（微电子学与固体电子学专业论文）基于纳米压印技术的悬浮阵列生物芯片的研究.pdf

摘要 本文主要研制一种基于微块的悬浮阵列检测系统，该系统能够迅速对待检测 生物分子群进行大规模、多路复用分析。设计了多层金属结构的微块，分别用半 导体加工技术和纳米压印技术进行制备。在微块表面的金膜上利用自组装单分子 膜法连接抗体，进行生物检测和荧光标记实验。并设计了用于捕获微块的微结构， 从而实现微块阵列化，达到将检测信息快速、准确、有条理地传送给后端光学探 测系统的目的。应用i n t e l l i s u i t e 软件对微捕获阵列进行流体仿真，得出能够实现 微块被捕获和阵列化的结论。同时研究了基于微球的悬浮阵列，分析了悬浮阵列 技术的组成、原理和特点。对微球载体制备、荧光标记方法和流式细胞仪的液流 系统分别进行了讨论，提出了应用动电聚焦方法实现对流体中的微球进行操作、 分离和计数。应用i n t e l l i s u i t e 软件对微通道中微流体进行动电聚焦仿真实验，分 别对微通道中电势、电流密度、压力、流速和样品流传输进行了分析，结果显示： 在样品流通道和聚焦流通道设置合适的电压可以实现样品流聚焦，并发生外侧高 速鞘流包裹着中心低速样品流的层流现象，可实现微球在微通道中逐个通过。 此外本文还研究了纳米压印技术。纳米压印是大通量、高分辨率、低成本的 下一代光刻技术，用于制备加工纳米结构。文中建立了完整的纳米热压印工艺流 程，并进行了工艺实践，制各了各种微结构和悬浮微块。 关键词： 悬浮阵列纳米压印动电聚焦 a b s t r a c t t h i sp a p e rp r e s e n t sa m i c r o p a r t i c l e b a s e ds u s p e n s i o na r r a yb i o c h e m i c a ld e t e c t i o n s y s t e m ，w h i c hi sc a p a b l eo fr a p i d l yc a r r y i n go u tl a r g e - s c a l e ，m u l t i p l e x e da n a l y s i so fa g r e a tn u m b e ro fb i o l o g i c a lm o l e c u l e s am u l t i - l a y e rm e t a lm i c r o p a r t i c l ei sd e s i g n e d ， a n df a b r i c a t e dr e s p e c t i v e l yb ys e m i c o n d u c t o rp r o c e s s i n gt e c h n o l o g ya n dn a n o i m p r i n t l i t h o g r a p h yt e c h n o l o g y t h eg o l df i l ms u r f a c eo fm i c r o p a r t i c l ei sc o n n e c t e dw i t h a n t i b o d ym o l e c u l e su s i n gs e l f - a s s e m b l e dm o n o l a y e r sm e t h o d ，f o rb i o l o g i c a ld e t e c t i o n e x p e r i m e n t sa n df l u o r e s c e n tl a b e l i n ge x p e r i m e n t s a n dam i c r o i s l a n d ss t r u c t u r ei s d e s i g n e df o rt h ec a p t u r eo ft h em i c r o p a r t i c l e ，t of o r ma na r r a yo fm i c r o p a r t i c l e st o s e n dt h ea r r a n g e dd e t e c t i o ni n f o r m a t i o nq u i c k l ya n da c c u r a t e l yt ot h eb a c k - e n do p t i c a l d e t e c t i o ns y s t e m s t h ei n t e l l i s u i t es o f t w a r ei se x p l o i t e dt og e n e r a t eas i m u l a t i o no f t h em i c r o p a r t i c l e c a p t u r i n ga r r a y s ，c o m i n gt ot h ec o n c l u s i o nt h a tt h em i c r o i s l a n d s c a nc a p t u r et h em i c r o p a r