微流控芯片的發(fā)展及制造工藝介紹

微流控芯片的發(fā)展

微全分析系統(tǒng)的概念是在1990年首欠由瑞士Ciba2Geigy公司的Manz與Widmer提出的，當(dāng)時(shí)主要強(qiáng)調(diào)了分析系統(tǒng)的“微”與“全”，及微管道網(wǎng)絡(luò)的MEMS加工方法，而并未明確其外型特征。次年Manz等即在平板微芯片上實(shí)現(xiàn)了毛細(xì)管電泳與流動。微型全分析系統(tǒng)當(dāng)前的發(fā)展前沿。微流控分析系統(tǒng)從以毛細(xì)管電泳分離為核心分析技術(shù)發(fā)展到液液萃取、過濾、無膜擴(kuò)散等多種分離手段。其中多相層流分離微流控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，有多種分離功能，具有廣泛的應(yīng)用前景。已有多篇文獻(xiàn)報(bào)道采用多相層流技術(shù)實(shí)現(xiàn)芯片上對試樣的無膜過濾、無膜參析和萃取分離。同時(shí)也有采用微加工有膜微滲析器完成質(zhì)譜分析前試樣前處理操作的報(bào)道。流控分析系統(tǒng)從以電滲流為主要液流驅(qū)動手段發(fā)展到流體動力氣壓、重動、離心力、剪切力等多種手段。

直至今日，各國科學(xué)家在這一領(lǐng)域做出更加顯著地成績。微流控技術(shù)作為當(dāng)前分析科學(xué)的重要發(fā)展前沿，在研究與應(yīng)用方面都取得了飛速的發(fā)展。

微流控芯片的原理

微流控芯片采用類似半導(dǎo)體的微機(jī)電加工技術(shù)在芯片上構(gòu)建微流路系統(tǒng)，將實(shí)驗(yàn)與分析過程轉(zhuǎn)載到由彼此聯(lián)系的路徑和液相小室組成的芯片結(jié)構(gòu)上，加載生物樣品和反應(yīng)液后，采用微機(jī)械泵。電水力泵和電滲流等方法驅(qū)動芯片中緩沖液的流動，形成微流路，于芯片上進(jìn)行一種或連續(xù)多種的反應(yīng)。激光誘導(dǎo)熒光、電化學(xué)和化學(xué)等多種檢測系統(tǒng)以及與質(zhì)譜等分析手段結(jié)合的很多檢測手段已經(jīng)被用在微流控芯片中，對樣品進(jìn)行快速、準(zhǔn)確和高通量分析。微流控芯片的最大特點(diǎn)是在一個(gè)芯片上可以形成多功能集成體系和數(shù)目眾多的復(fù)合體系的微全分析系統(tǒng)？微型反應(yīng)器是芯片實(shí)驗(yàn)室中常用的用于生物化學(xué)反應(yīng)的結(jié)構(gòu)，如毛細(xì)管電泳、聚合酶鏈反應(yīng)、酶反應(yīng)和DNA 雜交反應(yīng)的微型反應(yīng)器等 。其中電壓驅(qū)動的毛細(xì)管電泳（Capillary Electrophoresis ， CE） 比較容易在微流控芯片上實(shí)現(xiàn)，因而成為其中發(fā)展最快的技術(shù)。它是在芯片上蝕刻毛細(xì)管通道，在電滲流的作用下樣品液在通道中泳動，完成對樣品的檢測分析，如果在芯片上構(gòu)建毛細(xì)管陣列，可在數(shù)分鐘內(nèi)完成對數(shù)百種樣品的平行分析。自1992 年微流控芯片CE 首次報(bào)道以來，進(jìn)展很快？首臺商品儀器是微流控芯片CE （ 生化分析儀，Aglient） ，可提供用于核酸及蛋白質(zhì)分析的微流控芯片產(chǎn)品。

微流控芯片的特點(diǎn)

芯片集成的單元部件越來越多，且集成的規(guī)模也歸來越大，使著微流控芯片有著強(qiáng)大的集成性。同時(shí)可以大量平行處理樣品，具有高通量的特點(diǎn)，分析速度快、耗低，物耗少，污染小，分析樣品所需要的試劑量僅幾微升至幾十個(gè)微升，被分析的物質(zhì)的體積甚至在納升級或皮升級。

廉價(jià)，安全，因此，微流控分析系統(tǒng)在微型化。集成化合便攜化方面的優(yōu)勢為其在生物醫(yī)學(xué)研究、藥物合成篩選、環(huán)境監(jiān)測與保護(hù)、衛(wèi)生檢疫、司法鑒定、生物試劑的檢測等眾多領(lǐng)域的應(yīng)用提供了極為廣闊的前景。

微流控芯片加工技術(shù)

一、光刻（lithography）和刻蝕技術(shù)（etching）

1.光刻工藝

光刻是用光刻膠、掩模和紫外光進(jìn)行微制造 ，工藝如下 ：

①仔細(xì)地將基片洗凈;

②在干凈的基片表面鍍上一層阻擋層 ，例如鉻、二氧化硅、氮化硅等;

③再用甩膠機(jī)在阻擋層上均勻地甩上一層幾百 A厚的光敏材料——光刻膠。光刻膠的實(shí)際厚度與它的粘度有關(guān) ，并與甩膠機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度的平方根成反比;

④在光掩模上制備所需的通道圖案。將光掩模覆蓋在基片上，用紫外光照射涂有光刻膠的基片，光刻膠發(fā)生光化學(xué)反應(yīng);

⑤用光刻膠配套顯影液通過顯影的化學(xué)方法除去經(jīng)曝光的光刻膠。這樣，可用制版的方法將底片上的二維幾何圖形精確地復(fù)制到光刻膠層上;

⑥烘干后 ，利用未曝光的光刻膠的保護(hù)作用 ，采用化學(xué)腐蝕的方法在阻擋層上精確腐蝕出底片上平面二維圖形。

2.掩模制備

用光刻的方法加工微流控芯片時(shí) ，必須首先制造光刻掩模。對掩模有如下要求：

①掩模的圖形區(qū)和非圖形區(qū)對光線的吸收或透射的反差要盡量大;

②掩模的缺陷如針孔、斷條、橋連、臟點(diǎn)和線條的凹凸等要盡量少;

③掩模的圖形精度要高。

通常用于大規(guī)模集成電路的光刻掩模材料有涂有光膠的鍍鉻玻璃板或石英板。用計(jì)算機(jī)制圖系統(tǒng)將掩模圖形轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)文件，再通過專用接口電路控制圖形發(fā)生器中的爆光光源、可變光闌、工作臺和鏡頭，在掩模材料上刻出所需的圖形。但由于設(shè)備昂貴，國內(nèi)一般科研單位需通過外協(xié)解決，延遲了研究周期。

由于微流控芯片的分辨率遠(yuǎn)低于大規(guī)模集成電路的要求，近來有報(bào)道使用簡單的方法和設(shè)備制備掩模，用微機(jī)通過CAD軟件將設(shè)計(jì)微通道的結(jié)構(gòu)圖轉(zhuǎn)化為圖象文件后，用高分辨率的打印機(jī)將圖象打印到透明薄膜上，此透明薄膜可作為光刻用的掩模，基本能滿足微流控分析芯片對掩模的要求。