微流控芯片的发展历程

摘 要：随着自然科学技术的发展，系统的微型化是大势所趋。微流控芯片作为生物、化学、医学、流体、电子、材料、机械等交叉学科而兴起的研究热点，本文主要介绍了微流控芯片的发展历程，并阐释了微流控芯片和微流控器件的应用价值。

关键词：微电机；微流控；芯片；PDMS

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.13.108

1 微机电系统

近几十年来，自然科学技术发展的一个重要趋势是逐渐向微型化迈进，系统的微型化是大势所趋，微机电系统（Micro Electro-Mechanical Systems，MEMS）就是微型化、集成化与智能化发展的典型。MEMS的定义是：集微型传感器、微型执行器以及控制电路等于一体的能够完成特定功能的微型器件或者系统，其中微型传感器、执行器和相对应的控制电路是MEMS的主体三部分，另外还包括信号处理、接口、电源等其他辅助部分[1-6]。

MEMS技术作为机械工程、微电子技术、控制工程、流体力学、材料学、生物医学、化学等交叉兴起的研究领域，具有以下特点：

（1）微型化：尺寸小、质量轻、响应快。

（2）集成化：MEMS技术可以把多个传感器、执行器、控制电路和信号处理等集成在一块方寸大小的芯片上，构成微系统。

（3）智能化：随着人们生活水平的提高，以MEMS为技术支持的具有感知能力、学习能力以及行为决策能力的智能化产品越来越受欢迎。

（4）材料：MEMS技术主要是以硅材料为主，其性能稳定，矿产存储丰富。

（5）批量生产：利用微加工技术，在一块硅基板上可以加工出成千上万个元件，并且可以重复加工。

（6）节能环保：非常低的生产成本、能源消耗更加符合当下的发展理念。

工业发达的国家非常注重MEMS技术的发展，在二十一世纪MEMS技术必将成为一个新的国家经济增长点。我国对MEMS技术研究开始于上世纪80年代，并且受到教育部、科技部、基金委等各部门的大力支持。

2 微全分析系统

上世纪90年代初，瑞士的Manz和Widmer在MEMS技术基础之上，提出了微全分析系统（Micro Total Analysis Systems，μTAS）[7]。作为MEMS技术新的应用，μTAS在临床医学、医药检测、生物化学、生命科学等领域中得到了广泛的应用。根据芯片的结构和工作原理，可以将μTAS划分为微阵列（生物）芯片和微流控芯片[8-9]。

微阵列（生物）芯片的发展要早于微流控芯片，是以微探针阵列為结构特征，主要用于DNA分析，因此也称为基因芯片。而微流控芯片（Microfluidics Chips）以微通道网络为结构特征，通过把分析设备微型化、便携化和集成化，最大程度的将分析实验室的各种功能转移到一个方寸大小的芯片上面，以其为研究分析和操作平台，完成采样、稀释、分离、混合、加试剂、反应、检测等各种相关实验。因此，这种能够代替实验室完成各种分析实验的芯片也被称为芯片实验室（Lab-on-a-Chip）。表1是微阵列（生物）芯片与微流控芯片的比较[10]，可以发现它们之间存在着相互补充的关系，二者通过这种相互补充、借鉴的关系共同带动微全分析系统的快速发展。

3 微流控芯片

微流控芯片或者芯片实验室是以分析化学和分析生物为研究对象，利用微加工技术在芯片基板上面刻划、加工微通道，最终封装成带有流体进口、中间流道、出口的封装芯片。作为生物、化学、医学、流体、电子、材料、机械等交叉学科而兴起的研究热点，微流控芯片无论在几何尺寸还是分析功能都要比一般的常规实验具有非常明显的优势：

（1）高度集成化、体积小、结构简单。微流控芯片只需通过微加工机技术，将所需要的微通道集成到一块基板上面，形成微通道网络，因此不仅体积微小只有方寸大小，而且网络状的微结构比较简单。一般传统的反应器内部动力元件较多、结构复杂、加工要求高，相对于常规的机械加工反应器，微流控芯片的加工更加简便、经济。

（2）降低消耗、环保。微流控芯片所需样品液和检测液的量相对于常规实验室分析要大大的减少，只有数微升，所需外界附加的能源更加少，因此整体很大程度的降低了珍贵样品液与检测液的消耗和能源的消耗，而且更加环保符合当下社会绿色低碳的环保思想，将会成为未来分析实验的主流分析平台。

（3）安全性能较好。微流控芯片体积小、结构简单、集成化、所需附加能量少，因此在芯片加工、运输、实验室操作等过程中，能够避免产生如加工断裂报废、运输报废、操作爆炸等更多的危险状况，加工、使用更加安全。