t i c l e s c e r t a i n l y , t h i sp a p e ra l s or e p o r t sm i c r o s p h e r e b a s e d s u s p e n s i o na r r a yt e c h n o l o g y , i n c l u d i n gt h ec o m p o s i t i o n ，p r i n c i p l ea n dc h a r a c t e r i s t i c s ， e s p e c i a l l ym i c r o s p h e r ep r e p a r a t i o n ，f l u o r e s c e n tl a b e l i n ga n df l o wc y t o m e t r ys y s t e m t h ei d e ao fu s i n ge l e c t r o k i n e t i cf o c u s i n gi sp u tf o r w a r df o ro p e r a t i o n ，s e p a r a t i o na n d c o u n t i n go fm i c r o s p h e r e si nf l u i d as i m u l a t i o no fe l e c t r o k i n e t i cf o c u s i n gi sg e n e r a t e b ye x p l o r i n gi n t e l l i s u i t es o f t w a r e ，a n de l e c t r i cp o t e n t i a l ，c u r r e n t d e n s i t y , p r e s s u r e ， f l o wr a t ea n ds a m p l es t r e a m i n ga r ea n a l y z e d ，c o m i n gt ot h ec o n c l u s i o nt h a t ：a n a d j u s t m e n to fe l e c t r i cp o t e n t i a li nt h es a m p l ef l o wa n ds h e a t hf l o wc a nm a k es a m p l e f l o wf o c u s i n g ；h i g h - s p e e ds h e a t hf l o we n c i r c l e s l o w - s p e e ds a m p l ef l o wm a k i n ga l a m i n a rf l o wp h e n o m e n o n ，w h i c hi sc a p a b l eo fm a k i n gm i c r o s p h e r e sp a s st h r o u g h o n eb yo n ei nm i c r o - c h a n n e l s i nt h eo t h e rh a n d ，t h i s p a p e ra l s oc o n s i d e r st h en a n o i m p r i n tl i t h o g r a p h y t e c h n o l o g y ，w h i c hi sap o t e n t i a ln e x tg e n e r a t i o nl i t h o g r a p h yt o o lw i t hl o wc o s ta n d h i g ht h r o u g h p u tf o rt h ef a b r i c a t i o no fn a n o - s t r u c t u r e ac o m p l e t es e to ft h en a n o h o t e m b o s s i n gl i t h o g r a p h yp r o c e s si se s t a b l i s h e da n dp u ti n t op r a c t i c eo fc o n s t r u c t i n ga l o to fn a n o - s t r u c t u r e sa n dm i c r o p a r t i c l e s k e yw o r d s ：s u s p e n s i o n a r r a y , n a n o i m p r i n t ，e l e c t r o k i n e t i cf o c u s i n g 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得盘生盘鲎或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：彳毛勿醐籽 签字日期： 7 m ，c 1 年舌月歹日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解基盗盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权丞鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 与幺工龟 签字日期：2 鲫q 年6 月箩日 导师签名：育夏 撕期：彳年月厂日 第一章绪论 1 1m 匣m s 第一章绪论 m e m s 是在2 0 世纪5 0 年代随着l c 制造技术的发展而出现的，当时m e m s 的主要研究内容是半导体的物理现象及其在传感器中的应用。