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微流控技術(shù)可以通過哪幾種方法實(shí)現(xiàn)
2021-01-18
今天小編主要介紹下微流控芯片技術(shù)詳解:
1、微流控芯片的基質(zhì)材料
基質(zhì)材料是微流控芯片的載體,在微流控芯片發(fā)展的初期,硅材料作為構(gòu)建微流控芯片的首選材料而被廣泛使用,這主要?dú)w因于業(yè)已成熟的半導(dǎo)體技術(shù).但是隨著研究的不斷深入和應(yīng)用領(lǐng)域的不斷拓展,它表現(xiàn)出了不同程度的局限性:硅材料屬于半導(dǎo)體,不能承受高電壓,此外,硅材料不透明,與光學(xué)檢測技術(shù)不兼容.
玻璃材料具有很好的電滲性質(zhì)和優(yōu)良的光學(xué)性質(zhì),無論是從其物理性質(zhì)還是化學(xué)性質(zhì)來講,都非常適合于微流控芯片的制作,但是它的光刻和蝕刻技術(shù)工藝復(fù)雜、費(fèi)時,制作成本過高,這些因素制約了玻璃微流控芯片的應(yīng)用和推廣.
因此,研究者們開始把更多的注意力轉(zhuǎn)向了原材料便宜、加工制作簡單的高分子聚合物,目前,以聚二甲基硅氧烷(PolydiMethyl-Siloxane,PDMS)為代表的有機(jī)高分子聚合物已成為微流控芯片研究的熱點(diǎn),PDMS表現(xiàn)出了非常理想的材料特性:良好的絕緣性,能承受高電壓,已廣泛應(yīng)用于各種毛細(xì)管電泳微芯片的制作;熱穩(wěn)定性高,適合加工各種生化反應(yīng)芯片;具有很高的生物兼容性和氣體通透性,可以用于細(xì)胞培養(yǎng);同時具有優(yōu)良的光學(xué)特性,可應(yīng)用于多種光學(xué)檢測系統(tǒng);彈性模量低,適合于制作微流體控制器件,如泵膜等.此外,PDMS還可以和硅、氮化硅、氧化硅、玻璃等許多材料形成很好的密封.此外,較常用的高分子聚合物還包括聚甲基丙烯酸甲酯(PolyMethylMethAcrylate,PMMA)、聚碳酸酯(PolyCarbonate,PC)等.
2、微流控芯片的加工技術(shù)
微細(xì)加工技術(shù)是微流控芯片發(fā)展的前提條件,微流控芯片的制作技術(shù)首先起源于制造半導(dǎo)體及集成電路芯片所廣泛采用的光刻(Lithography)和蝕刻技術(shù)(Etching),目前已經(jīng)廣泛地用于硅片、玻璃和石英等基質(zhì)材料上微流體網(wǎng)絡(luò)的制作.其微制造工藝為:首先通過光學(xué)制板照相技術(shù)制備包括微流控芯片圖案的掩模,制備好的掩模通常是鍍有鉻層的石英玻璃板;然后用甩膠機(jī)均勻地在芯片表面涂敷一層光刻膠,在紫外光下進(jìn)行曝光,顯影.上述工作完成之后,用相應(yīng)的腐蝕劑對芯片進(jìn)行蝕刻,蝕刻完成后,去除剩余的光刻膠便可獲得所需的芯片微細(xì)結(jié)構(gòu).該方法工藝周期長、制作成本高,但其微加工技術(shù)非常成熟.
與硅片、玻璃材料不同的是,可用于微流控芯片加工制作的高分子聚合物種類繁多,而且各材料之間的物理化學(xué)性質(zhì)差別很大,所以它們的微加工技術(shù)表現(xiàn)出了一定的多樣性,目前主要有模塑法、熱壓法、LIGA技術(shù)、激光燒蝕技術(shù)和軟光刻法等.
a、模塑法(Injection Molding)
是指通過光刻掩模技術(shù)制得凸起的微流控芯片陽模,然后在陽模上澆注液態(tài)的高分子聚合物,當(dāng)高分子聚合物完全固化后將其與陽模剝離即可得到具有微流體網(wǎng)絡(luò)的基片,適宜采用模塑法的高分子材料應(yīng)該具有很低的黏度和很低的固化溫度,如PDMS,環(huán)氧樹脂,聚四氟乙烯等材料.
b、熱壓法
也是一種需要陽模的微流控芯片制造技術(shù),該技術(shù)主要利用了高分子聚合物的玻璃轉(zhuǎn)化溫度.與模塑法相比,熱壓法制得的微通道重復(fù)性較差,而且管道易產(chǎn)生變形,操作條件相對苛刻.該方法主要應(yīng)用于熱塑性材料的加工,如PMMA和PC等.
c、激光燒蝕(Laser Ablation)
是一種新型的微細(xì)加工技術(shù),它是通過紫外激光降解高分子聚合物,適宜激光燒蝕加工的材料有PMMA、聚苯乙烯、硝化纖維等.