（4）分析效率高。微流控芯片不仅结构尺寸的微小，而且微通道具有非常高的传质和传热效率，其效率一般高出宏观试验方法一到二个数量级。

（5）因微流控芯片在结构、材料、能耗、安全性和高效率等方面具有独特的优势，当商业采用大批量生产时，能够大大降低材料、生产成本，能够带来巨大的社会效益和经济效益。

综上所述，微流控芯片的发展优势和广泛应用将带动生物检测、化学分析、临床医学、生命科学、药剂合成等研究领域一项重大变革。

4 微流控器件

一般地，完成微流控分析、检测实验的有效组成器件主要包括：微型阀门、微型泵、微混合器（微反应器）、微型感应器、微储液器、微电极、微检测元件等功能部件。

正常情况下，微流控芯片进行分析实验之前，要事先把各种样品液与检测液进行高效混合。例如，新药剂的合成、化学反应的进行、临床医学检测都必须建立在不同流体充分混合的基础上。另外，因微观流体的尺度效应存在，宏观上的流体混合理论可能已经不再适用微观混合，所以如何设计出在最短的时间内、最大程度上实现不同流体物质高效快速混合的微混合器，是目前微流控芯片研究的一个重点课题。

微流控芯片上的通道一般是分布在长几十毫米、宽几十毫米、厚度在几个毫米的透明基片上面，芯片一般常用的材料有硅片、玻璃、PDMS等等。图1是PDMS材料的化学分子结构。

5 微流控芯片的加工技术

模塑法是当下制作微流控芯片的常用方法。该方法加工过程简单、环保经济，可以适应大批量芯片的生产。其加工工艺是通过光刻胶事先制作出具有微通道同样形状的凸起，之后在模具上注塑PDMS材料，通过添加固化剂的方式，最后退模得到具有微通道的PDMS基片。具有微通道的PDMS基片可以与空白基片键合，也可以与同样具有微通道的基片进行键合，最后通过打孔的方式加工出微通道芯片的进去口。

加工过程中最常用的模具材料是SU-8正光胶或着负光胶，具体加工步骤是：首先在透光玻璃上面涂上一层SU-8正或负光刻胶，再将菲林掩膜覆盖在光刻胶上面，然后用紫外线光垂直照射在菲林掩膜上，最后通过显影就可以得到具有微通道对应凹凸的阴或阳模。得到模具之后，就可以在模具上面浇注PDMS液体材料，再添加固化剂，一定时间之后将固化后的PDMS从模具上面剥落下来，就可以得到具有微通道的PDMS基片，之后或与空白盖片或与同样具有微通道的基片进行键合，就可以加工出所需要的微通道芯片。模塑法加工微通道PDMS芯片的过程如图2所示。

6 总结

本文首先介绍了MEMS技术的微型化、集成化的发展趋势；其次综述了微全分析系统的发展历程；接着详细介绍了微流控芯片和微流控器件的应用价值；最后介绍了微流控芯片常用材料和加工技术。

通过本文的综述，希望能让初入微流控领域的学者对微流控芯片的发展及应用有初步的了解，为将来研究微流控打下一定的基础。

参考文献：

[1]Bryzek J.Impact of MEMS technology on society[J].Sensors & Actuators A Physical，1996，56（1-2）：1-9.

[2]張威，张大成，王阳元.MEMS概况及发展趋势[J].微纳电子技术， 2002，39（01）：22-27.

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[4]李志信，罗小兵，过增元.MEMS技术的现状及发展趋势[J].传感器与微系统，2001，20（09）：58-60.

[5]童志义，赵晓东.国内外MEMS器件现状及发展趋势[J].电子工业专用设备，2002，31（04）：200-206.

[6]赵晓峰，温殿忠.MEMS研究与发展前景[J].黑龙江大学自然科学学报，2002，19（01）：64-69.

[7]Manz A，Graber N，Widmer H M.Miniaturized total chemical analysis systems： A novel concept for chemical sensing[J]. Sensors & Actuators B Chemical，1990，1（1-6）：244-248.

[8]Effenhauser C S，Manz A，Widmer H M. Manipulation of Sample Fractions on a Capillary Electrophoresis Chip[J].Analytical Chemistry，1995，67（13）：2284-2287.

[9]Nguyen N T，Wu Z.TOPICAL REVIEW： Micromixers—a review[J]. Journal of Micromechanics & Microengineering，2005，15（02）：1-16.

[10]方肇伦，方群.微流控芯片发展与展望[J].现代科学仪器， 2001（04）：3-6.

作者简介：孟婷婷（1992-），女，河南商丘人，硕士，助理工程师。