。實(shí)現(xiàn)微流控的系統(tǒng)，一般被稱(chēng)為微流控器件。微流控器件，一般通過(guò)微加工技術(shù)制造，在制造過(guò)程中，將包括采樣、稀釋、混合、加試劑、反應(yīng)、分離、富集、檢測(cè)等功能單元集成在器件上，可多次使用，因此，也稱(chēng)其為器件實(shí)驗(yàn)室（Lab-on-a-Chip）。

2 微流控器件的流體驅(qū)動(dòng)與控制技術(shù)

微流控器件內(nèi)是對(duì)微尺度（直徑尺寸在10～100μm 的流道中）流體進(jìn)行操縱和控制，通過(guò)引導(dǎo)流體的流動(dòng)方向及其流動(dòng)路徑，在器件內(nèi)實(shí)現(xiàn)流體或者流體內(nèi)物質(zhì)的分析、分離、混合、分散、反應(yīng)。因流體表面張力的作用，微體積的流體在微流道內(nèi)流動(dòng)所受阻力較其在宏觀環(huán)境中大，僅依靠流體自身重力，流體通常無(wú)法流動(dòng)，實(shí)際中，通過(guò)在微管道網(wǎng)絡(luò)中或者在微管道進(jìn)出口處連接微泵/微閥等驅(qū)動(dòng)部件或者單元，以實(shí)現(xiàn)流體按照預(yù)定方向//路徑流動(dòng)。在微流控器件中，可集成微電極、微檢測(cè)、微探測(cè)等功能元件，實(shí)現(xiàn)分析、分散、混合、反應(yīng)、分離、計(jì)量等功能，在醫(yī)學(xué)檢驗(yàn)中，常用于富集微量目標(biāo)物質(zhì)，實(shí)現(xiàn)微量檢測(cè)。微閥作為微流控器件內(nèi)驅(qū)動(dòng)流體的動(dòng)力源，屬于微流控器件的核心元件，現(xiàn)主要有氣動(dòng)微閥、壓電微閥、離心驅(qū)動(dòng)等機(jī)械驅(qū)動(dòng)方式以及電滲驅(qū)動(dòng)、重力驅(qū)動(dòng)、光驅(qū)動(dòng)等非機(jī)械驅(qū)動(dòng)方式。

3 微流控器件的加工材料和微加工技術(shù)

3.1 微流控器件的加工材料

微流控器件早期常用的材料是晶體硅、二氧化硅、玻璃。以PDMS 為代表的高分子聚合物材料近年來(lái)己成為微流控器件加工的主導(dǎo)原材料。

晶體硅散熱性能好、硬度大、價(jià)格便宜、來(lái)源廣、耐腐蝕，隨著微加工技術(shù)的發(fā)展，硅材料最先被用于制造微流控器件。硅材料表面良好的潔凈度、原子級(jí)的粗糙度，在成熟的微加工技術(shù)的支撐下，可一次性將微泵、微閥形成于器件中。但是，硅材料具有良好的導(dǎo)電性、不透光性、刻蝕流道的寬深比較低、粘合力小，限制了硅基微流控器件在化學(xué)、生物領(lǐng)域的應(yīng)用，從而影響了硅在微流控器件的應(yīng)用。