1 9 5 4 年b e l l 实验 室的s m i t h 发现了半导体硅和锗的压阻效应并制造出硅应变器俐2 1 ，b e l l 实验室 发现并研究碱金属溶液对硅的不同晶向产生不同的刻蚀效果。1 9 5 9 年，美国著 名物理学家f e y n m a n 在美国物理学年会上发表题为“t h e r ei sp l e n t yo f r o o ma tt h e b o t t o m ”的具有划时代意义的演讲，提出了微计算机、微机械和微器件等设想， 并预言了研究中将会遇到的理论问题、表面加工工艺和单原子操作技术等。这一 演讲为m e m s 的发展指引了研究方向，对其发展产生了巨大影响。1 9 6 7 年 n a t h a n s o n 用表面工艺实现了静电力驱动的s i 0 2 悬臂梁谐振f e t i 3 j 和反射镜j 标 志着表面工艺开始出现。i b m l 4 j 和h p t 5 j 分别于1 9 7 7 年和1 9 7 9 年利用m e m s 技 术实现了喷墨打印机喷头。1 9 8 5 年u c b 、m i t 和w i s c o n s i n 大学等完善了牺牲 层微加工技术，成功制作了复杂的m e m s 系统1 6 j 。1 9 8 7 年，i e e e 召开了第一届 m e m s 学术会议，1 9 8 9 年在盐湖城召开的m i c r o t e l e o p e r a t e dr o b o t i c s 会议上， u c b 的h o w e 建议用m e m s 作为这一领域的名称。 1 1 1m e m s 概念及特点 m e m s ( m i c r o e l e c t r o m e c h a n i c a ls y s t e m s ) 是微机电系统的缩写。m e m s 是美 国的叫法，在日本被称为微机械，在欧洲被称为微系统。典型微系统的尺寸在微 米到毫米量级，包括了微( 机械) 结构、传感器、执行器的控制电路等单元，可 以实现测量、执行、能量转换和信息处理等功能，构成一个智能系统。图1 - 1 所 示为典型微系统的功能组成。m e m s 将信息系统的微型化、多功能化、智能化 和可靠性水平提高到了新的高度，具有如下特点： 1 ) 微型化：m e m s 器件体积小、重量轻、耗能低、惯性小、谐振频率高、 响应时间短。 2 ) 以硅为主要材料，机械电器性能优良：硅的强度、硬度和杨氏模量与铁 相当，密度类似铝，热传导率接近钼和钨。 第一章绪论 3 ) 批量生产：用硅微加工工艺在一片硅片上可同时制造成百上千微型机电 装置或完整的m e m s 。批量生产可大大降低生产成本。 光 图1 1典型微系统的功能组成 4 ) 集成化：可以把不同功能、不同敏感方向或致动方向的多个传感器或执 行器集成于一体，或形成微传感器阵列、微执行器阵列，甚至把多种功能的器件 集成在一起，形成复杂的微系统。微传感器、微执行器和微电子器件的集成可制 造出可靠性、稳定性很高的m e m s 。 5 ) 多学科交叉：m e m s 涉及电子、机械、材料、制造、信息与自动控制、 物理、化学和生物等多种学科，并集约了当今科学技术发展的许多尖端成果。 m e m s 发展的目标在于通过微型化、集成化来探索新原理、新功能的元件和 系统，开辟一个新技术领域和产业。m e m s 可以完成大尺寸机电系统所不能完 成的任务，也可嵌入大尺寸系统中，把自动化、智能化和可靠性水平提高到一个 新的水平。2 l 世纪m e m s 将逐步从实验室走向实用化，对工农业、信息、环境、 生物工程、医疗、空间技术、国防和科学发展产生重大影响。 1 1 2m e m s 的应用及市场化 m e m s 包括多种功能单元，涉及学科和应用领域十分广泛，应用主要可分为 五类【6 1 ：传感器类m e m s 、光学m e m s 、流体和生物化学m e m s 、r f m e m s 、 2 第一章绪论 其它如微执行器等。基于如此广泛的应用，结合市场拉动和技术推动的共同作用， 目前m e m s 的商品化已经取得了很大的成功，如压力传感器、加速度传感器、 陀螺、麦克风、打印机喷嘴、d m d 等，而r f m e m s 、微光学器件、b i o m e m s 和微流体芯片等也显示出了巨大市场潜力。 m e m s 产业化呈波浪式发展：第一轮商业化浪潮始于上世纪7 0 年代末， h o n e y w e l l 、n o v as e n s o r 、m o t o r o l a 等公司大批生产压力传感器，应用于汽车和 医疗领域。