數(shù)字微流控芯片的基本組成

數(shù)字微流控芯片（Digital microfluidic chip）主要有兩種結(jié)構(gòu)：一種是開(kāi)放式結(jié)構(gòu)（單平板）；另一種是封閉式結(jié)構(gòu)（雙平板）。在開(kāi)放式結(jié)構(gòu)中，驅(qū)動(dòng)電極和地電極處于同一基板上；而在封閉式結(jié)構(gòu)中，由上、下兩板組成，通常上板作為地電極，一般由氧化銦錫（ITO）組成，下板作為驅(qū)動(dòng)電極，包含一系列電極陣列。

圖1 不同裝置結(jié)構(gòu)的數(shù)字微流控芯片

（左）開(kāi)放式結(jié)構(gòu)；（右）封閉式結(jié)構(gòu)

數(shù)字微流控芯片一般由四個(gè)基本部分組成：基底、電極層、介質(zhì)層和疏水層，需要根據(jù)實(shí)驗(yàn)需求選擇合適的材料。

1、基底

基底作為芯片的支架，對(duì)芯片的加工過(guò)程以及電極陣列的設(shè)計(jì)有很大的影響，可以選作芯片基底的材料一般包括玻璃、硅、印刷電路板(PCB)以及其他柔性材料，表1列出了目前數(shù)字微流控芯片常用的基底。

表1 數(shù)字微流控芯片基底材料及優(yōu)缺點(diǎn)

其中，玻璃基底由于化學(xué)性能穩(wěn)定、芯片加工精度高，且具有優(yōu)良的光學(xué)特性、耐高溫性和電絕緣性被廣泛使用。然而由于其加工過(guò)程復(fù)雜且價(jià)格昂貴，在推廣應(yīng)用中受到了一定的限制。近年來(lái)，印刷電路板由于價(jià)格低廉、易加工且易批量生產(chǎn)受到眾多研究人員的推崇。且隨著一次性芯片概念的提出，近年來(lái)發(fā)展一次性芯片的數(shù)字微流控設(shè)備成為一大熱點(diǎn)。

紙是芯片制造中最常見(jiàn)的一次性基底，雖然在紙上制備電極層有一定的難度，但是其成本低并且易批量生產(chǎn)，能夠滿(mǎn)足芯片的一次性使用，使得紙基芯片越來(lái)越受歡迎。大部分研究中通過(guò)絲網(wǎng)印刷在紙基基底上制備電極，后期為了提高電極的分辨率以及使得制備過(guò)程得以自動(dòng)化，采用注射打印的方法制備。除此之外，聚酯薄膜以及其他一些柔性材料也可以用作數(shù)字微流控的基底。

紙片上的電濕潤(rùn)

2、電極層

電極層材料需滿(mǎn)足導(dǎo)電性能好、能很好地附著于基底上，并且能與微加工技術(shù)兼容等條件。

一般常用的電極層材料有重?fù)诫s多晶硅、金屬及其氧化物。

重?fù)诫s多晶硅通常采用化學(xué)氣相沉積方法制備，并經(jīng)過(guò)刻蝕工藝形成所需要的驅(qū)動(dòng)微電極，該方法能與微加工技術(shù)兼容，但是由于制備工藝復(fù)雜、過(guò)程煩瑣等原因，限制了重?fù)诫s多晶硅的使用。

金屬材料通常采用Au、Cu、Al、Pt等化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定并且有很強(qiáng)導(dǎo)電性的重金屬，為了使重金屬和基底之間可以更好地黏合在一起，一般需要在重金屬和基底之間增加一層金屬過(guò)渡層。Au作為最早使用的電極層材料，具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性，使用Au作電極層材料時(shí)具體制作工藝為：首先蒸發(fā)沉積一層Au/Cr層，其中Cr作為黏附層以增加Au與基底的黏附。電極圖形可以采用表面剝離法或刻蝕法形成。Au作為電極層材料的缺點(diǎn)是加工微圖案困難，而且價(jià)格相對(duì)較高。Cu也是一種常用的電極材料，其負(fù)載電流的能力強(qiáng)，制作工藝成熟并且價(jià)格比較低，但高溫情況下易被氧化。Al也是一種常用的電極層材料，通常使用蒸發(fā)沉積法制備。Al金屬層的制備工藝成熟，成本低廉，可以與微加工技術(shù)兼容，但是研究發(fā)現(xiàn)其重復(fù)性比較差，經(jīng)過(guò)幾次施壓之后，電極表面容易擊穿，影響芯片的實(shí)際使用。Pt由于化學(xué)惰性，是非常理想的電極層材料。但是，Pt電極圖形加工困難，成本昂貴。ITO具有高的電導(dǎo)率、機(jī)械性能好、可見(jiàn)光透過(guò)率高、化學(xué)穩(wěn)定性強(qiáng)且價(jià)格便宜，但制作電極圖案較復(fù)雜（表2）。

