一、微流控技術(shù)原理

BIOFOUNT微流控芯片CDMO

微流控（microfluidics ）是一種精確控制和操控微尺度流體的技術(shù)工藝，是在微納米級別空間中對流體進(jìn)行控制為特征的一種新型科學(xué)技術(shù)，微流控技術(shù)具有將生物、化學(xué)等實(shí)驗(yàn)室的基本功能，如：樣品制備、反應(yīng)、分離和檢測等微縮到幾平方厘米芯片上的技術(shù)，微流控的基本特征和優(yōu)勢是：多種單元技術(shù)在整體可控的微小技術(shù)平臺上進(jìn)行靈活組合和進(jìn)行規(guī)模集成。是一種涉及生物、物理學(xué)、化學(xué)、工程學(xué)，精密加工等多領(lǐng)域的交叉學(xué)技術(shù)應(yīng)用。

微流控是一種多技術(shù)交叉的系統(tǒng)性技術(shù)應(yīng)用，它可以使幾十到幾百微米級別的流到，處理或控制及小量的（10*至10~18升，1立方毫米至1立方微米） 流體（試劑,樣本）。剛開始微流控技術(shù)主要被用于分析過程中使用。微流控為分析提供了多種便捷和有用的功能：即使極小量的樣本和試劑也能做出高精度和高敏感度的分離和檢測。具備：費(fèi)用低，時(shí)間短，分析設(shè)備印記小等特點(diǎn)。微流控既利用了它最明顯的特征一一尺寸小，也利用了不太明顯的微通道流體的特點(diǎn)，比如層流。微流控本質(zhì)上提供了一種在空間和時(shí)間上集中控制分子的能力。

二、微流控芯片代表性技術(shù)應(yīng)用

1、微流控芯片是新一臨川快檢診斷（Point of care testing，POCT ）的主流技術(shù)，微流控可以直接在被檢對象邊上做出快捷且有效的生化指標(biāo)檢測，使快速檢測、診斷、治療能形成一個(gè)連續(xù)、有效的過程；

2、 微流控反應(yīng)芯片以控制微量液滴為代表，是迄今為止最重要的微量反應(yīng)器，在高通量藥物篩選，單細(xì)胞測序等領(lǐng)域具備較大的潛力；

3、微流控細(xì)胞/器官操控芯片是哺乳動物細(xì)胞及其微環(huán)境操控最重要技術(shù)平臺，渴望部分代替小白鼠等動物模型，用于驗(yàn)證候選藥物，開展藥物毒理和藥理作用研究。

三、微流控芯片制造技術(shù)

1. 光刻和刻蝕技術(shù)：半導(dǎo)體及集成電路芯片過程使用的光刻以及刻蝕技術(shù)，是微流控芯片制造工藝中最基礎(chǔ)的技術(shù)手段。 該技術(shù)采用光刻膠、掩膜和以及紫外光進(jìn)行精密加工，改工藝技術(shù)相對較成熟，光刻和刻蝕技術(shù)已廣泛用于硅基、玻璃以及石英基芯片的微結(jié)構(gòu)制造過程中。光刻和刻蝕技術(shù)由薄膜沉積、光刻和刻蝕三個(gè)工序組成。復(fù)雜的微流控解構(gòu)可以通過多次重復(fù)薄膜沉積-光刻刻蝕三種工藝完成。

光刻工藝前：首先需要在干凈的基片表面覆蓋一層薄膜，薄膜的厚度為數(shù)埃到幾十微米，這一工藝過程稱之為薄膜沉積。?薄膜按性能不同可分為器件工作區(qū)的外延層，限制區(qū)域擴(kuò)張的掩蔽膜，起保護(hù)、鈍化和絕緣作用的絕緣介質(zhì)膜，用作電極弓|線和器件互連的導(dǎo)電金屬膜等。膜材料常見有二氧化硅、氮化硅、硼磷硅玻璃、多晶硅、電導(dǎo)金屬、光刻抗蝕膠、難熔金屬等。制造加工薄膜的主要方法有氧化、化學(xué)氣相沉積、蒸發(fā)、濺射等。

