低成本微流控芯片的加工材料

硅和玻璃是最早用于微流控芯片的基體材料，主要是由于其加工方法可以直接套用MEMS和微電子領域的加工方法。硅和玻璃材料價格昂貴且不易加工，在微流控芯片的發展過程中很快就被以各類聚合物為代表的低成本材料所替代。現有各類微流控芯片的加工方法中，可供選擇的低成本材料很多，有各類彈性體材料、熱塑性聚合物材料、熱固性聚合物材料、紙材料、生物材料等。本文的討論中，將常見的可用于低成本微流控芯片加工的材料分為聚合物材料、紙材料、其他材料三類分別進行介紹。 

聚合物材料

彈性體材料 

本文所述的彈性體材料指的是能夠在弱應力下發生顯著形變，應力松弛后能迅速恢復到接近原有狀態和尺寸的聚合物材料。聚二甲基硅氧烷（polydimethylsiloxane, PDMS）是目前在微流控芯片領域應用最為廣泛的彈性體材料，PDMS用于微流控芯片最早在1998年由Whitesides等提出，PDMS具有價格低廉、光學透明、生物兼容性好、具有一定透氣性等優點，是低成本微流控芯片的理想材料（如圖1所示）。PDMS在微流控芯片加工中往往通過模塑成型的方法在表面形成微結構，其翻模精度甚至可以達到納米（nm）級別。然而，PDMS也有通道易變形坍塌，對通道內流體有少量吸收等缺點。PDMS的加工和鍵合方法將在本文的低成本加工部分進行較為詳細的介紹。

圖1 基于PDMS材質的液滴發生微流控芯片

熱塑性塑料 

熱塑性塑料是日常生活中最為常見且應用廣泛的材料，價格非常低廉，熱塑性塑料可以在一定溫度條件下變軟后進行塑形。可用于低成本微流控芯片的熱塑性材料種類很多，主要有聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、聚苯乙烯（PS）、環烯烴類共聚物（COC）、聚碳酸酯（PC）、聚對苯二甲酸（PET）、聚氯乙烯（PVC）等。 

熱塑性塑料中，PMMA由于材料成本低、熱加工和光學性能良好，基于PMMA的微流控芯片在各類生命科學和醫學研究中具有廣泛應用；PS具有優異的生物兼容性，作為微流控芯片的基體材料在細胞培養等領域具有顯著優勢；COC作為一種較新的非晶性共聚高分子材料，與PMMA等熱塑性材料相比，在紫外光波段具有優異的透過性能和更好的熱穩定性，同時吸水性只有PMMA的1/10，COC芯片在大多數情況下（非極端溫度情況）可以直接替代昂貴的玻璃芯片。 

紙材料 

紙基微流控芯片是通過各種方法將疏水材料滲透入親水的紙纖維中，通過疏水材料的“圍墻”控制親水紙纖維內的流體流動，從而形成了紙基微流控芯片，常見的噴墨打印機、絲網印刷、3D打印機、蠟打印機甚至蠟筆都可以被用來加工低成本的紙基微流控芯片。在紙張選擇上，常見的有Whatman系列濾紙或色譜分析紙。與聚合物材料微流控芯片需要封閉流道不同，紙基微流控芯片由于液體在紙張纖維內部運動，往往不需要對流道進行封閉，即開放式流道（open-channel）。 

圖2所示的用于血細胞分離和血清蛋白檢測的紙基微流控芯片，利用了浸蠟的方法定義了液體在紙纖維內流動的通道，隨后通過紙纖維的孔隙對血漿和血細胞進行分離，最后通過顯色測定血清蛋白含量。紙基微流控芯片由于材料和加工成本低廉，已經被廣泛應用于各類醫學和生命科學檢測研究和應用中，如唾液乙醛檢測、重金屬檢測、血糖檢測、乳酸檢測等。

