基于絲網印刷技術的微流控芯片研究進展

柴東平 范一強 張亞軍

概論

微流控技術已經在生物學、微生物學、分析化學、藥物開發和化學合成等領域中得到了越來越多的應用，并且微流控芯片也逐漸成為目前各類商業化的生物傳感器和生物分析儀器中的重要組成部分。微流控芯片為許多領域提供了快速分析檢測工具，如DNA測序、高通量藥物篩選、食品和環境檢測等，并且在體外診斷等醫療領域也發揮了重要作用。與傳統實驗室檢測儀器設備相比，微流控芯片有許多優點，如自動化、體積小、處理能力強、分析時間少、高精確度、高可靠性等。

從目前微流控芯片的發展看，微流控芯片的加工方法主要包括光刻法[1]、激光燒蝕法[2]、熱壓印法[3]、蠟打印法[4]等。光刻法是借助光刻膠將掩膜版上的圖形轉印到基體上的技術，這種方法需要有機溶劑、光刻膠、旋涂機、紫外曝光機、光刻設備等貴重儀器，不利于低成本微流控芯片的制作；激光燒蝕法是利用激光的熱作用在聚合物材料表面燒蝕微結構，微結構的加工精度高度依賴激光設備的掃描精度，此方法對技術設備要求較高；熱壓印法是利用加熱加壓將微結構轉印到聚合物基體上，由于溫度、壓力、時間等工藝參數不易控制，可重復性和轉印精度較低。上述的微流控芯片加工方法對設備要求較高，且加工過程繁瑣。將絲網印刷技術應用于微流控芯片的加工，為微流控芯片的加工制備提供了一個新的思路和解決方案，不僅提高微流控芯片加工效率，而且顯著降低成本，具有較為廣闊的應用前景。

絲網印刷是利用絲網印版圖文部分網孔透油墨，非圖文部分網孔不透墨的基本原理進行印刷。絲網印刷技術已經在服裝、電路、傳感器等方面顯出顯著優勢[5]。絲網印刷技術具有操作簡單、成本低、大規模生產等優點，與微流控技術相結合，可以用于制備微結構或者微電極，其加工精度和可重復性能夠基本滿足微流控芯片的制備需求。

本文針對目前絲網印刷與微流控技術的結合應用發展情況，首先回顧了目前絲網印刷用于制備基于PDMS、蠟等材料微流控芯片的最近技術進展，隨后討論了利用絲網印刷技術制備微流控芯片中微電極的研究進展，最后探討了未來絲網印刷與微流控技術的結合應用發展方向。

微流道物理結構的絲網印刷方法

微流道的物理結構是微流控芯片的重要組成部分，微流道構成了微流控芯片中流體運動的通路，加工微流道時所使用的材料對微流控芯片的性能有重大影響，可以用于絲網印刷加工微流道的典型材料有聚二甲基硅氧烷（PDMS）和蠟等。

1.1 PDMS

PDMS具有很高的化學/機械穩定性、生物兼容性、熱穩定性、透明性、可拉伸性等特性，且PDMS無毒、成本低廉，它是目前微流控芯片加工中所使用的典型材料之一。

圖1 (a)絲網印刷工藝原理 (b)使用焊錫材料制作微流控裝置的絲網印刷、軟光刻流程圖Fig．1 (a) Principle of screen printing process． (b) Flow diagram of screen printing and soft lithography for the fabrication

通過絲網印刷技術，可以將PDMS材料直接印刷在材料基體上，省去了常規PDMS微流控芯片加工中的微模具加工和倒模環節，顯著提高了效率。Shuangguan等人，通過絲網印刷技術，將PDMS涂刷在紙張的表面，通過PDMS定義了親水性紙上表面的流道結構。它與用軟光刻技術制成的帶有微通道的PDMS層一起組成微流控芯片。升高溫度，可以獲得更快的固化速度和更好分辨率的PDMS微流控芯片。通過對固化溫度、印刷時間和預固化時間進行調優，可以很好地控制PDMS在紙張的滲透深度[6]。

