微流控芯片的开展
微全剖析系统的概念是在1990年首欠由瑞士Ciba2Geigy公司的Manz与Widmer提出的，其时首要强调了剖析系统的“微”与“全”，及微管道网络的MEMS加工办法，而并未清晰其外型特征。次年Manz等即在平板微芯片上完结了毛细管电泳与活动。微型全剖析系统当时的开展前沿。微流控剖析系统从以毛细管电泳别离为中心剖析技能开展到液液萃取、过滤、无膜分散等多种别离手法。其间多相层流别离微流控系统结构简略，有多种别离功用，具有广泛的运用远景。已有多篇文献报导选用多相层流技能完结芯片上对试样的无膜过滤、无膜参析和萃取别离。一起也有选用微加工有膜微渗析器完结质谱剖析前试样前处理操作的报导。流控剖析系统从以电渗流为首要液流驱动手法开展到流体动力气压、重動、离心力、剪切力等多种手法。
直至今天，各国科学家在这一范畴做出愈加显著地成果。微流控技能作为当时剖析科学的重要开展前沿，在研讨与运用方面都取得了飞速的开展。
微流控芯片的原理
微流控芯片选用相似半导体的微机电加工技能在芯片上构建微流路系统，将试验与剖析进程转载到由互相联络的途径和液相小室组成的芯片结构上，加载生物样品和反响液后，选用微机械泵。电水力泵和电渗流等办法驱动芯片中缓冲液的活动，构成微流路，于芯片上进行一种或接连多种的反响。激光诱导荧光、电化学和化学等多种检测系统以及与质谱等剖析手法结合的许多检测手法现已被用在微流控芯片中，对样品进行快速、准确和高通量剖析。微流控芯片的最大特色是在一个芯片上能够构成多功用集成系统和数目很多的复合系统的微全剖析系统?微型反响器是芯片试验室中常用的用于生物化学反响的结构，如毛细管电泳、聚合酶链反响、酶反响和DNA 杂交反响的微型反响器等 。其间电压驱动的毛细管电泳(Capillary Electrophoresis ， CE) 比较简略在微流控芯片上完结，因而成为其间开展最快的技能。它是在芯片上蚀刻毛细管通道，在电渗流的作用下样品液在通道中泳动，完结对样品的检测剖析，如果在芯片上构建毛细管阵列，可在数分钟内完结对数百种样品的平行剖析。自1992 年微流控芯片CE 初次报导以来，开展很快?首台产品仪器是微流控芯片CE ( 生化剖析仪，Aglient) ，可供给用于核酸及蛋白质剖析的微流控芯片产品。
微流控芯片的特色
芯片集成的单元部件越来越多，且集成的规划也归来越大，使着微流控芯片有着强壮的集成性。一起能够很多平行处理样品，具有高通量的特色，剖析速度快、耗低，物耗少，污染小，剖析样品所需求的试剂量仅几微升至几十个微升，被剖析的物质的体积乃至在纳晋级或皮晋级。
廉价，安全，因而，微流控剖析系统在微型化。集成化合便携化方面的优势为其在生物医学研讨、药物组成挑选、环境监测与维护、卫生检疫、司法鉴定、生物试剂的检测等很多范畴的运用供给了极为宽广的远景。
微流控芯片加工技能
一、光刻(lithography)和刻蚀技能(etching)
1.光刻工艺
光刻是用光刻胶、掩模和紫外光进行微制造 ，工艺如下 ：
①细心地将基片洗净;
②在洁净的基片外表镀上一层阻挡层 ，例如铬、二氧化硅、氮化硅等;
③再用甩胶机在阻挡层上均匀地甩上一层几百 A厚的光敏资料——光刻胶。光刻胶的实践厚度与它的粘度有关 ，并与甩胶机的旋转速度的平方根成反比;
④在光掩模上制备所需的通道图画。将光掩模掩盖在基片上，用紫外光照耀涂有光刻胶的基片，光刻胶发生光化学反响;
⑤用光刻胶配套显影液经过显影的化学办法除去经曝光的光刻胶。这样，可用制版的办法将底片上的二维几何图形准确地仿制到光刻胶层上;
⑥烘干后 ，运用未曝光的光刻胶的维护作用 ，选用化学腐蚀的办法在阻挡层上准确腐蚀出底片上平面二维图形。
2.掩模制备
用光刻的办法加工微流控芯片时 ，有必要首要制造光刻掩模。对掩模有如下要求：
