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PDMS微流控芯片的微通道傳統加工方法

微通道的作用主要是進樣和分離樣品將微閥微泵等連接到微通道上以實現在線自動化操作微通道的尺寸一般在微米量級受微通道加工技術限制初期所制作的微流控芯片都選用了表面積較大的基片并且只有一條微通道隨著微加工技術的不斷成熟逐漸出現了包含兩條交叉通道及四個緩沖池(分別為樣品池廢液池陽極池和陰極池的微流控芯片分離通道制作成彎曲的蛇形芯片同步循環毛細管電泳芯片和陣列通道芯片(其分離通道數目最高可達384條)。以單通道為基體派生出來的一系列芯片(包括微反應室等在內)目前使用最為廣泛PDMS微流控芯片的微通道的加工方法主要包括熱壓法注塑法模塑法激光切蝕法和LIGA等

1熱壓法

熱壓法是一種在模具壓力熱量的共同作用下使熱塑性塑料或高聚物實現精確成型的方法微流體中常用的熱塑性塑料包括聚碳酸酯聚甲基丙烯酸甲酯環烯烴共聚物和聚對苯二甲酸乙二醇酯等對于PDMS而言熱壓法通過PDMS基片與模具對準加熱并在模具和基片之間施加一定壓力保持3-4min,在溫度降低到室溫時撤除壓力將模具撤出后留下具有微觀結構的芯片

與單獨切割各層然后利用黏合劑粘合各層制作微通道的層壓法相比熱壓法可以較快地復制微結構克服了層壓法制備的芯片難以應用在高壓環境下、容易出現粘合不均勻的缺點與注塑法相比由于熱壓法中的熱塑性材料流動性較差顯著降低了材料中產生的應力成型件的收縮率較低提高了微通道的精度

熱壓法設備便宜操作方便其缺點是對材料要求較高模具制作時間較長無法實現微納尺度的微通道加工熱壓法使用的模具有兩種金屬絲模具和刻蝕有凹凸的微通道硅片陽模以金屬絲為模具只能制作簡單結構的微通道如果通道存在交叉點在同一平面壓制后則會形成不規則形狀的微通道影響進樣和分離的效果用刻蝕有凹凸的微通道硅片陽模可以制作復雜微通道通道交叉處的結構完整。

微流控芯片.jpg

目前對熱壓法的研究主要集中在如何提高傳統方法的效率上。通過改進熱壓法提出了熱侵入法通過使用快速模板模具制造方法能夠實現在各種熱塑性塑料中一步制備尺寸小于50μm的錐型柱臺階以及三維蛇形等復雜三維通道。通過引入金屬3D打印的方法打印了熱壓法使用的模具大大減少了模具制造的時間

2注塑法

注塑法最早出現在20世紀80年代其主要加工流程是首先利用光制作技術或精密機械加工技術(微細電火花加工技術微切削技術等加工出微注塑模具(一般為高性能金屬材料),模具的加工方法將直接影響模具的精度進而影響微通道的分辨率光制作技術加工的模具精度可達幾百納米而精密機械加工技術加工的模具精度一般在幾十微米;將模具安裝到微注塑機上,將PDMS注入模具固化后將PDMS從模具上剝離經過后處理與玻璃片封裝

注塑法的主要優點是模具可多次重復使用(一般模具可以使用幾十萬次),芯片加工時間短、成本低適合芯片的批量生產注塑法的缺點是:只能使用熱塑性材料模具價格高制作復雜且模具特征不得有底切。

近年來關于模塑法的研究主要集中在兩方面:一是減少模具制造的時間和成本二是拓展已有方法和材料的功能。在注塑過程中引入超疏水表面層實現了全血液滴在微流控芯片中的精確形成和流動;同年,將復雜流體處理技術整合到注塑微流控芯片中改進了注塑微流控芯片的功能使其更好地應用在即時診斷中3D打印金屬模具在低成本快速模具制造中顯示出了巨大的潛力。嘗試用3D打印的方法打印注塑法所需要的模具該模具可以連續制造超過一百個芯片而不會失效

3模塑法

模塑法于1998年提出,具體加工步驟是:在潔凈干燥的硅片上甩涂具有高分辨率高縱橫比良好的模具耐久性的SU-8光刻膠經曝光后烘焙,將掩膜板與基板對準后覆蓋在光刻膠層上曝光后再經過一次PEB,最后通過超聲顯影后得到所需通道部分凸起的模具模具上澆注混合了一定比例固化劑的PDMS預聚物加熱固化1h后將模具與PDMS分離就得到了具有微通道結構的PDMS基片,打孔后將基片與潔凈的玻璃蓋片鍵合就得到了PDMS微流控芯片。

模塑法制作PDMS微流控芯片具有工藝簡單、對環境要求低等優點其分辨率最高可達幾百納米由其發展而來的納米壓印光刻技術分辨率可達15nm;此外將多個模制層堆疊在一起可以構造出復雜的三維通道因此其成為目前使用最廣泛的高聚物微流控芯片加工方法。

模塑法的主要局限在于其模具的制作要在潔凈室中完成模具如果保存不當模具圖案容易出現缺損此外,在撤模過程中可能會發生通道變形

目前模塑法的研究熱點是如何利用模塑微流控芯片進行三維細胞培養。用模塑法制作了微流控芯片并在微通道內構建載有細胞的水凝膠實現了以流體流動控制三維細胞結構

4激光切蝕法

激光切蝕法利用紫外激光器產生的激光對可降解的PDMS材料曝光PDMS在激光作用下C-H鍵被切斷而降解吹掃降解產物最終產生微通道1997年提出用紫外線激光器加工微通道采用激光切蝕法的一個優點是可以加工出高深寬比的微通道激光切蝕法使用單光子能量大的激光,以冷加工的方式對材料進行加工通過控制激光的強度來控制PDMS材料降解的深度從而實現不同深度微通道的加工。激光切蝕方法分為兩種一種是掩模曝光法;另一種是直接寫入法前者通過掩模控制微通道的形狀后者通過控制激光器與PDMS基片的相對運動實現不同形狀通道的加工前者加工速度快,但由于掩模板的形狀相對固定因而無法實現個性化的加工激光切蝕法加工出的微通道精度可達25μ但設備成本較高并且可能會留下影響芯片通道性能的殘余物

由紫外光刻發展而來的極紫外光刻技術是最近的研究熱點極紫外光刻與灰度光刻的結合可以實現納米尺度的微通道加工。



標簽:   微流控芯片
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