表2數(shù)字微流控芯片電極層材料及優(yōu)缺點(diǎn)

3、介質(zhì)層

介質(zhì)層主要是用于積累電荷，使液滴在操縱過(guò)程中可以防止電極擊穿，在液滴操縱過(guò)程中所需的電壓與介質(zhì)層材料的介電常數(shù)密切相關(guān)，并且呈反比關(guān)系，即當(dāng)介質(zhì)層的介電常數(shù)越高時(shí)，其驅(qū)動(dòng)液滴所需要的電壓就越低，因此為了降低電壓，應(yīng)盡量使用介電常數(shù)高的材料作為介質(zhì)層。此外，為了防止在施加高壓或長(zhǎng)時(shí)間驅(qū)動(dòng)液滴時(shí)造成介質(zhì)層擊穿的現(xiàn)象，可以對(duì)介質(zhì)層厚度進(jìn)行優(yōu)化。

常用介質(zhì)層材料有SiO2、Si3N4、Al2O3、聚二甲基硅氧烷（PDMS）和SU-8光刻膠、聚對(duì)二甲苯（parylene）材料等。

其中SiO2具有很好的電絕緣性、加工工藝成熟并且它的電學(xué)性能很好，形成的薄膜均勻性好。但是SiO2的介電常數(shù)只有2.7，當(dāng)使用二氧化硅作為介電潤(rùn)濕中介質(zhì)層的時(shí)候需要足夠大的電壓才能驅(qū)動(dòng)微液滴。

Si3N4具有非常好的絕緣性能和機(jī)械耐磨性，耐高溫性好，其介電常數(shù)為7.8，擁有相當(dāng)高的介電強(qiáng)度，但制備的氮化硅薄膜上有較多的顆粒而且均勻性不好，容易發(fā)生漏電使介質(zhì)層擊穿。

Al2O3具有良好的黏結(jié)性、電絕緣性好、很好的抗高溫性能，是作為介質(zhì)層非常好的一種材料，但是其加工復(fù)雜。

PDMS是一種無(wú)毒、不易燃、制作簡(jiǎn)單且快速的有機(jī)硅高分子化合物，與玻璃片之間具有良好的黏附性，化學(xué)惰性、絕緣性都非常好，因此成為一種廣泛應(yīng)用于微加工領(lǐng)域的聚合物材料，目前很多學(xué)者使用PDMS進(jìn)行了基于介質(zhì)上電潤(rùn)濕的研究。

SU-8光刻膠是近幾年應(yīng)用非常廣泛的新型光刻膠材料。由于其具有良好的力學(xué)性能、絕緣性能、光學(xué)性能、化學(xué)性能等特點(diǎn)，可以用來(lái)作為介質(zhì)層。

Parylene材料，電學(xué)性能好、耐熱性強(qiáng)，具有非常好的化學(xué)穩(wěn)定性，是一種具有對(duì)二甲苯結(jié)構(gòu)的聚合物薄膜，一般使用化學(xué)氣相沉積法制備得到。采用真空熱解氣相堆積工藝制備得到非常薄的薄膜，通常作為涂層被使用。Parylene薄膜的形成過(guò)程如下：①在150℃下固態(tài)環(huán)二體吸熱升華，形成氣態(tài)環(huán)二體并進(jìn)入裂解爐；②裂解爐中的溫度在680℃左右，氣態(tài)環(huán)二體在高溫下C-C鍵斷開(kāi)，裂解為穩(wěn)定的單分子，每個(gè)單分子都帶有兩個(gè)游離基團(tuán)；③單分子吸附在真空沉積室內(nèi)的目標(biāo)基底上，兩個(gè)游離基團(tuán)單分子通過(guò)電子配對(duì)作用吸引從而聚集，最終聚合形成線形高分子聚合物。

表3數(shù)字微流控芯片介質(zhì)層材料介電常數(shù)

4、疏水層

疏水層主要用于降低液滴驅(qū)動(dòng)阻力以及增大液滴的接觸角。通常選擇Teflon-AF和CYTOP。Teflon-AF具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性、透光性、電學(xué)特性等，被廣泛應(yīng)用在介電潤(rùn)濕的研究中。它的主要成分是4,5-二氟-雙-（三氟甲基）-1,3-二氧唑(PDD)和四氟乙烯(TFE)，通常與FC-40混合配制不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的Teflon-AF1600溶液。在介電潤(rùn)濕中形成的薄膜疏水性非常高，微液滴的接觸角能達(dá)到110°~120°。CYTOP材料具有高透過(guò)率、良好的電氣特性、高透明性等性質(zhì)，有研究表明，以CYTOP疏水材料作為疏水層，其接觸角能夠達(dá)到106°~112°。表3列出了不同疏水材料相關(guān)性能指標(biāo)。

表4不同疏水材料相關(guān)性能指標(biāo)

審核編輯：劉清