①掩模的图形区和非图形区对光线的吸收或透射的反差要尽量大;
②掩模的缺点如针孔、断条、桥连、脏点和线条的凹凸等要尽量少;
③掩模的图形精度要高。
一般用于大规划集成电路的光刻掩模资料有涂有光胶的镀铬玻璃板或石英板。用计算机制图系统将掩模图形转化为数据文件，再经过专用接口电路操控图形发生器中的爆光光源、可变光阑、工作台和镜头，在掩模资料上刻出所需的图形。但因为设备贵重，国内一般科研单位需经过外协处理，延迟了研讨周期。
因为微流控芯片的分辨率远低于大规划%&&&&&%的要求，近来有报导运用简略的办法和设备制备掩模，用微机经过CAD软件将规划微通道的结构图转化为图象文件后，用高分辨率的打印机将图象打印到通明薄膜上，此通明薄膜可作为光刻用的掩模，基本能满意微流控剖析芯片对掩模的要求。
3.湿法刻蚀
在光刻过的基片上可经过湿刻和干刻等办法将阻挡层上的平面二维图形加工成具有必定深度的立体结构。近年来，运用湿法刻蚀微细加工的报导较多，适用于硅、玻璃和石英等可被化学试剂腐蚀的基片。已广泛地用于电泳和色谱别离。
湿法刻蚀的程序为 ：
①运用阻挡层的维护作用，运用恰当的蚀刻剂在基片上刻蚀所需的通道 ;
②刻蚀完毕后 ，除去光胶和阻挡层，即可在基片上得到所需构型的微通道;
③在基片的恰当方位(一般为微通道的端头处)打孔，作为试剂、试样及缓冲液蓄池。刻有微通道的基片和相同原料的盖片清洗后，在恰当的条件下键合在一起就得到微流控剖析芯片。
玻璃和石英湿法刻蚀时，只要含氢氟酸的蚀刻剂可用，如HF/HNO3，HF/ NH4。因为刻蚀发生在露出的玻璃外表上，因而，通道刻的越深，通道二壁的不平行度越大 ，导致通道上宽下窄。这一现象约束了用湿法在玻璃上刻蚀深邃宽比的通道。
4.等离子体刻蚀(plasma etching)
等离子体刻蚀是一种以化学反响为主的干法刻蚀工艺，刻蚀气体分子在高频电场作用下，发生等离子体。等离子体中的游离基化学性质非常生动，运用它和被刻蚀资料之间的化学反响，到达刻蚀微流控芯片的意图。
等离子体刻蚀已运用于玻璃、石英和硅资料上加工微流控芯片 ， 如石英毛细管电泳和色谱微芯片。先在石英基片上涂上一层正光胶 (爆光后掉落的光胶)，低温烘干后，放置好掩模，用紫外光照耀后显影，在光胶上会发生微结构的图象。
然后用活性CHF3等离子体刻蚀石英基片 ，基片上无光胶处会发生必定的深度通道或微结构。这样可发生深邃宽比的微结构。近来，也有将等离子体刻蚀用于加工聚合物上的微通道的报导。
二、微细加工新技能
1.模塑法 (cast molding)
用光刻和刻蚀的办法先制出阳模 (所需通道部分突起)，然后浇注液态的高分子资料。将固化后的高分子资料与阳模剥离就得到具有微通道的芯片。这种制备微芯片的办法称为模塑法。模塑法的关键在于模具和高分子资料的挑选，抱负的资料应相互之间粘附力小，易于脱模。
微模可由硅资料、玻璃、环氧基SU28负光胶和聚二甲基硅氧烷(PDMS)等制造。
经过光刻可在SU28负光胶上得到深邃宽比(20 ： 1)和分辩率高达几微米的图形，经显影烘干后可直接作模具用;用聚二甲基硅氧烷浇注于由硅资料、玻璃等资料制体积的母模上可制得聚二甲基硅氧烷模具。
浇注用的高分子资料应具有低粘度，低固化温度，在重力作用下，可充溢模子上的微通道和凹槽等处。可用的资料有两类：固化型聚合物和溶剂挥发型聚合物。固化型聚合物有聚二甲基硅氧烷(硅橡胶)、环氧树脂和聚胺酯等，将它们与固化剂混合，固化变硬后得到微流控芯片;溶剂挥发型聚合物有丙烯酸、橡胶和氟塑料等，经过缓慢地挥发去溶剂而得到芯片。
尽管模塑法限于某些易固化的高分子资料，但该法简洁易行，芯片可大批量仿制，不需求贵重的设备，是一个能够制造廉价剖析芯片的办法。但此类芯片的微流控行为研讨尚少，其实用价值尚待研讨。
