【微流体技术国内外发展现状的文献综述3300字】

微流体技术国内外发展现状的文献综述微流体技术最早是起源于集体电路芯片加工和半导体加工工艺，该技术是一种精密操作流体以及控制和检测的技术，其芯片通道加工的尺寸在微米级别，芯片选择的大小在厘米级。在微流体技术的不断发展中，有几项最为关键的技术：微流体芯片材料的选择、芯片微型通道结构设计、微流体芯片基底材料的湿润性研究、芯片键合封装技术。微流体芯片制备的材料早期兴起的微流体芯片在制作时，基底是由单晶硅和玻璃材料所制成，然后在制作方式上选择的是当时先进的微电子机械系统（MEMS）相关技术，并直接采用光刻工艺来刻蚀二维图形，这种制作微流体芯片的方法在保住加工精度的同时还可以进行批量加工生产。而如今随着新型材料领域的深入研究，各种高分子聚合物材料被发明出来，这些高分子聚合材料在种类、造价上都有着极大优势，所以目前微流体芯片加工方面的主材料已经变成了高分子聚合材料。若按照性能对高分子聚合物材料进行划分，可以将其分为三种，分别为：固化型材料（如聚二甲基硅氧烷PDMS）、热塑性材料（如聚甲基丙烯酸甲酯PMMA）和溶剂挥发型材料（如丙烯酸、橡胶等）。这三种高分子聚合物材料各有优势。在这三种高分子聚合物材料中PDMS材料和PMMA材料应用较广且相关加工技术较为成熟。PDMS材料优点：（1）可以应用于微光刻技术来实现高精度的微型结构加工；（2）弹性材料，能重复性变形而不发生永久性破坏；（3）无毒、透气性好、具有良好的化学惰性。PMMA材料优点：（1）该材料光学性能好，能够透过其他透明材料不能透过的光线；（2）光线可以在该材料内部进行传导；（3）能够耐受室外老化，在太阳底下暴晒而不影响其透明度。PMMA材料的明显缺点：该材料的表面硬度低，不耐划伤，划痕会影响材料整体的透明性。在本课题中选择了适用于量产的PMMA材料进行制备。微流体芯片结构加工技术现状分析一般的微流体芯片通道由以下几部分组成：入口、主通道、反应腔室和出口。在结构设计方面微流体芯片通道的入口和出口多数可以设计成“T”型、“Y”型或扇骨型结构，在微流体芯片中发生混合反应的主要场所为主通道和反应腔，芯片的出口处连接各种收集装置[3]。微流体芯片结构的加工方式有很多种，如今普遍用的加工技术有：模塑法、软光刻技术、光刻技术、激光直写技术等。1)光刻技术使用光刻技术制备微流体芯片的流程：借助激光将所需要的掩膜板图形转移到表面涂抹有光刻胶的硅片上，再经历前烘、曝光、显影、硬膜、去胶等程序，最终在玻璃或硅制基底上呈现出微通道结构。2）模塑法模样法制作过程：先用蚀刻技术或者是光刻技术来制作出具有需要结构的阳模，然后在阳模上加入高分子聚合物材料，即可得到具有需要的微通道结构的基片。最后进行封装将基片和盖片键合得到微流体芯片。整个模塑法制作方式简单而且具有较高的分辨率，往往用来制作廉价的分析芯片[10]。3）软光刻技术软光刻技术最早是在90年代末出现，別于传统的光刻技术中使用硬膜进行制作，软光刻技术中采取了弹性膜进行替代。软光刻技术的优势：软光刻技术所用的母版制备方便，可以使用打印、普通光刻等方式来制作；其中图形的复制可以通过印压的方式来实现；而且软光刻技术能达到的精度上限为30nm-1um，同时其还能够做出复杂的三维结构，同时设备简单、可以用于一般的实验生产。由于软光刻技术的诞生，如今加密加工相关领域出现了巨大的变化，软光刻技术的出现使得精密加工不再那么复杂，而且也出现了一系列基于软光刻的精密加工技术[11]。基底材料表面改性技术聚二甲基硅氧烷(PDMS)作为常见的高分子聚合物材料，其经常被用作制作微流体芯片。目前对PDMS材料的润湿性研究有很多，主要可以分为俩类：由疏水到亲水改性研究以及由疏水到超疏水改性研究。目前由疏水到超疏水改性方面的研究应用多数是关于清洁表面的制作上，而且这项研究应用在许多宏观领域都有着不错的应用前景，比如纤维纺织品、防冻防雪材料、薄膜等。在具体应用是一般是使用微流体加工相关技术在特定材料的表面制作微纳米结构，或者是直接用纳米压印技术复制花瓣等生物结构来制作规则形状的微结构从而得到具有超疏水性质的材料表面[12-13]。由疏水到亲水改性有关的应用有很多：比如在生物医学领域中，该种材料可以当做药品的载体或者是植入材料植入人体，但是因为其材料的表面疏水性会使得人体出现不良反应，所以还需要对这种材料的表面再进行改性处理[14]。与此同时，该PDMS材料还可以被当做基底材料来制作微型反应器。目前，能够使PDMS表面呈现亲水性的方法主要有：化学气相沉积、氧等离子体处理、部分固化法、紫外线处理、逐层沉积法、悬浮凝胶法、硅烷化、动态表面改性、蛋白质吸收、聚合物接枝等。但是这些方法往往都需要较长的时间成本以及高昂的设备成本，在普通实验室的适用性较低，而且这些方法的亲水性会在一段时间后消失。所以目前阶段需要研究一种改性效果好而且能够长时间保持亲水性的方法。芯片键合封装技术在微流体芯片技术中，芯片的封装是极具挑战的步骤之一，目前实验用的大部分微型器件的结构都不止一层。传统的芯片键合技术用于硅基半导体的制造，在硅基半导体的制造过程中加工环境往往十分恶劣，高温、强电场等复杂恶劣条件对于材料或者是芯片系统产生一定的破坏，所以目前需要寻找一种可以在各种恶劣条件下都能可靠使用的键合封装技术。