第二轮商业化出现于上世纪9 0 年代，主要围绕着p c 和信息技术的 兴起以及汽车工业对传感器的巨大需求，如t i 公司的d m d 、h p 和i b m 等公司 的喷墨打印头，以及a d i 、m o t o r o l a 、d e n s o 和b o s c h 等公司的加速度传感器， 广泛用于汽车、电子领域。第三轮商业化出现于2 0 世纪末，主要是r f m e m s 和光学m e m s 器件。第四轮商业化主要围绕b i o m e m s 和芯片实验室 ( l a b o nac h i p ) 等生化分析和生物医学应用。 目前全球大约有2 5 0 家公司从事m e m s 产品的研究和开发，主要集中在美 国、欧洲、日本和新加坡。比较著名的m e m s 制造商有t i 、h p 、b o s c h 、l e x m a r k 、 s t 、e p s o n 、c a n n o n 、f r e e s c a l e 、h o n e y w e l l 等。 1 2 生物芯片 生物芯片( b i o c h i p ) 的概念源于计算机芯片l ，因为生物芯片的制备工艺与 计算机芯片的制备有一定的相似性。最初的生物芯片是指基因芯片，又称d n a 芯片，此概念是由f o d o r 等在1 9 9 1 年提出的【8 】，因为人类基因组计划的实施， “生物芯片”这个概念从此闻名于世。后来随着科技的发展，随着分子生物技术 的进步和应用领域的拓展，生物芯片还发展了新的类型如蛋白芯片、芯片实验室 ( l a b o nac h i p ) 等一】。生物芯片也称为微阵列( m i c r o a r r a y ) ，是指包被在固 相载体( 如硅片、玻璃、塑料和尼龙膜等) 上的高密度d n a 、蛋白质、细胞、 组织等生物活性物质的微阵列。生物活性物质以点阵的形式有序地固定在固相载 体上，在特定条件下与荧光标记过的待检测样品进行生化反应( 杂交实验) ，反 应结果用化学荧光法、酶标法或同位素法显示，再用激光共聚焦荧光检测系统等 光学仪器进行数据采集，最后通过专门的计算机软件进行数据分析，进而得到样 品的分子信息。 广义的生物芯片除了上述的生物芯片之外，还包括另外一类芯片微流控 芯片( m i c r o f l u i d i c s ) 。顾名思义，微流控芯片就是通过对微流体的控制，来实 现对生物样品进行快速并行处理和分析的。目前，学者们更喜欢用“微流控芯片 ( m i c r o f l u i d i c s ) ”这个概念，而不是“生物芯片( b i o c h i p ) ”这个概念了。 第一章绪论 随着m e m s 技术，尤其是b i o m e m s 技术的发展，生物检测芯片目前的趋势 是：系统的微型化、集成化、自动化和便携化，即把不同功能的微流体电子原器 件，如流动微通道、微泵、微阀、微过滤器、微混合反应器、微传感器、微温度 控制器、毛细管电泳等，集成在一个体积i i 曼d , 的芯片上，组成一个完整的微流体 分析系统，完成生物样品进样、预处理、混合反应、扩增、分离和检测的全过程。 这样的系统被称之为微总分析系统( m i c r o t o t a la n a l y s i ss y s t e m ，u t a s ) ，或者 芯片实验室( l a b o n a - c h i p ) 。这样做的好处显而易见，只需少量的生物样品就 可以快速得到精确的分析检测结果，从而大大提高工作效率、使用方便和降低成 本。 1 3 悬浮阵列技术 悬浮阵列技术( s u s p e n s i o na r r a yt e c h n o l o g y ，s a t ) 也称为液相阵列技术， 是一种多功能悬浮式点阵医学检测技术。它集中了分子生物学、免疫学、高分子 化学、激光检测技术、微流控技术、计算机技术等方面的先进技术，而且将流式 细胞检测与生物芯片技术有机地结合在一起，大大延伸了流式的检测平台，以微 球体代替细胞作为反应载体，在这个开放的反应体系中可进行蛋白、核酸等生物 大分子的检测，不仅从细胞水平深入到分子水平，其检测范围也得到了前所未有 的扩展；另外，它也使生物芯片技术的应用取得重大突破o l l j 。 1 4 纳米压印技术 当物质在纳米尺度范围时，往往会表现出与它在宏观尺度时完全不同的物理 和化学性质，例如当金属铜是由纳米尺寸的颗粒构成时它就表现出一种超延展 性，可以进行随意的弯曲【l2 i ，这些特性引起人们的重视，在2 0 世纪8 0 年代末提 出了纳米科技的概念，并逐渐在科技领域中占据着越来越重要的地位。纳米技术 的迅猛发展将对社会各行业科技进步产生深远影响，预计将带来第五次技术革 命，已成为2 l 世纪各发达国家投入巨资抢占的科技战略制高点。i b m 公司的首 席科学家a r m s t r o n g 曾经预言：“我相信纳米科技将在信息时代的下一阶段占中 心地位，并发挥革命性的作用，正如( 2 0 世纪) 7 0 年代初以来微米科技己经起的 作用那样。” 纳米技术的强大生命力在于纳米效应，而实现纳米效应的关键首先是具有纳 米结构，任何纳米技术均依赖通过纳米加工技术将物体加工至纳米尺度。