手机安全防护软件 精准医疗的微流控技术(2)

微流控芯片的制备

微流控芯片通过微细加工技术集成各种不同功能的单元，如微反应池、微泵、微阀、检测单元等。微通道加工技术与以硅材料二维和浅深度加工为主的集成电路芯片不同。微流控芯片微通道的两个重要指标是深宽比和微通道界面形状。

深宽比指在基片上形成的微结构的深度特征与宽度特征之比，高深宽比结构加工难度较大。对于直接加工法，形状特征与腐蚀的方向性有关，即各向同性或各向异性会形成不同的几何形貌特征；对于复制加工方法，如热模压和模塑法等，微通道几何形状直接与模板形状及加工工艺有关。

1、微流控芯片的材料

微流控芯片结构设计选取材料时考虑的主要因素是：

① 优良的加工性能，便于生产以降低费用。

② 生物相容性或化学惰性，不影响分析试剂、药物的化学性质；

③ 散热和绝缘性；

④ 良好的光透性能，适应光学检测的要求。

另外还要考虑材料的电渗流特性、表面可修饰性及可密封性能等。

到目前为止，制作微流控芯片的材料主要有：硅、玻璃、石英、高聚物、陶瓷、纸等。选择合适的材料对于制作工艺选择和微流控芯片的成功应用非常重要。

（1） 硅材料

单晶硅是最先尝试使用的芯片基材。硅及二氧化硅具有良好的化学惰性和热稳定性，而且硅的微细加工技术已趋成熟。即使复杂的三维结构，也可用整体和表面微加工技术进行高精度的复制。

硅材料的缺点在于易碎、成本高、不透光、电绝缘性差且表面化学行为复杂等，虽然较厚的氧化层（>15 μm）可以提高其绝缘层，但厚氧化层尚无成熟的键合方法。上述缺点限制了硅材料在微流控芯片中的广泛应用。但由于硅和聚合物材料间的粘附系数小，故现常用来制作聚合物微通道芯片时所用到的模具。

（2） 玻璃

玻璃和石英弥补了单晶硅在电学和光学方面的不足，价廉、易得，具有良好的电渗性和良好的光学性质，为微系统的故障诊断和光学检测提供了便利条件； 然而，玻璃和石英微流控芯片存在着制作工艺复杂，加工成本过高.

而且使用玻璃和石英作基体材料时，通常使用各向同性腐蚀技术，很难获得高深宽比的微结构，深度刻蚀困难，键合温度高和键合成品率低，使芯片性能难以改善，且需要相应的洁净条件和制作设备，工艺过程复杂。

要想制作对液体操控所必需的微泵和微阀是非常困难的。这些都限制了玻璃微芯片的普及化和深度产业化。

（3） 高分子聚合物

与硅和玻璃相比，聚合物材料种类多、选择面广、价格便宜，具有良好的绝缘性和透光性，可施加高电场实现快速分离，成型容易、批量生产成本低，易获得高深宽比的微结构，微通道表面一般不需或仅需较少修饰，绝大部分聚合物材料对生物样品或化学样品具有相容性，更适合于一次性使用，具有广阔的应用前景，已引起极大的关注。

用于制作微流控芯片的聚合物主要可分为三类：热塑性聚合物、固化型聚合物和溶剂挥发型聚合物。手机安全防护软件热塑性聚合物有聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、聚碳酸酯（PC）和聚乙烯（PE）等；固化型聚合物有聚硅氧烷（PDMS）、环氧树脂和聚氨酯等；溶剂挥发型聚合物有丙烯酸、橡胶和氟塑料等。其中，常用的有PMMA和PDMS。

PMMA材料具有良好的电绝缘性，可施加高电场进行快速分离。透光性好，成本低，成型容易，可选择多种加工方法，如模压法、注塑法、准分子激光微刻蚀加工等，现已得到了极为广泛的应用。

弹性高分子材料PDMS（又称硅橡胶），具有价格便宜，绝缘性好，无毒；它的透光性好，能透过250 nm以上的紫外光与可见光，易于检测；成型容易，批量生产成本低等优点。但PDMS材料制成的微结构的稳定性较差，疏水性较强，经常需要进行特别处理来进行改进。

选择聚合物做芯片材料时，应根据加工工艺、应用环境及检测方法等诸多因素和聚合物的光电、机械及化学性质选择适用的类型，并注意聚合物材料在所使用的环境下的惰性、电绝缘性、热性能和表面合适的修饰改性方法等。一般应注意以下几个方面的问题：

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