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        今天小編主要介紹下微流控芯片技術詳解:

 

1、微流控芯片的基質材料

        基質材料是微流控芯片的載體,在微流控芯片發展的初期,硅材料作為構建微流控芯片的首選材料而被廣泛使用,這主要歸因于業已成熟的半導體技術.但是隨著研究的不斷深入和應用領域的不斷拓展,它表現出了不同程度的局限性:硅材料屬于半導體,不能承受高電壓,此外,硅材料不透明,與光學檢測技術不兼容.

        玻璃材料具有很好的電滲性質和優良的光學性質,無論是從其物理性質還是化學性質來講,都非常適合于微流控芯片的制作,但是它的光刻和蝕刻技術工藝復雜、費時,制作成本過高,這些因素制約了玻璃微流控芯片的應用和推廣.

        因此,研究者們開始把更多的注意力轉向了原材料便宜、加工制作簡單的高分子聚合物,目前,以聚二甲基硅氧烷(PolydiMethyl-Siloxane,PDMS)為代表的有機高分子聚合物已成為微流控芯片研究的熱點,PDMS表現出了非常理想的材料特性:良好的絕緣性,能承受高電壓,已廣泛應用于各種毛細管電泳微芯片的制作;熱穩定性高,適合加工各種生化反應芯片;具有很高的生物兼容性和氣體通透性,可以用于細胞培養;同時具有優良的光學特性,可應用于多種光學檢測系統;彈性模量低,適合于制作微流體控制器件,如泵膜等.此外,PDMS還可以和硅、氮化硅、氧化硅、玻璃等許多材料形成很好的密封.此外,較常用的高分子聚合物還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術

        微細加工技術是微流控芯片發展的前提條件,微流控芯片的制作技術首先起源于制造半導體及集成電路芯片所廣泛采用的光刻(Lithography)和蝕刻技術(Etching),目前已經廣泛地用于硅片、玻璃和石英等基質材料上微流體網絡的制作.其微制造工藝為:首先通過光學制板照相技術制備包括微流控芯片圖案的掩模,制備好的掩模通常是鍍有鉻層的石英玻璃板;然后用甩膠機均勻地在芯片表面涂敷一層光刻膠,在紫外光下進行曝光,顯影.上述工作完成之后,用相應的腐蝕劑對芯片進行蝕刻,蝕刻完成后,去除剩余的光刻膠便可獲得所需的芯片微細結構.該方法工藝周期長、制作成本高,但其微加工技術非常成熟.

        與硅片、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種類繁多,而且各材料之間的物理化學性質差別很大,所以它們的微加工技術表現出了一定的多樣性,目前主要有模塑法、熱壓法、LIGA技術、激光燒蝕技術和軟光刻法等.

        a、模塑法(Injection Molding)

        是指通過光刻掩模技術制得凸起的微流控芯片陽模,然后在陽模上澆注液態的高分子聚合物,當高分子聚合物完全固化后將其與陽模剝離即可得到具有微流體網絡的基片,適宜采用模塑法的高分子材料應該具有很低的黏度和很低的固化溫度,如PDMS,環氧樹脂,聚四氟乙烯等材料.

        b、熱壓法

        也是一種需要陽模的微流控芯片制造技術,該技術主要利用了高分子聚合物的玻璃轉化溫度.與模塑法相比,熱壓法制得的微通道重復性較差,而且管道易產生變形,操作條件相對苛刻.該方法主要應用于熱塑性材料的加工,如PMMA和PC等.

        c、激光燒蝕(Laser Ablation)

        是一種新型的微細加工技術,它是通過紫外激光降解高分子聚合物,適宜激光燒蝕加工的材料有PMMA、聚苯乙烯、硝化纖維等.

        微流控芯片技術詳解_微流控技術在生物醫學上的應用3、微流控芯片的微流體控制技術微流體操縱技術是微流控芯片技術中最重要的一個研究領域之一,通過各種機械或非機械力實現對流體的驅動和控制.依據微流體驅動體系中有無機械活動部件,可以將其分為機械和非機械驅動系統.

        a、機械驅動系統

        主要包括壓電微泵、靜電微泵等,它主要是通過靜電、壓電等不同方法來觸發引起的機械部件的運動,從而為微流體提供動力源,這種泵的優點是任何流體都可以推動,但其所驅動的流體呈脈沖狀而不是連續式的.

        b、非機械驅動系統

        主要包括電滲泵、熱毛細管泵等,其中電滲泵是微流控芯片系統中最常用的一種驅動力,相對于微機械壓力驅動的泵來說,電滲泵有很多優點:如電滲泵易于制作而且沒有任何移動部件,電滲泵的樣品柱只有少量的擴散,此外,可以采用改變微通道壁x(電勢)的方法來進一步控制電滲流的量和方向.

 

        4、微流控芯片檢測技術

        微流控芯片的結構特征決定了其檢測技術的特殊性,與傳統檢測儀器相比,微流控芯片對其檢測系統提出了更高的要求,如要求靈敏度高、響應速度快、具有平行分析功能和便攜式特征等,目前基于不同原理的很多檢測技術都已經應用到微流控芯片的研究中,主要有光學檢測、電化學檢測、質譜等方法.

        a、光學檢測

        光學檢測是微流控芯片檢測方法中應用最廣的一種,其優點在于靈敏度高、實用性強,且檢測器與分析對象不需直接接觸.其中激光誘導熒光檢測(Laser Induced Fluorescence,LIF)是目前最靈敏的檢測方法之一,其靈敏度達到10-9mol/L~10-12mol/L,對于某些熒光效率高的分子,其檢測能力可以達到單分子水平,因此它也是當前商品化微流控系統中唯一被采用的檢測器.但該檢測設備價格昂貴,而且體積龐大,與微尺寸的微流控芯片極不匹配,一定程度上限制了其廣泛推廣與應用.

        b、電化學檢測

        基于電化學檢測原理的檢測系統可以說是最完整的、最集成、最理想的芯片檢測系統之一,這主要有兩方面的原因:一方面,微電極的制造技術與當前微流控芯片的加工工藝是完全兼容的,可以實現大批量生產;另一方面,電化學檢測具有靈敏度高、選擇性好、不受光程和樣品渾濁度影響等優點,且只需要極少的外圍輔助設備即可實現快速檢測,圖1給出的是一種便攜式電化學檢測系統.無疑,基于電化學原理的芯片檢測技術代表未來芯片檢測器的一個重要發展方向,顯示了巨大的應用價值和潛力.

        c、質譜檢測

        質譜檢測技術作為生物化學分析的重要手段,由于能夠提供試樣組分中生物大分子的基本結構和定量信息,所以在微流控芯片檢測器中表現出了巨大潛力,但當前質譜檢測的瓶頸在于質譜儀與微流控芯片的接口問題.