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      微流控技術介紹

      什么是微流控技術(微流體技術)?

      微流控芯片實驗室,又稱其為芯片實驗室(Lab-on-a-Chip)或微流控芯片(Microfluidic?Chip)。微流控芯片是微流控技術(Microfluidics)實現的主要平臺。其裝置特征主要是其容納流體的有效結構(通道、反應室和其它某些功能?部件)至少在一個維度上為微米級尺度,操控微小體積的流體在微小空間中的活動,在微小的芯片上構建化學或生物實驗室,從而將多種化學和生物學的過程集成到?快速和自動的微流控系統。

      由于微米級的結構,流體在其中顯示和產生了與宏觀尺度不同的特殊性能,因此發展出獨特的分析產生的性能。


      微流控技術發展史

      Manz和Widmer等人早在1990年就首次提出了微型全分析系統(Miniaturized?Total?Analysis?System,(iTAS)的概念。1995年首家從事微流控芯片技術的Caliper公司成立。2002年Quake等以“微流控芯片大規模集成”為題在?Science上發表文章,微流控芯片引起科學界的廣泛關注。2003年,微流控技術被Forbes雜志評為影響人類未來15件最重要的發明之一。直至今日,各國科學家在這一領域做出更加顯著地成績。微流控技術作為當前分析科學的重要發展前沿,在研究與應用方面都取得了飛速的發展。

      微流控芯片的誕生是伴隨著現代分析科學技術的不斷發展與進步而出現的。分析技術的進步極大的推動了生命科學的發展,與此同時,人們對生命科學的研究從宏觀逐步深入到微觀,為了適應生命科學從宏觀到微觀的發展的需要,分析儀器正不斷趨于微型化。

      隨著微流控芯片的不斷發展,科學家逐漸認識到微型全分析系統只是微流控芯片的一個類別。微型全分析系統是以樣品分析為最終目的的一類微流控芯片的統?稱。微型全分析系統的目的是通過分析設備的微型化與集成化,最大限度地將分析實驗室的功能轉移到便攜的分析設備中。微型全分析系統將生化分析的許多過程與?步驟,即生化分析實驗室的“功能集成結構縮微”在幾平方厘米左右(或更小的芯片上,具有檢測速度快、試樣用量少、通量高等顯著的特點。微流控分析芯片綜合?了MEMS技術與微流體力學、化學、生物學、醫學、計算機、材料等多學科領域,可以實現多種分析功能,最大限度地把采樣、稀釋、加試劑、反應、分離、檢測?等分析功能集成為一體的微型全分析系統。


      用于制作微流控芯片的材料主要有哪些?

      微流控分析芯片發源于MEMS技術,因此早期常用的材料是晶體硅和玻璃。高分子聚合物材料近年來己經成為微流控芯片加工的主導材料,它的種類繁多、價格便宜、絕緣性好,可施加高電場實現快速分離,加工成型方便,易于實現批量化生產。

      晶體硅具有散熱好、強度大、價格適中、純度高和耐腐蝕等優點,隨著微電子的發展,硅材料的加工技術越來越成熟,硅材料首次被用于微流控芯片的制作。?硅材料具有良好的光潔度和成熟的加工工藝,一次可以用于微泵、微閥和模具等器件。但是硅材料也具有本身的缺點,例如絕緣性和透光性較差、深度刻蝕困難、硅?基片的粘合成功率低等,這些影響了硅的應用。

      玻璃己被廣泛用于制作微流控芯片,使用光刻和蝕刻技術可以將微通道網絡可在玻璃材料上,它的優點是有一定的強度、散熱性、透光性和絕緣性都比較好,很適合通常的樣品分析。

      目前,高分子聚合物材料由于成本低、易于加工成型和批量生產等優點,得到了越來越多的關注。用于加工微流控分析芯片的高分子聚合物材料主要有三大?類:熱塑性聚合物、固化型聚合物和溶劑揮發型聚合物。熱塑性聚合物包括有聚酰胺(PI)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚碳酸酯(PC)、聚對苯二甲酸?乙二醇酯(PET)等;固化型聚合物有聚二甲基硅氧烷(也稱硅酮彈性體或硅橡膠,PDMS)、環氧樹脂和聚氨酯等,將它們與固化劑混合后,經過一段時間固?化變硬后得到微流控芯片。溶劑揮發型聚合物有丙烯酸、橡膠和氟塑料等,將它們溶于適當的溶劑后,經過緩慢的揮發溶劑而得到芯片。PDMS材料因其顯著的優?勢,在學術界與工業界中的微流控芯片研究與應用極為廣泛。PDMS芯片經軟刻蝕加工技術,可以實現高精度微結構的生成。并且,由于這種材料的彈性,可以更?好地與外界部件進行整合。PDMS芯片應用在某些生物實驗中,可以形成足夠穩定的溫度梯度,便于反應的實現。除此之外,由于其對可見光與紫外光的課穿透?性,使得其得以與多種光學檢測器實現聯用。在細胞實驗中,由于PDMS的無毒特征以及透氣性,因此顯現出其他聚合物材料相比不可替代的地位。


      微流控芯片是如何制作出來的?

      微流控芯片通道的加工制作主要有:模塑法、光刻化學腐燭方法、離子或反應離子深刻蝕方法、注塑、印模或激光燒燭、軟刻燭技術、熱壓法等。

      硅及玻璃芯片的制作主要釆用起源于制作半導體及集成電路芯片的光膠、掩模和紫外光進行微結構制造的光刻和刻蝕技術。高分子材料具有價格低廉、易于加?工等特點,己經被廣泛的用于一次性使用芯片的制作。由于高分子聚合物的種類很多,各種材料的物理化學性質不同,所以制作技術也不盡相同。目前的加工方法主?要有激光燒蝕法、噴射模塑法、熱壓法,以及軟刻蝕技術等。

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