范一強， 王洪亮， 張亞軍

(北京化工大學 機電工程學院,北京 100029)

引 言

微流控技術最初源自于微機電系統(tǒng)(micro-electro-mechanical system,MEMS)在微量流體操控方面的研究，形成于20世紀90年代初。最近十年來，伴隨著分析化學和生命科學的蓬勃發(fā)展，由于微流芯片系統(tǒng)具有試劑和能量消耗少、檢測和分析靈敏度高、檢測時間短、可將多種功能集成化程度高等優(yōu)勢，在納米纖維合成、納米復合物制備、量子點合成、微納米顆粒制備、電化學傳感器、生物化學傳感器、細胞生物學、分子生物學等領域得到了廣泛的應用。通過微流控技術，可以將復雜的化學或生物分析合成過程整合在一塊芯片中完成，實現(xiàn)了微全分析系統(tǒng)(μTAS)或被稱為芯片上的實驗室(lab-on-a-chip)。

初期的微流控芯片加工技術完全繼承自MEMS加工技術，步驟都需要在超凈間內(nèi)使用精密微加工設備完成，芯片的設計加工成本非常高昂，嚴重阻礙了其在分析化學和生命科學領域的推廣應用。時至今日，歐美一些微流控技術公司生產(chǎn)的標準化玻璃或聚合物材料微流控芯片單片售價仍在數(shù)十到幾百美元，對于微流控芯片在生物、化學、醫(yī)學等領域的應用和產(chǎn)業(yè)化也形成了阻礙。

近年來，機械、電子、化學、生物等領域的研究者根據(jù)其在各自領域的專長和經(jīng)驗，探索使用了多種低成本微加工方法。從相關論文的發(fā)表情況看，在Web of Science核心數(shù)據(jù)庫中，從2000年到2018年1月以“低成本(low-cost)”和“微流控芯片(microfluidics)”為關鍵詞的論文發(fā)表數(shù)量，呈逐年穩(wěn)步增長的趨勢，目前，該方向每年的SCI論文發(fā)表數(shù)量為550篇左右。

1 低成本微流控芯片的加工材料

硅和玻璃是最早用于微流控芯片的基體材料，主要是由于其加工方法可以直接套用MEMS和微電子領域的加工方法。硅和玻璃材料價格昂貴且不易加工，在微流控芯片的發(fā)展過程中很快就被以各類聚合物為代表的低成本材料所替代。現(xiàn)有各類微流控芯片的加工方法中，可供選擇的低成本材料很多，有各類彈性體材料、熱塑性聚合物材料、熱固性聚合物材料、紙材料、生物材料等。本文的討論中，將常見的可用于低成本微流控芯片加工的材料分為聚合物材料、紙材料、其他材料三類分別進行介紹。

1.1 聚合物材料

1.1.1 彈性體材料

本文所述的彈性體材料指的是能夠在弱應力下發(fā)生顯著形變，應力松弛后能迅速恢復到接近原有狀態(tài)和尺寸的聚合物材料。聚二甲基硅氧烷(polydimethylsiloxane,PDMS)是目前在微流控芯片領域應用最為廣泛的彈性體材料，PDMS用于微流控芯片最早在1998年由Whitesides等提出，PDMS具有價格低廉、光學透明、生物兼容性好、具有一定透氣性等優(yōu)點，是低成本微流控芯片的理想材料(如圖1所示)。PDMS在微流控芯片加工中往往通過模塑成型的方法在表面形成微結(jié)構(gòu)，其翻模精度甚至可以達到納米(nm)級別。然而，PDMS也有通道易變形坍塌，對通道內(nèi)流體有少量吸收等缺點。PDMS的加工和鍵合方法將在本文的低成本加工部分進行較為詳細的介紹。

圖1 基于PDMS材質(zhì)的液滴發(fā)生微流控芯片

1.1.2 熱塑性塑料

熱塑性塑料是日常生活中最為常見且應用廣泛的材料，價格非常低廉，熱塑性塑料可以在一定溫度條件下變軟后進行塑形。可用于低成本微流控芯片的熱塑性材料種類很多，主要有聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚苯乙烯(PS)、環(huán)烯烴類共聚物(COC)、聚碳酸酯(PC)、聚對苯二甲酸(PET)、聚氯乙烯(PVC)等。

熱塑性塑料中，PMMA由于材料成本低、熱加工和光學性能良好，基于PMMA的微流控芯片在各類生命科學和醫(yī)學研究中具有廣泛應用；PS具有優(yōu)異的生物兼容性，作為微流控芯片的基體材料在細胞培養(yǎng)等領域具有顯著優(yōu)勢；COC作為一種較新的非晶性共聚高分子材料，與PMMA等熱塑性材料相比，在紫外光波段具有優(yōu)異的透過性能和更好的熱穩(wěn)定性，同時吸水性只有PMMA的1/10，COC芯片在大多數(shù)情況下(非極端溫度情況)可以直接替代昂貴的玻璃芯片。

1.2 紙材料

紙基微流控芯片是通過各種方法將疏水材料滲透入親水的紙纖維中，通過疏水材料的“圍墻”控制親水紙纖維內(nèi)的流體流動，從而形成了紙基微流控芯片，常見的噴墨打印機、絲網(wǎng)印刷、3D打印機、蠟打印機甚至蠟筆都可以被用來加工低成本的紙基微流控芯片。在紙張選擇上，常見的有Whatman系列濾紙或色譜分析紙。與聚合物材料微流控芯片需要封閉流道不同，紙基微流控芯片由于液體在紙張纖維內(nèi)部運動，往往不需要對流道進行封閉，即開放式流道(open-channel)。

圖2所示的用于血細胞分離和血清蛋白檢測的紙基微流控芯片，利用了浸蠟的方法定義了液體在紙纖維內(nèi)流動的通道，隨后通過紙纖維的孔隙對血漿和血細胞進行分離，最后通過顯色測定血清蛋白含量。紙基微流控芯片由于材料和加工成本低廉，已經(jīng)被廣泛應用于各類醫(yī)學和生命科學檢測研究和應用中，如唾液乙醛檢測、重金屬檢測、血糖檢測、乳酸檢測等。

圖2 用于血細胞分離和血清蛋白檢測的紙基微流控芯片

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