在微流体芯片加工技术中，键合封装工艺一般包括静电键合法、直接键合法等。在对于芯片封装技术的不断研究下，有许多学者提出了极具创新的封装策略，比如有人提出了一种无需使用专业设备的封装方法——毛细驱动自组装(CAP)技术，并且成功演示并完成了芯片自组装的过程。该项技术可实现多层的微结构封装并且精度很高，同时还不会对芯片内部实验样品进行损坏。目前该项技术已经实际应用在了一些微流体芯片的封装上[15]。在微流体芯片系统开发过程中所面临的最复杂的步奏就是宏观与微观结构的连接问题，已经有许多学者对此开展了大量关于封装技术的研究，比如说用胶粘剂的粘合或者是压装技术，但是目前这些封装技术还是存在着很多的问题，比如说不适用于加密加工，或者是很难完成小型化和集成化。对此，JiseokLim团队研究了一种新的系统，他们研究除了一套能够实现微流体芯片快速导向成型的系统，在系统的设计方面，该系统选择PMMA作为整体支架、PDMS制作单元模块。该系统可供使用的功能单元十分简单，整个系统制作的成本低、加工时间短，有着被大规模生产的可能性。目前芯片键合封装领域还有另一个研究热点方向——通过使用粘附剂或是表面改性方法来实现芯片不可逆键合[17]。有许多学者都在这一方面取得了成就，比如叶美英团队提供了一种新的芯片键合封装方法，当环境温度为75°C时，将PDMS的基片和盖片按照不同时间固化后，在将俩者进行贴合，这是利用基片和盖片的粘合性能来实现芯片的键合，在最后叶美英团队还表示如果事先将基片和盖片加热，最后的键合效果会更好[18]。另外，还有的芯片键合方式是利用真空紫外光改性方式来完成的。参考文献孙为民.中国水资源状况与安全分析[J].水利科技与经济,2013,19(06):94-96.赵庆友,宋启敏.在线余氯测量仪[J].中国测试技术，2004(03):57-59.VinodKumarGupta,SureshJain,SudeshnaChandra.Chemicalsensorforlanthanum(III)determinationusingaza-crownasionophoreinpoly(vinylchloride)matrix[J].AnalyticaChimicaActa,2003,486(2).刘升.余氯检测系统的研究与设计[D].合肥工业大学,2007.NikolaouAnastasiaD,GolfinopoulosSpyrosK,LekkasThemistoklesD.Formationoforganicby-productsduringchlorinationofnaturalwaters.[J].Journalofenvironmentalmonitoring:JEM,2002,4(6).高存梅.SiO2微球微流控制备技术研究[D].西南科技大学,2012.殷学锋,方群,凌云扬.微流控分析芯片的加工技术[J].现代科学仪器,2001(04):10-14.岳志红,张正.微流控芯片技术及其在检验医学中的应用[J].现代仪器,2004(05):14-16.李宇杰,霍曜,李迪,唐校福,史菲,王春青.微流控技术及其应用与发展[J].河北科技大学学报,2014,35(01):11-19.鹿燕,王敏.模板法合成纳米通道在微流控系统中的应用[J].分析化学,2009,37(06):923-928.WangWei,ZhaoSiwei,PanTingrui.Lab-on-a-print:fromasinglepolymerfilmtothree-dimensionalintegratedmicrofluidics.[J].Labonachip,2009,9(8).张鸿海,谢丹,刘胜,甘志银.基于荷花效应的双微观超疏水表面制作技术研究[J].中国机械工程,2009,20(02):207-210.姚树寅,吴仲岿,杨军,李少英,晏海英.PDMS真空紫外光表面亲水改性研究[J].湖北大学学报(自然科学版),2010,32(02):188-191.DingYuzhe,HongLingfei,NieBaoqing,LamKitS,PanTingrui.Capillary-drivenautomaticpackaging.[J].Labonachip,2011,11(8).LimJiseok,MaesFlorine,TalyValérie,BaretJean-Christophe.Themicrofluidicpuzzle:chip-orientedrapidprototyping.[J].Labonachip,2014,14(10).胡贤巧,何巧红,白泽清,苏法铭,陈恒武.聚二甲基硅氧烷-聚苯乙烯复合微流控芯片室温不可逆封合法的研究[J].化学学报,2013,71(11):1535-1539.叶美英,方群,殷学锋,方肇伦.聚二甲基硅氧烷基质微流控芯片封接技术的研究[J].高等学校化学学报,2002(12):2243-2246.丁继亮,常洪龙,陈方璐,洪水金,苑伟政.一种用电晕放电仪实现PDMS改性与键