纳米结 第章绪论 构加工的装备靠幢技术是整个纳米技术的核心基础，是当前世界科学研究亟待解 决的难题之一。 1 , 4 1 传统光刻技术 m o o t e 定律揭示：集成电路芯片上所集成的晶体管( 基本门单元) 的数目( 每 英寸) ，每隔18 个月就翻一番。半个多世纪以来，半导体工业始终遵循着m o o r e 定律，不断缩小着半导体器件的尺寸，为信息产业的发展做出了巨大的贡献。这 都得益于不断有新的半导体制造工艺出现。传统光学光刻具有生产率高、易实现 高的对准和套刻精度、掩横制作相对简单、工艺条件容易掌握及良好的继承性等 优点，在半导体工业中一直处于主力地位。光学光刻的基本原理是：u v 光柱透 过掩膜板照射到光刻胶上，与光刻胶发生反应。用显影液去除发生反应( 或者未 发生反应) 的光刻胶，掩膜板上的图形就转移到了衬底上了。然而，曝光光源的 波长决定了这种光学光刻所能实现的最小尺寸。而且，为了实现高分辨率。光学 光刻被限制在根小一块面积上。后来发明了一种分步重复投影式曝光技术，可以 实现大面积的图形化，但这种方法比较耗时，成本也比较高。 ”票：嚣器二黜需0 卷：窘：翟等7+ 釜器黟” i 、 一 警 蟛冁 熬 、b 一 1 i 撇淼 、 ：麓鞲魁囊 一一、1 ，1 m 图】22 0 0 8 年更新的i t r s 时至今日，我们可以方便地从商场里购买到装备有i n t e l 公司制造的4 5 r i m 级 c o r e 系列c p u 的p c 机或者笔记本电脑。如图l - 2 所示为2 0 0 8 年更新的国际半 第一章绪论 导体技术发展路线图( i n t e r n a t i o n a lt e c h n o l o g yr o a d m a pf o rs e m i - c o n d u c t o r s ， i t r s ) 。无论m o o r e 定律是否失效，更小工艺尺寸的芯片都会不断地在未来面 世。因此，传统光学光刻已经不能满足现在及未来的需要，人们需要开发出能够 制造出更小尺寸的纳米结构的制备技术。 1 4 2 下一代光刻技术 为了应对如图1 - 2 所示的技术趋势，下一代光刻技术( n e x tg e n e r a t i o n l i t h o g r a p h y ，n g l ) 的概念被提出，主要包括极紫外线光刻技术( e x t r e m e u l t r a v i o l e tl i t h o g r a p h y ，e u v ) b 3 1 、投影电子光刻技术( p r o j e c t i o n e l e c t r o n l i t h o g r a p h y ) 1 1 4 , 电子束光刻技术( e l e c t r o nb e a ml i t h o g r a p h y ，e b l ) d 5 ，和x 射线光刻技术( x r a yl i t h o g r a p h y ) 1 1 6 1 等。这些技术都能应用到10 0 n m 以下，然 而，先不说这些技术应用到实际生产中以前还需要解决许多技术问题，更重要的 是，这些技术的经济成本必须考虑。e u v 需要昂贵的透镜，缺乏合适的光源， 并且材料吸收也是个问题；投影电子光刻技术分辨率有限；e b l 和x r a y 只有非 常低的产出，效率低下等等。所以，人们需要研发一种符合时代要求的低成本、 高分辨率、能在大面积应用的光刻技术( l i t h o g r a p h y ) 。 1 4 3 纳米压印技术 1 9 9 5 年，普林斯顿大学的s t e p h e ny c h o u 教授发表了一篇题为“i m p r i n to f s u b 2 5 n mv i a sa n dt r e n c h e si np o l y m e r s ”的文章【l7 1 ，在此文中提出了纳米压印 ( n a n o i m p r i n tl i t h o g r a p h y ，n i l ) 的概念并申请了相关专利。其工艺基本过程如 图1 3 所示： 首先，利用高分辨率的光刻技术制作模板，比如e b l ；第二步，将制备好的 模板压入称为压印胶的柔性材料( 附着在衬底上) 中，例如聚甲基丙烯酸甲酯 ( p m m a ) ：第三步，根据不同的纳米压印技术采取相应的手段将压印胶进行固 化，固化完毕后进行退模，此时在压印胶上就会留下复型的纳米图形；第四步， 用0 2 离子r i e 去除残留的压印胶；最后，可以通过电子束蒸镀、l i r o u t 和离子 刻蚀等半导体工艺，将存在于压印胶上的纳米图形转移到基底上获得所需的纳米 结构。 从以上简化的工艺流程可以看出纳米压印技术与传统的纳米结构制备技术 有着本质的不同。它既有传统光刻技术那样的并行性，又有直写式刻蚀技术所拥 有的高分辨率，同时由于没有高昂的设备和操作费用也就保证了低成本性。