微流控芯片技術(shù)詳解_微流控技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用3、微流控芯片的微流體控制技術(shù)微流體操縱技術(shù)是微流控芯片技術(shù)中最重要的一個研究領(lǐng)域之一,通過各種機(jī)械或非機(jī)械力實(shí)現(xiàn)對流體的驅(qū)動和控制.依據(jù)微流體驅(qū)動體系中有無機(jī)械活動部件,可以將其分為機(jī)械和非機(jī)械驅(qū)動系統(tǒng).
a、機(jī)械驅(qū)動系統(tǒng)
主要包括壓電微泵、靜電微泵等,它主要是通過靜電、壓電等不同方法來觸發(fā)引起的機(jī)械部件的運(yùn)動,從而為微流體提供動力源,這種泵的優(yōu)點(diǎn)是任何流體都可以推動,但其所驅(qū)動的流體呈脈沖狀而不是連續(xù)式的.
b、非機(jī)械驅(qū)動系統(tǒng)
主要包括電滲泵、熱毛細(xì)管泵等,其中電滲泵是微流控芯片系統(tǒng)中最常用的一種驅(qū)動力,相對于微機(jī)械壓力驅(qū)動的泵來說,電滲泵有很多優(yōu)點(diǎn):如電滲泵易于制作而且沒有任何移動部件,電滲泵的樣品柱只有少量的擴(kuò)散,此外,可以采用改變微通道壁x(電勢)的方法來進(jìn)一步控制電滲流的量和方向.
4、微流控芯片檢測技術(shù)
微流控芯片的結(jié)構(gòu)特征決定了其檢測技術(shù)的特殊性,與傳統(tǒng)檢測儀器相比,微流控芯片對其檢測系統(tǒng)提出了更高的要求,如要求靈敏度高、響應(yīng)速度快、具有平行分析功能和便攜式特征等,目前基于不同原理的很多檢測技術(shù)都已經(jīng)應(yīng)用到微流控芯片的研究中,主要有光學(xué)檢測、電化學(xué)檢測、質(zhì)譜等方法.
a、光學(xué)檢測
光學(xué)檢測是微流控芯片檢測方法中應(yīng)用最廣的一種,其優(yōu)點(diǎn)在于靈敏度高、實(shí)用性強(qiáng),且檢測器與分析對象不需直接接觸.其中激光誘導(dǎo)熒光檢測(Laser Induced Fluorescence,LIF)是目前最靈敏的檢測方法之一,其靈敏度達(dá)到10-9mol/L~10-12mol/L,對于某些熒光效率高的分子,其檢測能力可以達(dá)到單分子水平,因此它也是當(dāng)前商品化微流控系統(tǒng)中唯一被采用的檢測器.但該檢測設(shè)備價格昂貴,而且體積龐大,與微尺寸的微流控芯片極不匹配,一定程度上限制了其廣泛推廣與應(yīng)用.
b、電化學(xué)檢測
基于電化學(xué)檢測原理的檢測系統(tǒng)可以說是最完整的、最集成、最理想的芯片檢測系統(tǒng)之一,這主要有兩方面的原因:一方面,微電極的制造技術(shù)與當(dāng)前微流控芯片的加工工藝是完全兼容的,可以實(shí)現(xiàn)大批量生產(chǎn);另一方面,電化學(xué)檢測具有靈敏度高、選擇性好、不受光程和樣品渾濁度影響等優(yōu)點(diǎn),且只需要極少的外圍輔助設(shè)備即可實(shí)現(xiàn)快速檢測,圖1給出的是一種便攜式電化學(xué)檢測系統(tǒng).無疑,基于電化學(xué)原理的芯片檢測技術(shù)代表未來芯片檢測器的一個重要發(fā)展方向,顯示了巨大的應(yīng)用價值和潛力.
c、質(zhì)譜檢測
質(zhì)譜檢測技術(shù)作為生物化學(xué)分析的重要手段,由于能夠提供試樣組分中生物大分子的基本結(jié)構(gòu)和定量信息,所以在微流控芯片檢測器中表現(xiàn)出了巨大潛力,但當(dāng)前質(zhì)譜檢測的瓶頸在于質(zhì)譜儀與微流控芯片的接口問題.
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