模具制備,基片制備等技術(shù)研究" />
微流控芯片(Microfluidics)又稱(chēng)芯片實(shí)驗(yàn)室(Lab on a chip)是通過(guò)微細(xì)加工技術(shù)加工微納尺度通道網(wǎng)絡(luò),將生物、化學(xué)、醫(yī)學(xué)分析過(guò)程的樣品制備、反應(yīng)、分離、檢測(cè)等基本操作單元集成到一塊幾個(gè)平分厘米的芯片上,以可控流體貫穿整個(gè)系統(tǒng),用以替代常規(guī)化學(xué)或生物實(shí)驗(yàn)室的各種功能的一種技術(shù)平臺(tái)。微結(jié)構(gòu)是微流控芯片的核心部分,微結(jié)構(gòu)的制備按照所用芯片材料的不同,常用的軟質(zhì)PDMS塑料芯片、硬質(zhì)PMMA等塑料芯片、無(wú)機(jī)玻璃芯片等,不同材質(zhì)芯片微結(jié)構(gòu)的制備解決方案不同。
1.1 軟質(zhì)PDMS塑料芯片:又稱(chēng)硅橡膠,是眾多聚合物中用得較多的一種。能透過(guò)250nm以上的紫外與可見(jiàn)光;耐用、有一定的化學(xué)惰性;無(wú)毒、廉價(jià);能可逆和重復(fù)變形而不發(fā)生永久性破壞;能用模塑法高保真地復(fù)制微流控芯片;芯片微通道表面可進(jìn)行多種改性修飾;它不僅能與自身可逆結(jié)合(或不可逆),還能與玻璃、硅、二氧化硅和氧化型多聚物可逆結(jié)合(或不可逆)。
PDMS芯片微結(jié)構(gòu)常用光刻法加工,加工工藝如下:
圖一:PDMS芯片微結(jié)構(gòu)制備工藝
PDMS芯片微結(jié)構(gòu)尺寸取決于其注塑模具,普通紫外光刻工藝加工的尺寸最細(xì)可到2um,由于PDMS芯片材質(zhì)的透氣性、透光性和生物相容性,常用于生命科學(xué)領(lǐng)域,比如用于細(xì)胞培養(yǎng)和研究,下圖是用于神經(jīng)細(xì)胞研究的常見(jiàn)PDMS微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
圖二:神經(jīng)細(xì)胞研究PDMS芯片
1.2 硬質(zhì)PMMA等硬質(zhì)塑料芯片:用于微流控芯片制作的硬質(zhì)塑料芯片主要有三類(lèi):熱塑性聚合物、固化型聚合物和溶劑揮發(fā)型聚合物。熱塑性聚合物有PMMA、PC和聚乙烯等;固化型聚合物有PDMS、環(huán)氧樹(shù)脂和聚氨酯等,他們與固化劑混合后,經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的固化變硬即可得到芯片。溶劑揮發(fā)型聚合物有丙烯酸、橡膠和氟塑料等,制作時(shí)將他們?nèi)苡谶m當(dāng)?shù)娜軇?,再通過(guò)緩慢揮發(fā)溶劑而得到芯片。
常用硬質(zhì)塑料芯片微結(jié)構(gòu)加工工藝有模具注塑法、模具熱壓法和CNC銑刻法。如下圖所示:
圖三:PMMA芯片加工工藝
PMMA硬質(zhì)塑料芯片微結(jié)構(gòu)尺寸取決于其注塑模具或者銑刀,PMMA等硬質(zhì)塑料芯片由于其優(yōu)良的光學(xué)、機(jī)械性能和生物相容性,常用于無(wú)機(jī)水溶劑微流處理的各種領(lǐng)域,比如微流混合芯片,如下圖:
圖四:用于微流混合的PMMA芯片
1.3 硬質(zhì)無(wú)機(jī)芯片:硅具有良好的化學(xué)惰性和熱穩(wěn)定性。單晶硅生產(chǎn)工藝和微細(xì)加工技術(shù)已趨成熟,在半導(dǎo)體和集成電路上得到廣泛應(yīng)用??稍诠杵鲜褂霉饪毯臀g刻方法高度精度地復(fù)制出二維圖形,即使是復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu),也可以通過(guò)微加工技術(shù)獲得。由于硅材料有良好的光潔度和成熟的加工工藝,常用作制作高分子聚合物芯片時(shí)的模具。
硅材料的不足之處是易碎、價(jià)格偏高、不透光、電絕緣性差,表面化學(xué)行為也較為復(fù)雜,因此在微流控芯片中的應(yīng)該受到限制。
石英和玻璃有很好的電滲性質(zhì)和優(yōu)良的光學(xué)特性,它們的表面吸附和表面反應(yīng)能力都有利于對(duì)其表面改性,但是相對(duì)價(jià)格較高,尤其是石英 。采用和硅片類(lèi)似的光刻和蝕刻技術(shù)可以將微結(jié)構(gòu)刻在石英和玻璃上,因此,石英和玻璃材料已廣泛應(yīng)用于制作微流控芯片。
硬質(zhì)無(wú)機(jī)芯片的加工工藝如下圖:
圖五:玻璃芯片加工工藝示意圖
硬質(zhì)無(wú)機(jī)芯片由于其優(yōu)良的光學(xué)性能、機(jī)械性能和化學(xué)穩(wěn)定性,除了可用于生命科學(xué)領(lǐng)域之外,也可用于化學(xué)分析應(yīng)用。如下圖,是用于電泳分析的常用芯片結(jié)構(gòu):
圖六:玻璃電泳芯片
1.4 其他微結(jié)構(gòu)芯片解決方案:除了前面所述的常規(guī)微結(jié)構(gòu)芯片加工工藝之外,我們同時(shí)提供高難度芯片設(shè)計(jì)和加工、低成本芯片設(shè)計(jì)和加工及功能芯片設(shè)計(jì)等解決方案。
● 微孔陣列PDMS芯片:孔徑最小可以到2-5um,陣列數(shù)量可以達(dá)到千萬(wàn)級(jí);微孔陣列PDMS芯片可用于生化分析中的微量試劑的點(diǎn)樣,也可以作為微孔過(guò)濾材料等,兼具有微孔和微流控芯片強(qiáng)大處理等優(yōu)點(diǎn);
● 多層微流控芯片:PDMS、PMMA、PC和玻璃等各種材質(zhì)的芯片均可以自由組合,組成單一材質(zhì)或者多材質(zhì)的多層芯片,適應(yīng)生命科學(xué)、環(huán)境科學(xué)、分析化學(xué)等多個(gè)學(xué)科各種需要;
● 干膜光刻加工工藝:使用干膜法進(jìn)行芯片模具加工,以替代以往光刻膠旋涂工藝,在不改變加工精度和質(zhì)量的前提下,大大提高了批量化生產(chǎn)的效率;干膜作為保護(hù)層也是一種低成本高效的批量加工工藝;
● 低成本模具加工工藝:用硬質(zhì)塑料和金屬板加工成注塑模具,進(jìn)行大批量芯片的加工生產(chǎn),成本低廉、生產(chǎn)效率高,同時(shí)批間差非常?。?/span>