微流控制芯片应用与制造技术研究进展

微流控制芯片应用与制造技术研究进展摘要：微流控芯片是一种交互集成的微全分析系统，主要对微泵、微检测元件等元器件用微管道进行连接，实现分析实验集成在微米级的空间内，把采样、稀释、反应、分离和检测等在微系统的环境下进行分析和执行，最大限度地把分析实验室的功能转移到便携的分析设备中，甚至集成到方寸大小的芯片上，本文首先探讨了微流控制芯片研究现状，然后研究微流控制芯片在生物领域和水污染领域的应用，最后从3D打印和微注射模两个方面分析微流控制芯片应用与制造技术研究。关键词：微流控制芯片；制造技术；研究进展1引言微流控芯片是一种全新的分析测试系统，目前己经被广泛的应用到生物、化学和医学等多种领域，为研究人员提供了非常便利的研究环境。虽然微流控芯片的结构为微米级，但是它能实现样品的处理、检测和输出等整个过程。尺寸小、利于携带，使其真正实现了实验室家庭化。由于它的这些特性，又被称为芯片实验室或微全分析系统。微流控芯片分析系统实现了小型化分析系统在实验室的成功应用。小型化分析系统的优点是能有效的节约研究时间和成本，同时增加实验的可靠性。本文主要微流控制芯片应用以及制造技术研究进展。2微流控制芯片研究现状2.1第一阶段研究早在1975年科学家就提出了第一个以单晶硅为材料制作的小型化的气相色谱分析器。这个装置结构较为简单，包括一个喷射阀和一个分离柱，可以在不到几秒钟的时间内就分离出一些简单的混合物。尽管这个装置表现出不凡的能力，但是当时并没有引起科学界对这个技术产生多大的关注。直到1990年Manz和人等人制造出了一款基于硅片的小型化的液相色谱分析器并且第一次提出了微型全分析系统这一概念，微流控芯片技术得到了飞速的发展，并引起科学界的广泛关注，并被Forbes杂志评为人类未来15件最重要的发明之一。2.2第二阶段研究微流控芯片技术发源于MEMS技术，所以早期制作微流控芯片的材料大部分是晶体硅和玻璃。玻璃材料由于其优异的化学惰性、透光性以及热稳定性，非常适合用于做检测实验。玻璃材料的加工方法基本是采用光刻以及蚀刻技术在玻璃上产生凹陷的微通道网络。晶体硅的微制造技术源于电子行业，由于电子行业加工技术较为成熟，所以在晶体硅上可以容易地实现多种功能的集成。晶体硅具有良好的散热性、高强度、耐腐蚀等特点，并且加工技术成熟，应用也较为广泛。2.3第三阶段研究高分子聚合物材料相对于玻璃和晶体硅材料具有成本低、易于加工和批量生产等特点。在高分子聚合物材料中，PDMS是制作微流控芯片应用最为广泛的材料。热压法技术是早期应用比较广泛的一种方法，基本原理是将聚合物基片与模具对准加热并施加一定压力来得到微观结构。模塑法是目前高分子聚合物芯片应用最为广泛的一种方法，主要是通过光刻胶等方法得到模具然后在模具上固化液态高聚物来获得微结构芯片。注塑法主要是通过将原料放置于注塑机中，加热变成流体后压入模具中，冷却脱模后得到芯片。LIGA技术是通过X射线深刻以及电铸制造精密模具，再大量复制微观结构，由X射线深层光刻、微电铸和微复制三个环节组成。激光烧蚀法是一种非接触式的加工技术，利用掩膜或者直接根据计算机的设计数据和图形，通过两轴精密控制激光的位置，在高聚物上烧蚀出所需的微通道。软光刻法用弹性模代替了光刻中使用的硬模来产生微结构，相对于传统光刻技术，这种方法更加灵活，可以制造复杂的三维结构且可以在不规则曲面上应用。因此本文主要探究的是第三阶段中的基于高分子聚合物材料的微流控制芯片应用与制造技术研究。3微流控制芯片应用3.1在细胞生物学的应用随着微流控芯片的不断发展，微流控分析芯片技术正不断地向细胞组学的研究领域进行渗透。微流控芯片在细胞生物学中的应用主要包括细胞的培养、细胞的分离与操纵，细胞组分分析以及细胞全分析系统。例如在在细胞培养方面。传统体外细胞培养中的细胞仅发挥了增殖作用，造成此情况的原因为体外细胞丧失了神经体液的调节，失去了细胞间的相互影响，同时其处于相对静止的环境，难以呈现体内生存的真实情况。为了有效解决上述细胞培养存在的不足，采用了微流控芯片技术，其优点为细胞微环境各要素得到了精准的控制，如：物质浓度、pH值与溶液温度等；根据细胞体内生存环境，模拟后为细胞培养提供了复杂、微小的结构；再者，通过对细胞体内状态的研究，通过模拟，为其营造了三维生长环境，进而利于细胞培养工作的开展3.2在水污染环境的应用微流控芯片技术在水环境污染分析中的研究尚处于起步阶段，因此多集中于优先污染物的相关报道，主要包括重金属、营养元素、有机污染物和微生物等。例如用于水体中微生物检测芯片系统，水体中的微生物按其粒径，属于颗粒有机碳范围，其种类群可以反映水体生态特征和一些重要的污染状况，是水体生态调查中的常规监测指标。在其测定过程中，流式细胞术是最为准确、快速的方法。但其设备昂贵、体积庞大、需要专人操作，不适合现场、连续监测要求，基于鞘流式流体控制的微流控芯片的出现在一定程度上克服了这些局限，并可能实现仪器的集成化、小型化、自动化和便携化。