在提高PDMS絲網印刷微流道的深寬比上，Yue等人使用一種焊錫材料與絲網印刷技術相結合的方法來加工微流控芯片，顯著提升了微通道的深寬比和通道內的表面質量。如圖1所示，他們先將玻璃放在絲網印刷的平臺上，并將絲網框平行地放在玻璃基體上；接下來將焊錫布滿絲網，用刮板將焊錫均勻地通過網孔擠壓在玻璃基體上；之后，將絲網印刷的焊錫在80℃下預熱20分鐘，并冷卻到室溫；然后，將光刻后、除了氣泡的PDMS預聚合物澆注到烘干后的帶有焊錫的玻璃基體上，將其在65℃下烘干2小時，并將其與玻璃基體分離；最后將兩塊固化后的PDMS在氧等離子體中表面處理5分鐘，鍵合封裝制成微流控芯片。這種方法不需要專門的微加工設備，且微流道的高度是可以控制的[7]。

1.2 蠟

蠟具有良好的生物兼容性、塑性、易融化、易生物降解等優點，且蠟無毒、成本低，它是微流控芯片中定義親疏水性堡壘的典型材料。Dungchai等人開發了一種低成本、簡單和快速的制造方法，他們首先使用激光打印機將微結構打印在透明膠片上，并制作絲網網布；之后，將固體蠟摩擦轉印到紙上；接下來，將帶有圖案的紙放在100℃的加熱臺上，60秒后，蠟滲透進入紙基內形成疏水屏障；自然冷卻后即完成了紙基微流控芯片的加工。將絲網框放在帶有紙巾紙的加熱臺上，加熱60秒后可以去除殘留的蠟，實現重復利用[8]。

Liu等人介紹了一種簡單、廉價、快速、低能耗和高通量的基于織物的微流控芯片的制備方法，他們的加工方法與前述的方法基本相同。使用蠟將定義好的圖案通過絲網框轉印到織物表面，經過幾秒的加熱后，蠟融化在織物纖維中，冷卻至室溫后制備出微流控芯片。在他們的研究中，測得最佳熔化時間大約為5s，熔化溫度75℃，最佳的絲網框目數是300目[9]。

微電極的絲網印刷方法

利用絲網印刷電極，已經在集成電路領域得到了較為廣泛的應用[10]。在微流控領域，電極是微流控芯片中各類傳感器的重要組成部分。相比傳統電極制造技術，如金屬沉積、光刻、電化學腐蝕等，利用絲網印刷電極具有設備小型化、多功能性、低成本等優點，此外，絲網印刷電極無需使用潔凈室即可完成電極制備過程。從制造時間、成本和生產能力等方面來看，絲網印刷是一種有效的方法，同時，它對基體的選擇性低，可以在各類聚合物或無機材料表面印刷不同類型的導電材料。

2.1 Ag電極

Ag/ AgCl電極由于高穩定和準確的電化學特性和低成本、易于處理、易于制造等特點，可以小型化集成在微流控芯片上。此外，這種電極制造方法成本低，且適用于大規模生產[11]。

Wee等人開發了一種基于絲網印刷技術的電極加工方法，利用激光切割PET膜形成所需圖案替代了絲網。他們首先利用激光切割PET薄膜，使PET薄膜形成所需印刷的圖案；之后，將導電銀墨水傾倒在PET薄膜表面，用刮板刮勻導電銀油墨，使其在PMMA基體表面形成所需的電極圖案，之后在120℃下固化30分鐘；最后，用120μm厚的雙面膠帶將20mm2的帶有中間微流道的PMMA平板與前面制作的帶有銀電極的PMMA基體結合形成DEP微流控芯片[12]。Johiru等人報道了一種利用絲網框，在聚乙烯基薄膜表面印刷混合電極的微流控芯片[13]。

2.2 含碳導電油墨

圖2 利用絲網印刷技術加工含碳導電油墨電極的過程Fig．2 Process of carbon conductive ink electrode by screen printing

電極材料的性能對數字微流控芯片有重要影響，數字微流控芯片（DMF）是一種基于介電潤濕(EWOD)現象的新型液滴處理技術，DMF裝置有開放式DMF(單板)和封閉DMF（兩板）兩種配置，典型的DMF裝置有四個主要部分：基體、電極、介電層和疏水層。傳統上以玻璃或硅為基體，利用MEMS使金屬層沉積在基體上作為電極，這種技術所使用的設備極其昂貴，而Yafia等人介紹了一種利用絲網印刷電極的數字微流控芯片制造方法。如圖2所示，他們首先將感光膠均勻地涂刷在網布上，使感光乳劑完全覆蓋網布，之后進行紫外曝光；接下來，用絲網水溶解去除未曝光的圖案；然后，用橡膠刷擠壓油墨通過網孔印刷在所要產生圖案的基體上；最后，將封口薄膜鋪在電極上作為介質層，噴灑一層Rain-X作為疏水層，完成數字微流控芯片的加工[14]。Monkkonen等人則利用含碳導電油墨制造電極，并將其印刷在聚酰亞胺薄膜表面來制備一種廉價的數字微流控芯片[15]。