玻璃/二氧化硅作為硅材料的替代品，在硅材料后被廣泛用于制造微流控器件。玻璃基微流控器件解決了，很適合日常的樣品分析。

高分子聚合物材料由于來(lái)源廣、成本低、易于加工成型等優(yōu)點(diǎn)，得到了越來(lái)越多的關(guān)注。用于微流控器件制造的高分子聚合物材料主要有三大類(lèi)：熱塑性聚合物、固化型聚合物和溶劑揮發(fā)型聚合物。熱塑性聚合物包括有聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、聚苯乙烯（PS）、聚碳酸酯（PC）、聚酰胺（PI）等。固化型聚合物有聚二甲基硅氧烷（PDMS）、環(huán)氧樹(shù)脂和聚氨酯等。熱塑性聚合物直接溶解于相應(yīng)的溶劑中，而將固化型高分子聚合物材料和固化劑混合，將所得到的溶液注入模具中，固化變硬后，得到微流控器件。溶劑揮發(fā)型聚合物有丙烯酸、橡膠和氟塑料等，將它們?nèi)苡谶m當(dāng)?shù)娜軇┖螅瑯?，將所得到的溶液注入模具中，溶劑揮發(fā)后，得到器件。PDMS 是一種疏水類(lèi)的有機(jī)硅物料，具有生理惰性、良好的化學(xué)穩(wěn)定性，電絕緣性和耐候性、疏水性好，并具有很高的抗剪切能力，可在-50～200℃下長(zhǎng)期使用，由此，PDMS 制造而成的微流控器件，可以被更好地與環(huán)境中裝置、器件整合，在實(shí)際使用中，通過(guò)設(shè)計(jì)可在微流道中形成穩(wěn)定的溫度梯度，對(duì)可見(jiàn)光與紫外光的可穿透性預(yù)定目標(biāo)物質(zhì)或流體所在的位置，因PDMS 的無(wú)毒、透氣性，在生物/醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)中被廣泛應(yīng)用[1]。

3.2 微流控器件的微加工技術(shù)

圖1是利用光刻技術(shù)加工玻璃基微流控器件的流程圖。第一步，在玻璃片的表面噴涂一層被腐蝕的犧牲層，常用作犧牲層的材料是鉻/金。因金直接被形成于玻璃表面上易脫落，先在玻璃表面上形成鉻層，可提高玻璃表面和金之間的粘附性，金層是真正的犧牲層。第二步，以微加工技術(shù)中常用的紫外光光刻技術(shù)實(shí)現(xiàn)預(yù)先設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖案，后用腐蝕液腐蝕玻璃，腐蝕出的玻璃圖案即需要的溝道圖案。最后，除去光刻過(guò)程中形成于玻璃表面的光刻膠，再將上述有溝道圖案的玻璃片與另一塊玻璃片以適當(dāng)方式鍵合，制成微流控器件。

圖1 光刻技術(shù)加工玻璃基微流控器件的流程圖

使用玻璃、二氧化硅、硅基材料作為微流控器件的加工材料，雖然微加工工藝技術(shù)成熟，并能充分融合于現(xiàn)有微加工制造工廠(chǎng)中，但加工成本過(guò)高，而使用聚合物材料加工微流控器件，因原材料成本、加工技術(shù)簡(jiǎn)單，綜合成本低，對(duì)于“一次性使用”的分析領(lǐng)域非常重要。聚合物基微流控器件的加工方法包括紫外壓印法、激光消融法、鑄模法等。

聚合物基微流控器件的加工流程一般為：第一步，利用傳統(tǒng)的紫外光刻工藝加工制造微流控器件的模具；第二步，澆鑄方式得到包括未封閉溝道的聚合物片；第三步，如同前述玻璃基微流控器件加工過(guò)程；第四步，將具有溝道的聚合物片與另一聚合物片按照設(shè)計(jì)要求封裝，得到微流控器件。常用的聚合物基微流控器件的封裝方法為熱疊合法，因組成聚合物基微流控器件的一個(gè)聚合物片的表面具有一種表面特性，而另一個(gè)聚合物片的表面具有另一表面特性，當(dāng)兩種表面特性不匹配時(shí)，會(huì)影響微流控器件的性能，一般情況下，可將聚合物片表面經(jīng)過(guò)物理/化學(xué)處理，使其表面特性匹配。

4 微流控器件的檢測(cè)系統(tǒng)