2.软刻蚀(soft lithography)
近来，以哈佛大学Whitesides教授研讨组为主的多个研讨团体，以自拼装单分子层(self-assembled monolayers ， SAMs)、弹性印章(elastomeric stamp)和高聚物模塑(molding of organic polymers) 技能为根底 ，开展了一种新的低成本的微细加工新技能“软刻蚀”。软刻蚀技能的中心是图形搬运元件——弹性印章。
其办法有微触摸印刷法、毛纤细模塑法、搬运微模塑法、微仿制模塑法等。它不仅可在高聚物等资料上制造杂乱的三维微通道，并且能够改动资料外表的化学性质。有或许成为出产低成本的微流控剖析芯片的新办法。
制造弹性印章的最佳聚合物是聚二甲基硅氧烷(PDMS)。它外表自由能低(～21.6dyn/cm)，化学性质安稳、与其它资料不粘连;与基片正交触摸紧密，简略取模;柔软，易变形，弹性好，可在曲面上仿制微图形。
3.微触摸印刷法(micro-contact prinTIng ，μCP)
微触摸印刷法是指用弹性印章结合自拼装单分子层技能在平面或曲面基片上印刷图形的技能。自拼装单分子层是含有必定官能团的长链分子在适宜的基片上自发地排列成规整的结构以求自由能最小。
已确认的自拼装单分子层系统有烷基硫醇在金银等造币金属外表和烷基硅氧烷在玻璃、硅、二氧化硅外表等。自拼装单分子层的厚度约2～3nm ，改动烷链中亚甲基的数目可在0.1nm的精度范围内改动单分子层的厚度。
经过用光刻等技能先制备有关图形的模具，将PDMS浇注在模具上可制得弹性印章。在印章的外表涂上烷基硫醇墨水，可在金银等金属外表印出微图形。
在此进程中，硫醇分子主动排列成规整的结构以求自由能最小，具有主动愈合缺点的趋势，可削减印刷缺点并确保印刷清晰度。印刷后的外表可用化学腐蚀或化学镀层的办法使图形显形。若把印章做得很薄，贴在辊筒外表，成为微印刷辊，能进步印刷的功率及印刷大面积的图形。
微触摸印刷法能很便利地操控微通道外表的化学物理性质，在微制造、生物传感器、外表性质的研讨上有很大的运用远景。
4.有机聚合物模塑法( molding of organic polymers)
有机聚合物模塑法包含毛细管微模塑法( micro molding in capillaries ， MIMIC)、微搬运模塑法(micro transfer molding ，μTM)和仿制模塑法(replica molding)等。
在毛细管微模塑法中，弹性印章上的微通道与基片之间构成了贯穿的毛细管网络，将高分子预聚物(例如紫外固化的聚脲和热固化的环氧)滴在网络的进口，毛细作用会把预聚体吸入通道网络，固化后可得到与印章上微通道凹凸互补的微结构，MIM%&&&&&%只能加工通道网络与进口连通的微结构。
微搬运模塑法是在弹性印章上的凹槽内填满高分子预聚物，将其扣在基片上，固化后，移去模子，在基片上就印上了高分子资料构成的图形。μTM已用于制造光学波导管。
选用紫外光固化聚氨酯，用μTM 做出微米级的波导管后，在其上浇注一层掩盖层，经过操控紫外光照时刻而操控波导管和掩盖层的光学指数差，能操控波导管的光耦合作用，便利、快速。
微仿制模塑法是经过在弹性印章上直接浇注聚氨酯等高分子资料得到微结构。此办法可有效地仿制尺度为30nm到几厘米微结构。用氧等离子体处理高分子资料外表使其外表改性，得到的毛细管功用通道可用于电泳别离等方面的研讨。
以模塑为根底的软刻蚀具有简略、经济、保真度高级长处，它可用于在聚合物、无机和有机盐、溶胶和凝胶、陶瓷和碳等资料上加工微结构，已用于制备微光栅，聚合物波导管、微%&&&&&%和微共鸣器等。而光刻只能在光胶这一类聚合物上加工微结构。
5.热压法(imprinTIng)
