今天小编主要介绍下微流控芯片技术详解:

 

1、微流控芯片的基质材料

        基质材料是微流控芯片的载体,在微流控芯片发展的初期,硅材料作为构建微流控芯片的首选材料而被广泛使用,这主要归因于业已成熟的半导体技术.但是随着研究的不断深入和应用领域的不断拓展,它表现出了不同程度的局限性:硅材料属于半导体,不能承受高电压,此外,硅材料不透明,与光学检测技术不兼容.

        玻璃材料具有很好的电渗性质和优良的光学性质,无论是从其物理性质还是化学性质来讲,都非常适合于微流控芯片的制作,但是它的光刻和蚀刻技术工艺复杂、费时,制作成本过高,这些因素制约了玻璃微流控芯片的应用和推广.

        因此,研究者们开始把更多的注意力转向了原材料便宜、加工制作简单的高分子聚合物,目前,以聚二甲基硅氧烷(PolydiMethyl-Siloxane,PDMS)为代表的有机高分子聚合物已成为微流控芯片研究的热点,PDMS表现出了非常理想的材料特性:良好的绝缘性,能承受高电压,已广泛应用于各种毛细管电泳微芯片的制作;热稳定性高,适合加工各种生化反应芯片;具有很高的生物兼容性和气体通透性,可以用于细胞培养;同时具有优良的光学特性,可应用于多种光学检测系统;弹性模量低,适合于制作微流体控制器件,如泵膜等.此外,PDMS还可以和硅、氮化硅、氧化硅、玻璃等许多材料形成很好的密封.此外,较常用的高分子聚合物还包括聚甲基丙烯酸甲酯(PolyMethylMethAcrylate,PMMA)、聚碳酸酯(PolyCarbonate,PC)等.

 

2、微流控芯片的加工技术

        微细加工技术是微流控芯片发展的前提条件,微流控芯片的制作技术首先起源于制造半导体及集成电路芯片所广泛采用的光刻(Lithography)和蚀刻技术(Etching),目前已经广泛地用于硅片、玻璃和石英等基质材料上微流体网络的制作.其微制造工艺为:首先通过光学制板照相技术制备包括微流控芯片图案的掩模,制备好的掩模通常是镀有铬层的石英玻璃板;然后用甩胶机均匀地在芯片表面涂敷一层光刻胶,在紫外光下进行曝光,显影.上述工作完成之后,用相应的腐蚀剂对芯片进行蚀刻,蚀刻完成后,去除剩余的光刻胶便可获得所需的芯片微细结构.该方法工艺周期长、制作成本高,但其微加工技术非常成熟.

        与硅片、玻璃材料不同的是,可用于微流控芯片加工制作的高分子聚合物种类繁多,而且各材料之间的物理化学性质差别很大,所以它们的微加工技术表现出了一定的多样性,目前主要有模塑法、热压法、LIGA技术、激光烧蚀技术和软光刻法等.

        a、模塑法(Injection Molding)

        是指通过光刻掩模技术制得凸起的微流控芯片阳模,然后在阳模上浇注液态的高分子聚合物,当高分子聚合物完全固化后将其与阳模剥离即可得到具有微流体网络的基片,适宜采用模塑法的高分子材料应该具有很低的黏度和很低的固化温度,如PDMS,环氧树脂,聚四氟乙烯等材料.

        b、热压法

        也是一种需要阳模的微流控芯片制造技术,该技术主要利用了高分子聚合物的玻璃转化温度.与模塑法相比,热压法制得的微通道重复性较差,而且管道易产生变形,操作条件相对苛刻.该方法主要应用于热塑性材料的加工,如PMMA和PC等.

        c、激光烧蚀(Laser Ablation)

        是一种新型的微细加工技术,它是通过紫外激光降解高分子聚合物,适宜激光烧蚀加工的材料有PMMA、聚苯乙烯、硝化纤维等.

        微流控芯片技术详解_微流控技术在生物医学上的应用3、微流控芯片的微流体控制技术微流体操纵技术是微流控芯片技术中最重要的一个研究领域之一,通过各种机械或非机械力实现对流体的驱动和控制.依据微流体驱动体系中有无机械活动部件,可以将其分为机械和非机械驱动系统.

        a、机械驱动系统

        主要包括压电微泵、静电微泵等,它主要是通过静电、压电等不同方法来触发引起的机械部件的运动,从而为微流体提供动力源,这种泵的优点是任何流体都可以推动,但其所驱动的流体呈脉冲状而不是连续式的.

        b、非机械驱动系统

        主要包括电渗泵、热毛细管泵等,其中电渗泵是微流控芯片系统中最常用的一种驱动力,相对于微机械压力驱动的泵来说,电渗泵有很多优点:如电渗泵易于制作而且没有任何移动部件,电渗泵的样品柱只有少量的扩散,此外,可以采用改变微通道壁x(电势)的方法来进一步控制电渗流的量和方向.

 

        4、微流控芯片检测技术

        微流控芯片的结构特征决定了其检测技术的特殊性,与传统检测仪器相比,微流控芯片对其检测系统提出了更高的要求,如要求灵敏度高、响应速度快、具有平行分析功能和便携式特征等,目前基于不同原理的很多检测技术都已经应用到微流控芯片的研究中,主要有光学检测、电化学检测、质谱等方法.

        a、光学检测

        光学检测是微流控芯片检测方法中应用最广的一种,其优点在于灵敏度高、实用性强,且检测器与分析对象不需直接接触.其中激光诱导荧光检测(Laser Induced Fluorescence,LIF)是目前最灵敏的检测方法之一,其灵敏度达到10-9mol/L~10-12mol/L,对于某些荧光效率高的分子,其检测能力可以达到单分子水平,因此它也是当前商品化微流控系统中唯一被采用的检测器.但该检测设备价格昂贵,而且体积庞大,与微尺寸的微流控芯片极不匹配,一定程度上限制了其广泛推广与应用.

        b、电化学检测

        基于电化学检测原理的检测系统可以说是最完整的、最集成、最理想的芯片检测系统之一,这主要有两方面的原因:一方面,微电极的制造技术与当前微流控芯片的加工工艺是完全兼容的,可以实现大批量生产;另一方面,电化学检测具有灵敏度高、选择性好、不受光程和样品浑浊度影响等优点,且只需要极少的外围辅助设备即可实现快速检测,图1给出的是一种便携式电化学检测系统.无疑,基于电化学原理的芯片检测技术代表未来芯片检测器的一个重要发展方向,显示了巨大的应用价值和潜力.

        c、质谱检测

        质谱检测技术作为生物化学分析的重要手段,由于能够提供试样组分中生物大分子的基本结构和定量信息,所以在微流控芯片检测器中表现出了巨大潜力,但当前质谱检测的瓶颈在于质谱仪与微流控芯片的接口问题.