有研 究证明：n i l 可以达到亚1 0 n m 的分辨率【1 8 】；能够制造三维结构【1 9 】；多层结构校 6 第一章绪论 准精度达到亚5 0 0 n m 2 0 l ：高保真图形转移和在6 英寸晶片上图形转换临界尺寸 ( c r i t i c a ld i m c r t s i o a s c d ) 平均变化5 2 川：低成本的纳米压印方法有商业化 的可能，在6 0 秒的周期时间内实现整个晶片范围内的图形化田】。这些都表明n i l 有潜力成为低成本、高生产率的下一代光刻技术。作为一种光刻方法，纳米压印 不仅可以应用到纳米电子领域，也可咀应用到纳米磁学驯和纳米生物学【2 】 等领域。 圈1 - 3 纳米压印一般工艺流程图 1 5 选题依据和研究内容 1 5 1 选题依据 人类己经迈进了二十一世纪，政治、经济、文化等社会的各个方面都在日新 月异。飞速发展的同时也带来了很多问题，诸如人n 、资源、环境等都是新世纪 的热门话题。由这些发展问题引起的疾病、健康问题越来越引起人们关注。2 0 0 3 年爆发的“非典”席卷了我国和世界；当人们还没有完全从恐怖中挣脱出来时， 第一章绪论 “禽流感”、“猪流感”等又接踵而至。这些新出现的“病毒”都具有突发性、 传染性，因此早发现、早治疗、早隔离、及时采取措施防止情况扩散和恶化是最 好的方法。除了这些突发的瘟疫之外，一些传统疾病，比如癌症，已成为人类的 主要杀手之一。早期诊断是提高癌症治愈率的最佳途径，癌细胞的探测成为癌症 早期诊断最直接和行之有效的方法之一。所有这些，都需要有先进的生物医学检 测手段。 如今，微机电系统( m e m s ) 、集成电路( i c ) 技术、纳米技术、分子生物学、 材料学等领域取得了无可争议的进步和突破，将这些技术结合起来形成功能更强 大的分析微系统为新病毒检测和癌细胞探测开创了新的突破口。其中最具代表性 的是悬浮阵列生物芯片，现已经商业化。悬浮阵列生物芯片基于传统的点阵式固 相平板阵列生物芯片，结合流式细胞仪和微流控技术，以微球为基体连接抗体等， 在液相环境中检测目标，再用光学系统检测微通道中的微球荧光信号，转变成电 信号供后端系统分析，最终得出检测结果。这种悬浮阵列生物芯片检测系统非常 适合用于突发性病毒检测和癌症早期癌细胞探测等。 基于此，选择悬浮阵列生物芯片免疫检测微系统作为课题，综合利用m e m s 技术、微流控技术和纳米压印技术等，研究并组建悬浮阵列检测微系统，用于高 效率免疫检测。 1 5 2 研究内容 1 ) 微流控技术( m i c r o f l u i d i c s ) 微流控芯片的概念、工作原理、特点等，着重介绍了微流控芯片的材料选择。 2 ) 悬浮阵列技术 基于微球的悬浮阵列技术一般原理、特点，着重研究微球的制备、荧光标记、 液流系统，并用i n t e l l i s u i t e 软件对鞘流聚焦进行仿真实验；基于微块的悬浮阵列 技术的研究与设计，着重研究微块备、微块阵列化，并用i n t e l l i s u i t e 软件进行捕 获阵列的仿真。 3 ) 纳米压印技术 研究纳米热压印工艺的整个流程，包括压模制备、基板清洗、抗粘层制备、 压印胶配制和旋涂、图形转移等；并进行纳米压印工艺实验，压制各种纳米结构； 最后应用纳米压印技术制备悬浮微块。 8 第二章微流控技术与芯片 第二章微流控技术与芯片 在生物、化学、材料等科学实验中，经常需要对流体进行操作，如样品d n a 的制备、p c r 反应、电泳检测等操作都是在液相环境中进行。如果要将样品制 备、生化反应、结果检测等步骤集成到生物芯片上，则实验所用流体的量就从毫 升、微升级降至纳升或皮升级，这时功能强大的微流体装置就显得必不可少了。 因此随着生物芯片技术的发展，微流体技术作为生物芯片的一项关键支撑技术也 得到了人们越来越多的关注。同时，之所以悬浮阵列芯片也叫液相芯片，是因为 微球载体的各种免疫反应和操作都是在微通道的微流体中完成的，微流控技术是 悬浮阵列检测系统中的一个重要组成部分。因此，研究微流控技术对本课题研究 具有重要意义。 2 1 微流控技术 微流控技术是指在微观尺寸下控制、操作和检测复杂流体的技术，是在微电 子、微机械、生物工程和纳米技术基础上发展起来的一门全新交叉学科。与微电 子技术不同，微流控技术不强调减小器件的尺寸，它着重于构建微流体通道系统 来实现各种复杂的微流体操纵功能。与宏观流体系统类似，微流体系统所需的器 件也包括泵、阀、混合器、过滤器、分离器等。尽管与微电子器件相比，微通道 的尺寸显得相当大，但实际上这个尺寸对于流体而言已经是非常小。微通道中的 流体流动行为与人们在日常生活中所见的宏观流体流动行为有着本质的差别，因 此微泵、微阀、微混合器、微过滤器、微分离器等微型器件往往都与相应的宏观 器件差别甚大。 目前微流控技术研究的主要方向是进行生物化学分析的研究，比如：稀有细 胞的筛选、信息核糖核酸的提取和纯化、基因测序、单细胞分析、蛋白质结晶、 药物检测等。 2 2 微流控芯片 微流控技术( m i c r o f l u i d i c st e c h n o l o g y ) 的快速发展，已经在化学、医药及 生命科学等领域上造成革命性的冲击。其直接的体现就是微流控芯片。事实上， 9 第二章微流控技术与芯片 美国和欧洲已经出现了一批以生产微流控芯片为主的高科技企业，也有国际大型 制药公司大量地购买了这种芯片以替代传统的大型生物、化学分析仪器的工作， 用来开展新药研制。