范一強， 王洪亮， 張亞軍

(北京化工大學 機電工程學院,北京 100029)

引 言

微流控技術最初源自于微機電系統(micro-electro-mechanical system,MEMS)在微量流體操控方面的研究，形成于20世紀90年代初。最近十年來，伴隨著分析化學和生命科學的蓬勃發展，由于微流芯片系統具有試劑和能量消耗少、檢測和分析靈敏度高、檢測時間短、可將多種功能集成化程度高等優勢，在納米纖維合成、納米復合物制備、量子點合成、微納米顆粒制備、電化學傳感器、生物化學傳感器、細胞生物學、分子生物學等領域得到了廣泛的應用。通過微流控技術，可以將復雜的化學或生物分析合成過程整合在一塊芯片中完成，實現了微全分析系統(μTAS)或被稱為芯片上的實驗室(lab-on-a-chip)。

初期的微流控芯片加工技術完全繼承自MEMS加工技術，步驟都需要在超凈間內使用精密微加工設備完成，芯片的設計加工成本非常高昂，嚴重阻礙了其在分析化學和生命科學領域的推廣應用。時至今日，歐美一些微流控技術公司生產的標準化玻璃或聚合物材料微流控芯片單片售價仍在數十到幾百美元，對于微流控芯片在生物、化學、醫學等領域的應用和產業化也形成了阻礙。

近年來，機械、電子、化學、生物等領域的研究者根據其在各自領域的專長和經驗，探索使用了多種低成本微加工方法。從相關論文的發表情況看，在Web of Science核心數據庫中，從2000年到2018年1月以“低成本(low-cost)”和“微流控芯片(microfluidics)”為關鍵詞的論文發表數量，呈逐年穩步增長的趨勢，目前，該方向每年的SCI論文發表數量為550篇左右。

1 低成本微流控芯片的加工材料

硅和玻璃是最早用于微流控芯片的基體材料，主要是由于其加工方法可以直接套用MEMS和微電子領域的加工方法。硅和玻璃材料價格昂貴且不易加工，在微流控芯片的發展過程中很快就被以各類聚合物為代表的低成本材料所替代。現有各類微流控芯片的加工方法中，可供選擇的低成本材料很多，有各類彈性體材料、熱塑性聚合物材料、熱固性聚合物材料、紙材料、生物材料等。本文的討論中，將常見的可用于低成本微流控芯片加工的材料分為聚合物材料、紙材料、其他材料三類分別進行介紹。

1.1 聚合物材料

1.1.1 彈性體材料

本文所述的彈性體材料指的是能夠在弱應力下發生顯著形變，應力松弛后能迅速恢復到接近原有狀態和尺寸的聚合物材料。聚二甲基硅氧烷(polydimethylsiloxane,PDMS)是目前在微流控芯片領域應用最為廣泛的彈性體材料，PDMS用于微流控芯片最早在1998年由Whitesides等提出，PDMS具有價格低廉、光學透明、生物兼容性好、具有一定透氣性等優點，是低成本微流控芯片的理想材料(如圖1所示)。PDMS在微流控芯片加工中往往通過模塑成型的方法在表面形成微結構，其翻模精度甚至可以達到納米(nm)級別。然而，PDMS也有通道易變形坍塌，對通道內流體有少量吸收等缺點。PDMS的加工和鍵合方法將在本文的低成本加工部分進行較為詳細的介紹。

圖1 基于PDMS材質的液滴發生微流控芯片

1.1.2 熱塑性塑料

熱塑性塑料是日常生活中最為常見且應用廣泛的材料，價格非常低廉，熱塑性塑料可以在一定溫度條件下變軟后進行塑形。可用于低成本微流控芯片的熱塑性材料種類很多，主要有聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚苯乙烯(PS)、環烯烴類共聚物(COC)、聚碳酸酯(PC)、聚對苯二甲酸(PET)、聚氯乙烯(PVC)等。

熱塑性塑料中，PMMA由于材料成本低、熱加工和光學性能良好，基于PMMA的微流控芯片在各類生命科學和醫學研究中具有廣泛應用；PS具有優異的生物兼容性，作為微流控芯片的基體材料在細胞培養等領域具有顯著優勢；COC作為一種較新的非晶性共聚高分子材料，與PMMA等熱塑性材料相比，在紫外光波段具有優異的透過性能和更好的熱穩定性，同時吸水性只有PMMA的1/10，COC芯片在大多數情況下(非極端溫度情況)可以直接替代昂貴的玻璃芯片。

1.2 紙材料

紙基微流控芯片是通過各種方法將疏水材料滲透入親水的紙纖維中，通過疏水材料的“圍墻”控制親水紙纖維內的流體流動，從而形成了紙基微流控芯片，常見的噴墨打印機、絲網印刷、3D打印機、蠟打印機甚至蠟筆都可以被用來加工低成本的紙基微流控芯片。在紙張選擇上，常見的有Whatman系列濾紙或色譜分析紙。與聚合物材料微流控芯片需要封閉流道不同，紙基微流控芯片由于液體在紙張纖維內部運動，往往不需要對流道進行封閉，即開放式流道(open-channel)。

圖2所示的用于血細胞分離和血清蛋白檢測的紙基微流控芯片，利用了浸蠟的方法定義了液體在紙纖維內流動的通道，隨后通過紙纖維的孔隙對血漿和血細胞進行分離，最后通過顯色測定血清蛋白含量。紙基微流控芯片由于材料和加工成本低廉，已經被廣泛應用于各類醫學和生命科學檢測研究和應用中，如唾液乙醛檢測、重金屬檢測、血糖檢測、乳酸檢測等。

圖2 用于血細胞分離和血清蛋白檢測的紙基微流控芯片

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