4微流控制芯片与制造技术研究4.1微流控制芯片3D打印与制造技术3D打印技术作为一项颠覆传统加工模式的加工方法，在微流控芯片制造领域也发挥了重要的作用。Bonyar研究团队用鼓粉一体激光三维打印机打印模具的方法，通过阴阳模和PDMS浇铸的方法开发出了一种新型的微流控芯片制作方法。Bishop研究团队通过FDM三维打印的方法直接制造出有内部微通道网络的微流控芯片，并成功应用于纳米颗粒制备和电化学检测。Comina研究团队成功利用商业级别的SL三维打印机直接打印出表面有复杂流道网络的微流控芯片基底，然后贴上一层膜进行封装制得微流控芯片。此外他们还把他们制得的微流控芯片应用于双氧水和有萄糖的检测实验中。Shallan研究团队利用桌面式面成型光固化三维打印机直接打印出具有复杂三维流道的微流控芯片，该方法打印出的芯片结构复杂且精度比较高。国内有学者利用自行设计的一款熔融沉积三维打印机，通过在PDMS基底上打印牺牲材料麦芽糖醇，然后再浇覆一层PDMS，最后溶解牺牲材料的方法制得微流控芯片，该方法精度较高，且可以制作有三维流道的微流控芯片。4.2微流控芯片微注射模与制造技术微流控芯片的基本结构是平板状，其作用是把生物和化学等领域中一些独立的操作单元集成到一块微芯片上，如样品的制备、反应、分离和检测等。芯片上有尺寸微小的微通道，属于具有微结构的常规尺度制品，其尺度可能跨越儿个数量级。图1所示是一种典型的微流控芯片，平板长65mm，宽16mm，厚1.5mm，含有一个单十字微通道，通道深50微米，宽80微米。图1微流控芯片结构及微通道截面微流控芯片成型模具型腔由定模镶块2、微细加工镶块3、动模镶块4组合而成，如图2所示。其结构特点是镶块3放置在动模镶块4内，以使微通道从定模镶块2中顺利脱出，避免推出时被拉伤。同时这种结构使熔体直接冲击到镶块3上的凸起，避免了推杆在微通道一侧留下痕迹。图2微流控芯片成刑模具结构1.定模板2.定模镶块3.微细加工镶块4.动模镶块5.动模板6.推杆由微流控芯片结构及尺寸可知，模具的型芯上需要加工出对应微通道的矩形凸起，宽80微米,高50为微米。采用常规加工方法加工不仅周期长且难度极大。因此采用UV-LIGA技术制备出微流控芯片模具型腔，如图3所示。图4为由PMMA材料微注射成型的微流控芯片制品。图3微流控芯片模具型腔图4微流控芯片制品结论综上所述，微流控芯片具有小型化、集成化、低耗性、经济性等特点，其在生物、环境、机械制造研究中的应用较为广泛，本文主要探讨了微流控制芯片几个发展阶段，并分析其具体应用，同时研究了其与制造技术相关内容，通过分析可知，此技术的应用仍处于初级阶段，因此，今后仍需深入研究，以此促进微流控芯片作用的发挥参考文献[1]柳葆.用于细胞内钙离子检测的微流控芯片关键技术与实验研究[D].河北工业大学,2012.[2]韩俊萍,孙敬,欧元,etal.微流控技术在法医DNA快速检验方面的应用[J].中国测试,2016,42(1).[3]熊鹏辉.液液萃取微流控芯片的制备工艺及应用研究[D].2016.[4]范一强,王玫,高峰,etal.液滴微流控系统在数字聚合酶链式反应中的应用研究进展[J].分析化学,2016(8).[5]林炳承.微流控芯片的研究及产业化[J].分析化学,2016,44(4):491-499.[6]王时,刘启航,郭世宇,etal.激光加工聚合物微流控芯片暂态烧蚀的探讨[J].科技传播,2016,8(14).[7]王敏杰,赵丹阳,宋满仓,etal.聚合物微成型模具设计与制造技术[J].模具工业,2015(5):7-16.[8]吴文斌.3D打印无驱微流控芯片及其应用研究[D].2016.[9]BonyarA,SanthaH,RingB,etal.3DRapidPrototypingTechnology(RPT)asapowerfultoolinmicrofjuidicdevelopment[J].ProcediaEngineering.2010,5:291-294.[10]BishopGW，SatterwhiteJ,BhaktaS,etal.3D-PrintedFluidicDevicesforNanoparticlePreparationandFlow-InjectionAmperometryusingtntegratedPrussianBlueNanoparticle-ModifiedElectrodes[J].Analyticalchemistry,2015.[11]CominaG,SuskaA,FilippiniD.Lowcostlab-on-a-chipprototypingwithaconsumergrade3Dprinter:[J].LabonaChip.2014,14(16):2978-2982.[12]ShallanAI，SmejkalP,CorbanM，etal.Cost-effiectivethnree-dimensionalprintingofi