2.3 導電碳漿

由于碳電極具有穩定的電化學性、良好的生物相容性和力學性能等優點，是用于絲網印刷微流控芯片中電極的較為理想的材料。

Zhu等人介紹了一種通過絲網印刷技術制造微流控AC-DEP芯片的方法。圖3顯示了微流體AC-DEP芯片的絲網印刷工藝，電極和通道是由逐層的絲網印刷工藝制成的。首先，將導電碳漿印刷在清潔玻璃表面來形成互相交叉碳電極，并將其在130℃固化10分鐘，碳電極的厚度為10～15μm；之后，印刷UV固化介質，形成微流體通道；然后，將一層具有出入端口的PDMS在氧等離子體中處理，并將其鍵合在印刷介質層的頂部；最后，將整個裝置在80℃下加熱1小時，完成微流控芯片的制備過程[16]。另外，他們還通過絲網印刷技術，研制了一種簡單、低成本、高通量的連續流微流控芯片[17]。

2.4 石墨烯

石墨烯是一種新型的二維碳納米材料，由于其優異的導電性、電催化活性、電化學靈敏度，是電極材料較為理想的選擇。此外，石墨電極在微流控芯片中具有良好的穩定性和良好的重復性檢測能力。C．Karuwan等人提出了一種新的微流控芯片制造方法，通過絲網印刷技術印刷基于石墨烯的電化學電極。如圖3所示，他們先將石墨烯導電油墨通過絲網框印刷在玻璃基體上，形成工作電極，并將其在60℃下烘烤1小時；然后將Ag/AgCl糊狀物在玻璃基體表面再次印刷參考電極，并進行相同的烘烤步驟；最后，將制備的PDMS和玻璃芯片在氧等離子體中處理30秒后鍵合，制成PDMS微流控芯片。如圖4所示，分別利用絲網印刷技術加工了微流控芯片中的工作電極、計數電極和參考電極[18]。

圖3 利用絲網印刷技術制造微流控AC-DEP芯片的加工過程Fig．3 The process of making AC-DEP microfluidic chip by screen printing technology

圖4 基于絲網印刷石墨烯電化學電極的微流控芯片的試驗裝置Fig．4 A test device for a microfluidic chip based on a screen printed graphene electrochemical electrode

結論與展望

微流控芯片在生命科學、醫學等領域得到了非常廣泛的應用，然而尚缺乏高效率、低成本的批量化加工技術，絲網印刷與微流控技術相結合，為微流控芯片的批量化生產提供了新的技術路徑。采用絲網印刷技術加工微流控芯片的微流道與電極結構，不僅成本低廉，而且加工步驟少、可重復性高。但是，絲網印刷技術與微流控技術的結合應用還處在初級階段，未來可以從以下幾方面取得突破：

（1）基于絲網印刷的環保、低成本的紙基微流控芯片。對于微流控芯片的基體材料而言，紙基比傳統的玻璃和聚合物材料在成本和液滴驅動方式上具有有顯著優勢，基于紙張的微流控芯片甚至可以被稱為“零成本診斷設備”[19]。此外，基于紙張的基體加工性能好，可以很容易地穿孔、切割、折疊制成所需的微流控芯片，實現復雜的流體操控功能。因此，探索和研究適用于絲網印刷微流控芯片的紙基材料和相關加工方法具有顯著意義和廣泛的應用前景。

（2）探索新型電極材料的絲網印刷方法。因為不同的電極材料具有不同的介電常數和化學性質，所以探索出應用于不同場所的電極/復合電極材料的絲網印刷方法并將其結合在微流控芯片技術中，可以顯著提高微流控芯片的檢測靈敏度和縮短檢測時間。

（3）提高絲網印刷電極的分辨率。微流控芯片中電極結構的加工精度對芯片性能有顯著影響，例如，數字微流控芯片中，電極之間的距離越小，越有利于實現液滴的操控。因此，探索電極材料的高精度絲網印刷方法對于其與微流控芯片的結合應用具有重要意義。