在热压机中加热聚甲基丙烯酸甲酯至135℃，保温条件下放上硅的阳模加压5min，即可在聚甲基丙烯酸甲酯片上限制出微通道。将带通道的基片和有孔洞的盖片加热封接可得微流控剖析芯片。此法可大批量仿制，设备简略，操作简洁。可是所用资料有限，对其功能研讨较少，运用价值需要试验。
6.激光切蚀法(laser ablaTIon)
用紫外激光使可降解高分子资料曝光 ，把底片上的二维几何图形准确仿制下来。调整曝光强度可操控资料的光解深度。用压力吹扫去除降解产品 ，得到带有微通道的基片。它和另一片打好孔洞的盖片热粘合就得到所需的芯片。
这种办法对技能设备要求较高，但过程简洁，并且不需超净环境，精度高。可用于在聚甲基丙烯酸甲酯，聚碳酸酯等可光解高分子资料上加工微通道。
7.LIGA技能
LIGA技能是由光刻、电铸和塑铸三个环节组成。第一步为同步辐射深度X光爆光，可将掩膜上的图形搬运到有几百微米厚的光刻胶上，得到一个与掩膜结构相同，厚度几百微米、最小宽度为几微米的三维立体结构。
电铸可选用电镀的办法。运用光刻胶下面的金属进行电镀，将光刻胶图形上的空隙用金属填充，构成一个与光刻胶图形凹凸互补的金属凹凸地图，将光刻胶及附着的基底资料除去，就得到铸塑用的金属模具。
经过金属注塑版上的小孔将塑料注入金属模具腔体内，加压硬化后就得到与掩膜结构相同塑料芯片。一般以聚甲基丙烯酸甲酯作为塑铸资料。
三、封接技能
1.热键合(fusion bonding)
对玻璃和石英原料刻蚀的微结构一般运用热键合办法，将加工好的基片和相同原料的盖片洗净烘干对齐紧贴后平放在高温炉中，在基片和盖片上下方各放一块抛光过的石墨板，在上面的石墨板上再压一块重0.5 Kg的不锈钢块，在高温炉中加热键合。
玻璃芯片键合时，高温炉升温速度为10℃/分，在620℃时保温3.5小时，再以10℃/分的速率降温。石英芯片键合温度高达1000℃以上。此办法对操作技能要求较高，芯片如一次封接后有干与条纹可屡次热键合。
但热键合不能用于含温度灵敏试剂、含电极和波导管芯片，也不能用于不同热膨胀系数资料的封接。
一般地说，封接比在玻璃和硅片上刻蚀微结构更困难，热键组成品率也不高。
2.阳极键合(anodic bonding)
在玻璃、石英与硅片的封接中已广泛选用阳极键合的办法。即在键合进程中 ，施加电场 ，使键合温度低于软化点温度。
为避免热键合或许发生的通道变形 ，乃至陷落的现象 ，玻璃与玻璃之间的阳极键合已引起广泛的爱好。在玻璃外表堆积上一层薄膜资料如多晶硅、氮化硅等作为中间层，在约700伏的电场下，升温到400℃时，可使两块玻璃片键合。
文献报导，在500～760伏电场下，升温到500℃时，可使两块玻璃片键合而不需在玻璃外表堆积中间层。在两块玻璃板没有键合时，板间空气空隙承当了大部分电压降，玻璃板可视为平行板%&&&&&%器，板间吸引力与电场强度的平方成正比。
因而，键合从两块玻璃中那些最接近的点开端，下板中可移动的正电荷(首要是Na+)与上板中的负电荷中和，生成一层氧化物(正是这层过渡层，使两块玻璃板封接)，该点完结键合后，周围的空气空隙相应变薄，电场力增大，然后键合分散开来，直至整块密合。玻璃外表进行抛光处理，减小玻璃之间空隙宽度，可下降键合温度。
3.其它封接办法
有报导用HF和硅酸钠粘结玻璃的低温键合技能，用1 %HF 滴入两玻璃片之间的缝隙中，在室温下加40gf/ cm2压力，2h即可键组成功，温度升高60℃，1h即可完结;在两玻璃片之间，经过硅酸钠稀溶液中间层，在室温下放置过夜，或 90℃下放置1h也能进行键合。
Sayah等又报导了两种低温键合的办法：a.在两片细心清洁的玻璃片之间运用1μm厚的环氧胶，在1MPa的压力和90℃条件下硬化;b.在100～200℃加高压15h使之直接键合，压力最高可用50MPa。