4.1 質(zhì)譜檢測(cè)器

質(zhì)譜的基本原理是使試樣中各組分在離子源中發(fā)生電離，生成不同荷質(zhì)比的帶電荷的離子，經(jīng)加速電場(chǎng)的作用，形成離子束，進(jìn)入質(zhì)量分析器。在質(zhì)量分析器中，再利用電場(chǎng)和磁場(chǎng)使發(fā)生相反的速度色散，將它們分別聚焦而得到質(zhì)譜圖，從而確定其質(zhì)量。以質(zhì)譜原理實(shí)現(xiàn)物質(zhì)檢測(cè)的質(zhì)譜檢測(cè)器，一般都靈敏度高、展現(xiàn)被檢測(cè)物質(zhì)的質(zhì)量/結(jié)構(gòu)信息、可檢測(cè)物質(zhì)種類(lèi)多，并能實(shí)現(xiàn)高通量分析。將質(zhì)譜檢測(cè)器集成到微流控器件中，或者將其聯(lián)用，可實(shí)現(xiàn)對(duì)化學(xué)、生物樣品的快速、高效、大信息流量的分析。

4.2 電化學(xué)檢測(cè)器

電化學(xué)檢測(cè)器是測(cè)量物質(zhì)的電信號(hào)變化，對(duì)具有氧化還原性質(zhì)的化合物，如含硝基、氨基等有機(jī)化合物及無(wú)機(jī)陰、陽(yáng)離子等物質(zhì)可采用電化學(xué)檢測(cè)器。電化學(xué)檢測(cè)的原理是釆用電極作為傳感器，將溶液中待測(cè)組分的化學(xué)信號(hào)直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)。電化學(xué)檢測(cè)的靈敏度不受微流控器件本身的流道直徑影響，對(duì)物質(zhì)所在的微流控器件部位的透光性無(wú)要求，具有極強(qiáng)的適應(yīng)性，非常適合微流控分析系統(tǒng)集成化的要求。

4.3 光學(xué)檢測(cè)器

光學(xué)檢測(cè)法根據(jù)光學(xué)原理的不同分為熒光檢測(cè)法、吸收度檢測(cè)法、化學(xué)發(fā)光檢測(cè)法、表面等離子體共振以及光纖等。以下簡(jiǎn)要闡述熒光檢測(cè)法、吸光度檢測(cè)法、化學(xué)發(fā)光檢測(cè)法。

熒光檢測(cè)法，指利用某些物質(zhì)被紫外光照射后處于激發(fā)態(tài)，激發(fā)態(tài)分子經(jīng)歷一個(gè)碰撞及發(fā)射的去激發(fā)過(guò)程所發(fā)生的能反映出該物質(zhì)特性的熒光，可以進(jìn)行定性或定量分析的方法。在微流控器件中應(yīng)用的熒光檢測(cè)法主要是激光誘導(dǎo)熒光檢測(cè)法，它的優(yōu)點(diǎn)是靈敏度高（可達(dá)到10-9～l0-12mol/L，甚至能進(jìn)行單分子檢測(cè)）、選擇性好、線(xiàn)性范圍較寬，并且能與微流控器件分析系統(tǒng)相匹配，是應(yīng)用最早且至今仍應(yīng)用廣泛的光學(xué)檢測(cè)方法。當(dāng)檢測(cè)含有該類(lèi)物質(zhì)的溶液時(shí)，通過(guò)檢測(cè)入射熒光和透射熒光的光強(qiáng)，可獲得該物質(zhì)的含量或者判斷該物質(zhì)是否存在。

吸光度檢測(cè)，吸光度是指光線(xiàn)通過(guò)溶液或物質(zhì)前的入射光強(qiáng)度與光線(xiàn)通過(guò)溶液或物質(zhì)后的透射光強(qiáng)度的比值（I0/I1）、該比值以10 為底的對(duì)數(shù)（即lg（I0/I1）），其中I0 為入射光強(qiáng)，I1 為透射光強(qiáng)，以溶液而言，影響光強(qiáng)的因素有溶劑、濃度、溫度等。經(jīng)發(fā)現(xiàn)，一些物質(zhì)不具有熒光性，作為熒光檢測(cè)發(fā)的補(bǔ)充，將吸光度檢測(cè)裝置與微流控器件實(shí)現(xiàn)集成。