可见，微流控芯片已经走出实验室，开始商业化。 2 2 1 微流控芯片的概念 微流控芯片，由最初的简单电泳芯片，转变为集成更多单元的系统，被称为 “芯片上的实验室”( l a b o n a c h i p ) ，是用半导体集成技术制作的新型固体元 件，它能够对微量流体( 包括液体和气体) 进行复杂、精确的操作( 混合和分离 微量流体、化学反应、微量分析等等) 。在这种芯片上加上微泵、微闸，就可以 很容易地对生物细胞、溶剂、药物等进行各种生物化学研究，也可以用它进行纳 米粒子、分子结构的研究；由于它体积小、可调控参数多、调控精确度高、自动 化程度高、可以集成和大量生产，在纳米科技研究和发展上有着很好的前景。可 以说，微流控芯片是自上而下和自下而上研究的一个自然的结合点，也是物理、 化学、生物、微电子学等学科交叉性极强的研究领域。 2 2 2 微流控芯片的工作过程 如图2 1 所示，微流体芯片的一般工作流程：从外界接收到的初级样品被微 微泵输运到样品池，然后进行样品处理，处理完之后与准备的化学、生物试剂等 进行反应，然后电泳分离，最后进行荧光检测或其它处理，通过外围电路把检测 信号变为电信号进一步分析，最终得出检测结果在电脑屏幕上显示出来。 图2 1微流体芯片工作流程图 l o 第二章微流控技术与芯片 2 2 3 微流控芯片的特点 微流体系统的流量在n l m i n “l m i n 数量级，包括微量流体的传感、输送、 检测和控制。可控制微量流体的压力、流量和流动方向、它具有集成化和大批量 生产的特点，而且由于尺寸微小，可减少系统的无效面积、降低能耗、提高响应 速度。微流体系统与其它微型元件集成构成微系统，在微量化学分析、微量医学 注射和分析等方面有良好的应用前景。 2 3 微流控芯片的制作 微流体芯片的研制过程中，不仅仅涉及基因或d n a 技术，还包括了微型加 工技术以及表面化学涂层等技术。 要通过微流体芯片进行样品的前处理、分离、反应和检测的前提条件就是按 设计好的图形加工出精密度高的芯片，但是由于用于微流体芯片制作的材料比较 多，它们的化学性质也千差万别，因此加工微流体芯片的方法也就比较多，各种 方法也不尽相同。表2 - 1 列举了一些常用的有机聚合物材料和微制造技术的对比。 表2 1微流体芯片的加工技术比较 制作材料的选择往往占了微流控芯片制作的8 0 的成本、并是最终器件制作 成功与否的关键。制作和封装微流体芯片的材料必须满足一些机械的、电的和其 它功能性质的要求。于是，对于器件的不同部分，如器件衬底、电极层、微流体 流动层、固定密封材料和封装，都必须分别选择合适的材料。对这些子系统材料 选择的基本要求是： 1 、制作或者机械加工简单而快捷( 少于一天) 。 2 、必须是已知的且成熟的，即该加工工序能够在室内加工完成或利用其它 公共资源能够完成。 第二章微流控技术与芯片 3 、价格不贵并且容易获得。 4 、没有毒性，具有生物兼容性( 有的话更好) 。 5 、满足刚性( 对于器件衬底、封装和某些微流动层) 或者韧性( 对于密封 垫) 的要求。 6 、可重复利用。 还有一些其它材料选择条件，根据子系统的不同而不同。下面，具体讨论器 件衬底和微流动层的材料选择。 2 4 器件衬底材料的选择 目前对器件衬底材料最重要的约束条件是：温度系数低( 在一定的温度范围 内保持物理和化学性质的稳定性) 、表面足够光滑平坦、足够刚硬、有合适的尺 寸方便于微加工工具或机械进行处理。其中温度性能是最首要的，因为要在衬底 上沉淀聚合材料必须达到9 5 甚至更高的温度。显然，在这样的温度下，衬底 不能扭曲、变软、或者熔化。其次，衬底必须足够的光滑平坦以便旋涂机器在晶 片表面创造真空使晶片固定在卡盘上；足够刚性是指晶片在加工过程中能够支撑 住自己，不至于边缘部分发生损坏等。最后，器件衬底为了方便校准，需要有像 硅晶片一样的4 英寸直径和5 0 0 微米厚度，这也是因为目前的大部分微加工工具 都针对硅微加工的，如果衬底像硅片一样，就会方便对其进行各种操作。 衬底材料可以分为传统材料、传统透明材料和试验中的透明材料三类。到目 前为止，前两类材料已经成功地应用了，而第三类仍在开发中( 但承载着未来的 希望) 。 2 4 1 传统衬底材料 最常见的传统材料当然要属硅了。硅有一些优点虽然适合于微电子( 如它可 以通过掺杂达到金属性质或者非金属性质) ，但是，至少对于目前的b i o m e m s 结构来说，完全没有用处。对于最初要求的条件，硅材料显然满足较好的温度性 能、足够的强度、有相对光滑的表面、有合适的尺寸大小、价格低廉几个要求。 但是，硅材料也有一些缺点，包括脆性和不透明。脆性意味着在封装的时候或掉 落的时候会破碎：不透明意味着在芯片外面不能观察微流体的状况。表2 2 概述 了硅材料的各项性质。其它传统材料，如锗，也可以采用，但是这些材料具有和 硅材料相似的性质而价格却比硅高，所以就不考虑了。硅材料虽然满足大部分要 求，但是并不完美，所以转向透明材料。 