不同材質晶元微結構的製備方法

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微流控晶元（Microfluidics）又稱晶元實驗室（Lab on a chip）是通過微細加工技術加工微納尺度通道網路，將生物、化學、醫學分析過程的樣品製備、反應、分離、檢測等基本操作單元集成到一塊幾個平分厘米的晶元上，以可控流體貫穿整個系統，用以替代常規化學或生物實驗室的各種功能的一種技術平台。微結構是微流控晶元的核心部分，微結構的製備按照所用晶元材料的不同，常用的軟質PDMS晶元、硬質PMMA等塑料晶元、無機玻璃晶元等，不同材質晶元微結構的製備解決方案不同。

1. 軟質PDMS塑料晶元

PDMS,又稱硅橡膠，是眾多聚合物中用得較多的一種。能透過250nm以上的紫外與可見光；耐用、有一定的化學惰性；無毒、廉價；能可逆和重複變形而不發生永久性破壞；能用模塑法高保真地複製微流控晶元；晶元微通道表面可進行多種改性修飾；它不僅能與自身可逆結合（或不可逆），還能與玻璃、硅、二氧化硅和氧化型多聚物可逆結合（或不可逆）。

PDMS晶元微結構常用光刻法加工，加工工藝如下：

圖一：PDMS晶元微結構製備工藝

PDMS晶元微結構尺寸取決於其注塑模具，普通紫外光刻工藝加工的尺寸最細可到2um，由於PDMS晶元材質的透氣性、透光性和生物相容性，常用於生命科學領域，比如用於細胞培養和研究，下圖是用於神經細胞研究的常見PDMS微結構設計。

圖二：神經細胞研究PDMS晶元

2. PC、PMMA等硬質塑料晶元

用於微流控晶元製作的硬質塑料晶元主要有三類：熱塑性聚合物、固化型聚合物和溶劑揮髮型聚合物。

熱塑性聚合物有PMMA、PC和聚乙烯等；固化型聚合物有PDMS、環氧樹脂和聚氨酯等，他們與固化劑混合後，經過一段時間的固化變硬即可得到晶元。溶劑揮髮型聚合物有丙烯酸、橡膠和氟塑料等，製作時將他們溶於適當的溶劑，再通過緩慢揮發溶劑而得到晶元。

常用PMMA等硬質塑料晶元微結構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晶元加工工藝

PMMA硬質塑料晶元微結構尺寸取決於其注塑模具或者銑刀，PMMA等硬質塑料晶元由於其優良的光學、機械性能和生物相容性，常用於無機水溶劑微流處理的各種領域，比如微流混合晶元，如下圖：

圖四：用於微流混合的PMMA晶元

3. 硬質無機晶元——硅晶元、石英玻璃晶元

硅具有良好的化學惰性和熱穩定性。單晶硅生產工藝和微細加工技術已趨成熟，在半導體和集成電路上得到廣泛應用。在矽片上使用光刻和蝕刻方法高度精度地複製出二維圖形，即使是複雜的三維結構，也可以通過微加工技術獲得。由於硅材料有良好的光潔度和成熟的加工工藝，常用作製作高分子聚合物晶元時的模具。

硅材料的不足之處：易碎、價格偏高、不透光、電絕緣性差，表面化學行為也較為複雜，因此在微流控晶元中的應用受到部分限制。

石英和玻璃有很好的電滲性質和優良的光學特性，它們的表面吸附和表面反應能力都有利於對其表面改性，但是相對價格較高，尤其是石英 。採用和矽片類似的光刻和蝕刻技術可以將微結構刻在石英和玻璃上，因此，石英和玻璃材料已廣泛應用於製作微流控晶元。

玻璃硬質無機晶元的加工工藝如下圖：

圖五：玻璃晶元加工工藝示意圖

硬質無機晶元由於其優良的光學性能、機械性能和化學穩定性，除了可用於生命科學領域之外，也可用於化學分析應用。如下圖，是用於電泳分析的常用晶元結構：

圖六：玻璃電泳晶元

4. 其他微結構晶元解決方案

除了前面所述的常規微結構晶元加工工藝之外，汶顥股份同時提供高難度微流控晶元設計、加工、量產等相關技術輸出與解決方案。

①汶顥股份提供所有基質微流控晶元設計與加工

微孔陣列PDMS晶元：孔徑最小可以到2-5um，陣列數量可以達到千萬級；微孔陣列PDMS晶元可用於生化分析中的微量試劑的點樣，也可以作為微孔過濾材料等，兼具有微孔和微流控晶元強大處理等優點。

多層微流控晶元：PDMS、PMMA、PC和玻璃等各種材質的晶元均可以自由組合，組成單一材質或者多材質的多層晶元，適應生命科學、環境科學、分析化學等多個學科各種需要。

汶顥股份微流控晶元

②汶顥股份提供部分材質微流控晶元批量加工

干膜光刻加工工藝：使用干膜法進行晶元模具加工，以替代以往光刻膠旋塗工藝，在不改變加工精度和質量的前提下，大大提高了批量化生產的效率；干膜作為保護層也是一種低成本高效的批量加工工藝。

③汶顥股份提供微流控晶元模具加工，如：金屬模具、矽片注塑模具、純硅模具、SU-8矽片模具等等。

低成本模具加工工藝：用硬質塑料和金屬板加工成注塑模具，進行大批量晶元的加工生產，成本低廉、生產效率高，同時批間差非常小。