化學(xué)發(fā)光檢測(cè)，又稱(chēng)為冷光（cold light），是由化學(xué)反應(yīng)而產(chǎn)生的光輻射。利用被檢測(cè)物化學(xué)或生物反應(yīng)過(guò)程中發(fā)光的強(qiáng)度來(lái)確定被測(cè)分析物的含量，靈敏度極高、選擇性較好、儀器簡(jiǎn)單、分析速度快、線(xiàn)性范圍可寬達(dá)幾個(gè)數(shù)量級(jí)。

5 微流控器件國(guó)內(nèi)外專(zhuān)利申請(qǐng)統(tǒng)計(jì)

對(duì)于某項(xiàng)技術(shù)，專(zhuān)利申請(qǐng)量的變化趨勢(shì)體現(xiàn)了業(yè)界（包括科研和產(chǎn)業(yè)）對(duì)其的投入程度的變化，并且，專(zhuān)利的申請(qǐng)量能夠體現(xiàn)不同國(guó)家和不同公司在具體技術(shù)領(lǐng)域的地位。針對(duì)1987年至2017年的微流控器件專(zhuān)利申請(qǐng)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，全世界申請(qǐng)量8969 件，其中中國(guó)申請(qǐng)量為1870。

專(zhuān)利申請(qǐng)產(chǎn)出國(guó)一般是指一項(xiàng)技術(shù)的原創(chuàng)技術(shù)國(guó)，一般而言，一個(gè)國(guó)家擁有的原創(chuàng)技術(shù)越多，說(shuō)明其在該技術(shù)領(lǐng)域的研發(fā)能力和技術(shù)實(shí)力越強(qiáng)。通過(guò)對(duì)所檢索到的專(zhuān)利文獻(xiàn)產(chǎn)出國(guó)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析（如圖2所示），排名靠前的國(guó)家依次為美國(guó)、韓國(guó)、德國(guó)，并且排名第一的美國(guó)的申請(qǐng)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他國(guó)家，顯示出極強(qiáng)的統(tǒng)治地位。

圖2 專(zhuān)利申請(qǐng)產(chǎn)出國(guó)排名

對(duì)全球申請(qǐng)人進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)（見(jiàn)表1），排名前10 的申請(qǐng)人中沒(méi)有中國(guó)的機(jī)構(gòu)，并且，大學(xué)和科研機(jī)構(gòu)占相當(dāng)比重。進(jìn)一步，對(duì)在華申請(qǐng)人進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)（見(jiàn)表2），排名前10 的中國(guó)申請(qǐng)人中，都是高校及科研院所，而企業(yè)申請(qǐng)人排名最靠前的僅是第21 位，并且其申請(qǐng)量相對(duì)很少。由此可見(jiàn)，在中國(guó)存在著由研究走向產(chǎn)業(yè)的問(wèn)題。

表1 全球申請(qǐng)人排名

表2 在華申請(qǐng)人排名

6 結(jié)語(yǔ)

微流控器件在生物、化學(xué)、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域展現(xiàn)了巨大的應(yīng)用前景。到目前為止，微流控器件的流體驅(qū)動(dòng)和控制技術(shù)主要分為機(jī)械式和非機(jī)械式，其中，機(jī)械式的微泵/閥屬于常用流體驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)。在器件加工材料方面，PDMS 相較于其他有機(jī)聚合物、玻璃等無(wú)機(jī)材料展現(xiàn)了一定優(yōu)勢(shì)。

對(duì)微流控器件技術(shù)領(lǐng)域的國(guó)內(nèi)外專(zhuān)利申請(qǐng)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，在申請(qǐng)量方面，美國(guó)一枝獨(dú)秀，遙遙領(lǐng)先于其他國(guó)家，占全球申請(qǐng)量的60%以上。在中國(guó)國(guó)內(nèi)，以中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所、浙江大學(xué)、清華大學(xué)為代表的科研院所/大學(xué)屬于主力，其申請(qǐng)量占比大，可見(jiàn)在中國(guó)國(guó)內(nèi)，微流控器件技術(shù)還處于科研階段，急需向產(chǎn)業(yè)發(fā)展。