微流控芯片的發展歷程

摘 要：隨著自然科學技術的發展，系統的微型化是大勢所趨。微流控芯片作為生物、化學、醫學、流體、電子、材料、機械等交叉學科而興起的研究熱點，本文主要介紹了微流控芯片的發展歷程，并闡釋了微流控芯片和微流控器件的應用價值。

關鍵詞：微電機；微流控；芯片；PDMS

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.13.108

1 微機電系統

近幾十年來，自然科學技術發展的一個重要趨勢是逐漸向微型化邁進，系統的微型化是大勢所趨，微機電系統（Micro Electro-Mechanical Systems，MEMS）就是微型化、集成化與智能化發展的典型。MEMS的定義是：集微型傳感器、微型執行器以及控制電路等于一體的能夠完成特定功能的微型器件或者系統，其中微型傳感器、執行器和相對應的控制電路是MEMS的主體三部分，另外還包括信號處理、接口、電源等其他輔助部分[1-6]。

MEMS技術作為機械工程、微電子技術、控制工程、流體力學、材料學、生物醫學、化學等交叉興起的研究領域，具有以下特點：

（1）微型化：尺寸小、質量輕、響應快。

（2）集成化：MEMS技術可以把多個傳感器、執行器、控制電路和信號處理等集成在一塊方寸大小的芯片上，構成微系統。

（3）智能化：隨著人們生活水平的提高，以MEMS為技術支持的具有感知能力、學習能力以及行為決策能力的智能化產品越來越受歡迎。

（4）材料：MEMS技術主要是以硅材料為主，其性能穩定，礦產存儲豐富。

（5）批量生產：利用微加工技術，在一塊硅基板上可以加工出成千上萬個元件，并且可以重復加工。

（6）節能環保：非常低的生產成本、能源消耗更加符合當下的發展理念。

工業發達的國家非常注重MEMS技術的發展，在二十一世紀MEMS技術必將成為一個新的國家經濟增長點。我國對MEMS技術研究開始于上世紀80年代，并且受到教育部、科技部、基金委等各部門的大力支持。

2 微全分析系統

上世紀90年代初，瑞士的Manz和Widmer在MEMS技術基礎之上，提出了微全分析系統（Micro Total Analysis Systems，μTAS）[7]。作為MEMS技術新的應用，μTAS在臨床醫學、醫藥檢測、生物化學、生命科學等領域中得到了廣泛的應用。根據芯片的結構和工作原理，可以將μTAS劃分為微陣列（生物）芯片和微流控芯片[8-9]。

微陣列（生物）芯片的發展要早于微流控芯片，是以微探針陣列為結構特征，主要用于DNA分析，因此也稱為基因芯片。而微流控芯片（Microfluidics Chips）以微通道網絡為結構特征，通過把分析設備微型化、便攜化和集成化，最大程度的將分析實驗室的各種功能轉移到一個方寸大小的芯片上面，以其為研究分析和操作平臺，完成采樣、稀釋、分離、混合、加試劑、反應、檢測等各種相關實驗。因此，這種能夠代替實驗室完成各種分析實驗的芯片也被稱為芯片實驗室（Lab-on-a-Chip）。表1是微陣列（生物）芯片與微流控芯片的比較[10]，可以發現它們之間存在著相互補充的關系，二者通過這種相互補充、借鑒的關系共同帶動微全分析系統的快速發展。

3 微流控芯片

微流控芯片或者芯片實驗室是以分析化學和分析生物為研究對象，利用微加工技術在芯片基板上面刻劃、加工微通道，最終封裝成帶有流體進口、中間流道、出口的封裝芯片。作為生物、化學、醫學、流體、電子、材料、機械等交叉學科而興起的研究熱點，微流控芯片無論在幾何尺寸還是分析功能都要比一般的常規實驗具有非常明顯的優勢：

（1）高度集成化、體積小、結構簡單。微流控芯片只需通過微加工機技術，將所需要的微通道集成到一塊基板上面，形成微通道網絡，因此不僅體積微小只有方寸大小，而且網絡狀的微結構比較簡單。一般傳統的反應器內部動力元件較多、結構復雜、加工要求高，相對于常規的機械加工反應器，微流控芯片的加工更加簡便、經濟。

（2）降低消耗、環保。微流控芯片所需樣品液和檢測液的量相對于常規實驗室分析要大大的減少，只有數微升，所需外界附加的能源更加少，因此整體很大程度的降低了珍貴樣品液與檢測液的消耗和能源的消耗，而且更加環保符合當下社會綠色低碳的環保思想，將會成為未來分析實驗的主流分析平臺。

（3）安全性能較好。微流控芯片體積小、結構簡單、集成化、所需附加能量少，因此在芯片加工、運輸、實驗室操作等過程中，能夠避免產生如加工斷裂報廢、運輸報廢、操作爆炸等更多的危險狀況，加工、使用更加安全。