1 2 第二章微流控技术与芯片 表2 2 硅材料的性质 硅材料参数值 原子密度 密度 介电常数 禁带宽度 熔点 折射率 导热系数 晶格常数 硬度 本征载流子浓度 泊松比 杨氏模量 热膨胀系数( 线性) 4 9 6 10 2 2 c m 3 2 3 2 8 9 c m 3 1 1 7 ( 土0 2 ) 1 11 4 ( 士0 0 0 8 ) e v 1 4 1 7 ( 土4 ) 3 4 2 0 15 7 w c m 5 4 3 0 7 a 7 o m o h 1 5 1 0 1 0 锄3 0 4 2 1 3 0 g p a i5 】 2 6 9 ( 士0 3 、x10 。6 9 c 2 4 2 传统透明材料 为了克服硅材料不透明的缺点，可以采用透明材料。其中一种广泛应用的透 明衬底是耐热玻璃( p y r e x ) ，这种玻璃可以置于很高温度环境中。虽然这种材 表2 - 3p y r e x 材料的性质 p y r e x7 7 4 0 材料的参数值 密度 介电常数 软化点 折射率 热膨胀率 泊松比 弹性系数 2 2 3 9 c m 3 4 6 8 2 1 1 4 7 3 ( 5 8 9 3 r i m ) 3 2 5 x1 0 。6 。c 0 2 0 6 2 7 5 g p a 料的价格约是硅材料价格的六倍，但是这种玻璃衬底是透明的并比硅脆性小。而 且，它的热膨胀率和硅材料相近，所以可以作为硅非常不错的替代品。表2 3 列 第二章微流控技术与芯片 出这种材料的性质。p y r e x 和硅材料相比还有一个主要的缺点，即难于加工。如 果为了满足封装的需要而在衬底上打孔的话，p y r e x 不是合适的材料，因为会在 孔周围开裂。 更昂贵的透明衬底材料，像石英玻璃、7 0 7 0 玻璃和石英，都能方便地购买到。 但是，这些“玻璃 质的材料和p y r e x 有着一样的机械加工性质和问题。除非需 要更好透射性能，否则，p y r e x 是最好的传统透明材料。为了更好地权衡机械加 工性质和透明度，在材料制作和选择方面需要进一步创新。 2 4 3 透明试验衬底材料 理想的衬底，应该是光滑的、相对刚硬、透明和易于加工( 能做成需要的形 状的话) 。基于这些条件，塑料衬底( 或同类材料) 及聚合物类材料看上去是一 种很好的选择。目前，几种塑料类衬底已经经过测试，它们的优点、缺点如下文 描述。 1 1 聚碳酸酯( p o l y c a r b o n a t e ) 聚碳酸酯薄膜有极好的透明度和冲击强度，并有不错的温度性能2 刀，然而， 是非常差的电绝缘体。聚碳酸酯薄的一些性质在表2 4 中列出。 表2 4 聚碳酸酯材料的性质 聚碳酸酯薄膜的参数值 介电强度 最高温度( 大量) 热膨胀系数 抗张强度 硬度( r ) 3 8 0 m i l 1 1 5 6 7 5 x 1 0 5 c 6 2 1 m p a 1 1 8 聚碳酸酯非常容易加工，可以任意切割或者打孔等。但是，聚碳酸酯缺乏耐 化学性，只能用低浓度的酸、酒精和适度的清洁剂，而不能用溶剂、芳香烃、酯 和酬2 8 】。所以，这种材料不能用传统的清洗方法，只能用水清洗并充分脱水烘干。 另外，这种材料与未暴露的s u 8 ( 一种光敏环氧树脂材料，可以作为微流体流 动层) 发生反应，产生白色粉状物质，如果完全覆盖s u 8 的话，会导致龟裂和 卷曲。图2 2 显示了聚碳酸酯薄片与s u 8 结合后2 4 小时后的情况。所以，如果 微通道的材料是s u 8 的话，则不能用聚碳酸酯。 1 4 第二章徽流控技术与芯片 圈2 w 2 果碳酸酯与s u 8 结合2 4 小时后。左边的已经与s u 一8 分离，右边的为未与反应 产生的白色物质分离 2 1 纤维紊( c e l l u l o s e ) 纤维素材料( 醋酸纤维) 和聚碳酸酯材料性质相似，有良好的透明度和冲击 强度，也是差的电绝缘体。表2 - 5 列出了这种材料的各项性质，大部分与聚碳酸 酯相似，其中热膨胀系数比聚碳酸酯高，最高温度也高一些。 表2 5 纤维素性质 醋酸纤维薄膜材科参数值 介电强度 最高温度 熟嘭胀系数 抗张强度 硬度( r ) 罔2 - 3 醋酸纤维薄膜被丙醉等清洗前( 左) 后( 右 m ? 墨”坨m 引拈 第二章微流控技术与芯片 醋酸纤维薄膜也存在耐化学性问题，强酸或者强碱能够使这种材料分解，但 可以用在弱酸和弱碱环境1 2 引。如果用丙醇、甲醇和异丙醇清洗，会导致严重的后 果，如图2 3 所示。所以，这种材料和聚碳酸酯一样，不能用传统方法清洗，只 能用水清洗然后再脱水干燥。醋酸纤维薄膜虽然不会和s u 8 发生强烈反应，但 是它的结构也会轻微变化，这使得这种材料作为衬底适合性变差。 3 ) 聚酰亚胺薄膜( k a p t o n ) k a p t o n ，是d u p o n t 公司生产的一种高性能聚酰亚胺薄膜，能在很宽的温度 表2 - 6d u p o n tk a p t o n 5 0 0 h n 薄膜的性质 k a p t o n 5 0 0 h n 材料的参数值 密度 介电强度 介电常数 体电阻率 最高使用温度 热膨胀系数 抗张强度 弹性模数( 2 5 9 m 厚) 1 4 2 9 c m 3 3 9 0 0 v m i l 3 5 1 0 1 0 1 7 q c m 4 0 0 2 1 0 5 c 1 6 5 m p a 2 5 g p a 范围内使用，是很好的绝缘体，并