圖2 用于血細胞分離和血清蛋白檢測的紙基微流控芯片 

低成本微流控芯片的加工與鍵合方法 

低成本微流控芯片加工方法 

選取了常用的低成本微流控芯片加工方法進行介紹。 

微模塑成型 

由于PDMS材料在微流控芯片加工領域的廣泛應用，基于PDMS的微模塑成型成為目前最為常見的微流控芯片加工方法。其中，使用SU-8光刻膠作為模具對PDMS進行模塑成型較為常見，將SU-8光刻膠旋涂在硅片上并進行光刻，根據不同型號SU-8光刻膠和旋涂速度的控制，其厚度可以在十幾到一兩百微米范圍內自由調節；將PDMS主劑與硬化劑10：1混合去除氣泡后緩慢傾倒在SU-8微結構上，加熱硬化；將PDMS從SU-8模具上小心揭取，模具可以重復使用；將PDMS與玻璃等基底材料進行氧等離子處理后鍵合。 

激光燒蝕 

這里的激光燒蝕特指使用波長為10．6 μm的二氧化碳激光在聚合物材料表面進行燒蝕加工微流道的方法。使用激光燒蝕方法加工微流道，其優點在于：加工過程簡單快捷，一次燒蝕即可完成加工；材料適用范圍寬，大部分聚合物材料和玻璃等均可使用該方法在表面加工微流道。缺點在于：在聚合物材料材料表面加工的微流道內壁凹凸不平，存在大量氣泡，可能需要通過化學方法進行處理；在聚合物材料表面加工流道兩側有熔融材料拋出再凝固形成的凸起，不利于后續鍵合；加工精度有限，僅適用于流道寬深度大于80 μm的應用。激光燒蝕方法在低成本微流控芯片領域的應用，目前還集中在單一聚合物材料應用上，從未來的發展方向看，其在基于可降解生物塑料、紙、導電塑料等材料的微流控芯片加工領域還有較大的發展空間。 

2D/3D打印 

2D打印指辦公和實驗場合常見的激光打印機、噴墨打印機、蠟打印機、絲網印刷等加工微流控芯片或微流控芯片倒膜模具的方法，3D打印是利用近來發展迅速的3D打印機直接打印微流控芯片或倒模模具的技術。2D打印微流控芯片通常應用在紙基微流控芯片中，通過疏水性墨水的浸透作用在親水紙材料中包圍形成微流道，圖案精度由打印機精度或絲網網孔決定，通常在80~400 μm之間。此外，還可以利用噴墨打印或絲網印刷在玻璃或聚合物基底上直接沉積PDMS、SU-8等材質的微結構，形成微流控芯片；如果使用含有銀納米顆粒的導電墨水，還可在微流控芯片表面打印電極。圖3（a）、圖3（b）為絲網印刷的基本原理，通過絲網印刷方法加工的基于紫外感光介質漿料（5018A，Dupont，USA）的微流道和銀電極。

圖3 基于絲網印刷的微流控芯片 

使用3D打印對微流控芯片進行加工，主要有微立體光刻（stereo-lithography）、熔融沉積成型（FDM）等方法，其中熔融沉積成型3D打印機由于價格相對低廉可用于低成本3D微流控芯片的加工。熔融沉積成型技術既可以直接打印PC、PLA、ABS（acrylonitrile butadience styrene）等材料制成3D微流控芯片，也可以打印用于PDMS倒模的模具。但目前商業化熔融沉積成型設備的精度在100~500 μm之間，距離大部分微流控芯片的應用需求還有一定差距，且適于微流控芯片使用的透明打印耗材選擇有限，芯片加工速度與本文介紹的其他方法相比也較慢。 

注塑成型 

注塑成型是在塑料加工領域使用廣泛的加工方法，近年來伴隨微注塑技術的發展，研究者開始嘗試使用注塑成型的方法加工微流控芯片，常見的用于微流控芯片的注塑材料有PMMA、COC、PDMS等。傳統上，使用注塑方法加工微流控芯片需先加工模具，耗時長且模具價格昂貴。在低成本微流控芯片加工中，有別于傳統金屬模具，Hansen T S等人使用加工在鎳表面的SU-8光刻膠作為注塑模具，模具反復使用300次后制品質量穩定，顯著降低了成本和模具加工時間。其優勢在于重復性好、加工速度快、可以加工3D微流控芯片，適用于大規模微流控芯片的加工；缺點是靈活性差，芯片結構變動時需要重新開模，模具成本較高。