（4）分析效率高。微流控芯片不僅結構尺寸的微小，而且微通道具有非常高的傳質和傳熱效率，其效率一般高出宏觀試驗方法一到二個數量級。

（5）因微流控芯片在結構、材料、能耗、安全性和高效率等方面具有獨特的優勢，當商業采用大批量生產時，能夠大大降低材料、生產成本，能夠帶來巨大的社會效益和經濟效益。

綜上所述，微流控芯片的發展優勢和廣泛應用將帶動生物檢測、化學分析、臨床醫學、生命科學、藥劑合成等研究領域一項重大變革。

4 微流控器件

一般地，完成微流控分析、檢測實驗的有效組成器件主要包括：微型閥門、微型泵、微混合器（微反應器）、微型感應器、微儲液器、微電極、微檢測元件等功能部件。

正常情況下，微流控芯片進行分析實驗之前，要事先把各種樣品液與檢測液進行高效混合。例如，新藥劑的合成、化學反應的進行、臨床醫學檢測都必須建立在不同流體充分混合的基礎上。另外，因微觀流體的尺度效應存在，宏觀上的流體混合理論可能已經不再適用微觀混合，所以如何設計出在最短的時間內、最大程度上實現不同流體物質高效快速混合的微混合器，是目前微流控芯片研究的一個重點課題。

微流控芯片上的通道一般是分布在長幾十毫米、寬幾十毫米、厚度在幾個毫米的透明基片上面，芯片一般常用的材料有硅片、玻璃、PDMS等等。圖1是PDMS材料的化學分子結構。

5 微流控芯片的加工技術

模塑法是當下制作微流控芯片的常用方法。該方法加工過程簡單、環保經濟，可以適應大批量芯片的生產。其加工工藝是通過光刻膠事先制作出具有微通道同樣形狀的凸起，之后在模具上注塑PDMS材料，通過添加固化劑的方式，最后退模得到具有微通道的PDMS基片。具有微通道的PDMS基片可以與空白基片鍵合，也可以與同樣具有微通道的基片進行鍵合，最后通過打孔的方式加工出微通道芯片的進去口。

加工過程中最常用的模具材料是SU-8正光膠或著負光膠，具體加工步驟是：首先在透光玻璃上面涂上一層SU-8正或負光刻膠，再將菲林掩膜覆蓋在光刻膠上面，然后用紫外線光垂直照射在菲林掩膜上，最后通過顯影就可以得到具有微通道對應凹凸的陰或陽模。得到模具之后，就可以在模具上面澆注PDMS液體材料，再添加固化劑，一定時間之后將固化后的PDMS從模具上面剝落下來，就可以得到具有微通道的PDMS基片，之后或與空白蓋片或與同樣具有微通道的基片進行鍵合，就可以加工出所需要的微通道芯片。模塑法加工微通道PDMS芯片的過程如圖2所示。

6 總結

本文首先介紹了MEMS技術的微型化、集成化的發展趨勢；其次綜述了微全分析系統的發展歷程；接著詳細介紹了微流控芯片和微流控器件的應用價值；最后介紹了微流控芯片常用材料和加工技術。

通過本文的綜述，希望能讓初入微流控領域的學者對微流控芯片的發展及應用有初步的了解，為將來研究微流控打下一定的基礎。

參考文獻：

[1]Bryzek J.Impact of MEMS technology on society[J].Sensors & Actuators A Physical，1996，56（1-2）：1-9.

[2]張威，張大成，王陽元.MEMS概況及發展趨勢[J].微納電子技術， 2002，39（01）：22-27.

[3]劉光輝，亢春梅.MEMS技術的現狀和發展趨勢[J].傳感器與微系統，2001，20（01）：52-56.

[4]李志信，羅小兵，過增元.MEMS技術的現狀及發展趨勢[J].傳感器與微系統，2001，20（09）：58-60.

[5]童志義，趙曉東.國內外MEMS器件現狀及發展趨勢[J].電子工業專用設備，2002，31（04）：200-206.

[6]趙曉峰，溫殿忠.MEMS研究與發展前景[J].黑龍江大學自然科學學報，2002，19（01）：64-69.

[7]Manz A，Graber N，Widmer H M.Miniaturized total chemical analysis systems： A novel concept for chemical sensing[J]. Sensors & Actuators B Chemical，1990，1（1-6）：244-248.

[8]Effenhauser C S，Manz A，Widmer H M. Manipulation of Sample Fractions on a Capillary Electrophoresis Chip[J].Analytical Chemistry，1995，67（13）：2284-2287.

[9]Nguyen N T，Wu Z.TOPICAL REVIEW： Micromixers—a review[J]. Journal of Micromechanics & Microengineering，2005，15（02）：1-16.

[10]方肇倫，方群.微流控芯片發展與展望[J].現代科學儀器， 2001（04）：3-6.

作者簡介：孟婷婷（1992-），女，河南商丘人，碩士，助理工程師。