在薄膜表面均勻地覆蓋光刻膠，將掩膜上微流控芯片設(shè)計(jì)圖案通過曝光成像的原理轉(zhuǎn)移到光膠層上的工藝過程稱為光刻。光刻技術(shù)一般有以下基本工藝過程構(gòu)成：

a.基片預(yù)處理：

通過脫脂、拋光、酸洗、水洗的方法使基片的表面凈化，確保光刻膠與基片表面具備較好的粘附性能。

b.涂膠：

在經(jīng)過處理的基片表面均勻涂覆一層粘性好、厚度適當(dāng)?shù)墓饪棠z。膠膜太薄，易生成針孔，抗蝕能力差;太厚則不易徹底顯影，同時(shí)會降低分辨率。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。涂膠方法有旋轉(zhuǎn)涂覆法、刷涂法、浸漬法、噴涂法。

c.前烘

在一定的溫度下，使光刻膠液中溶劑揮發(fā)，增強(qiáng)光刻膠與基片粘附以及膠膜的耐磨性。前烘的溫度和時(shí)間由光致抗蝕劑的種類和厚度決定，常采用電熱恒溫箱、熱空氣或紅外熱源。

前烘溫度和時(shí)間要合適，若溫度過高或時(shí)間過長會造成顯影時(shí)留下底膜或感光靈敏度下降，腐蝕時(shí)出現(xiàn)小島;若溫度過低或時(shí)間過短，會造成顯影后針孔增加，或產(chǎn)生浮膠、圖形變形等現(xiàn)象。

d.曝光

將已制備好所需芯片圖形的光刻掩膜覆蓋在基片上，用紫外線等透過掩膜對光刻膠進(jìn)行選擇性照射。受光照射的光刻膠發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。

在實(shí)際操作中，曝光時(shí)間由光刻膜、膠膜厚度、光源強(qiáng)度以及光源與基片間距決定。曝光的方式有化學(xué)曝光、接觸式和接近式復(fù)印曝光、光學(xué)投影成像曝光。

e.顯影

用光膠配套顯影液通過化學(xué)方法除去經(jīng)曝光的光膠（正光膠）或未經(jīng)曝光的光膠（負(fù)光膠），顯影液和顯影時(shí)間的選擇對顯影效果的影響很大。選擇顯影液的原則是，對需要去除的那部分膠膜溶解度大、溶解速度快，對需要保留的那部分溶解度小。顯影時(shí)間視光致抗蝕劑的種類、膠膜厚度、顯影液種類、顯影溫度和操作方法而異。

f.堅(jiān)膜

將顯影后的基片進(jìn)行清洗后在一定溫度下烘烤，以徹底除去顯影后殘留于膠膜中的溶劑或水分，使膠膜與基片緊密粘附，防止膠層脫落，并增強(qiáng)膠膜本身的抗蝕能力。堅(jiān)膜的溫度和時(shí)間要合適。

g. 刻蝕

蝕刻意味著使用高活性化學(xué)物質(zhì)（通常是酸）以液體或蒸汽形式蝕刻掉（即溶解）特征。蝕刻通常用于制造玻璃基或硅基微流體芯片。首先：使用掩模覆蓋玻璃或硅基芯片上不應(yīng)該被蝕刻的部分。然后將組件暴露在蝕刻劑下，去除用于制造微流控芯片特征的材料。蝕刻通常是制造玻璃或硅片的唯一方法。

根據(jù)刻蝕劑狀態(tài)不同，可將腐蝕工藝分為濕法刻蝕和干法刻蝕兩大類。濕法刻蝕是通過化學(xué)刻蝕液和被刻蝕物質(zhì)間的化學(xué)反應(yīng)將被刻蝕物質(zhì)剝離下來的刻蝕方法。大多數(shù)濕法刻蝕是不容易控制的各向同性腐蝕。

其特點(diǎn)是選擇比高、均勻性好、對硅片損傷少，幾乎適用于所有的金屬、玻璃、塑料等材料。缺點(diǎn)是圖形保真度不強(qiáng)，橫向腐蝕的同時(shí)，往往會出現(xiàn)側(cè)向鉆蝕，以致刻蝕圖形的最少線寬受到限制。

干法刻蝕指利用高能束與表面薄膜反應(yīng)，形成揮發(fā)性物質(zhì)，或直接轟擊薄膜表面使之被腐蝕的工藝。其最大的特點(diǎn)是能實(shí)現(xiàn)各向異性刻蝕，即在縱向的刻蝕速率遠(yuǎn)大于橫向刻蝕的速率，從而保證細(xì)小圖形轉(zhuǎn)移后的保真性。干法刻蝕的作用基礎(chǔ)是等離子體。

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。掩膜的基本功能是基片受到光束照射時(shí)，在圖形區(qū)和非圖形區(qū)產(chǎn)生不同的光吸收和透過能力。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)生器中的曝光光源、可變光闌、工作臺和鏡頭，在掩模材料上刻出所需的圖形。或用微機(jī)通過CAD軟件將設(shè)計(jì)微通道的結(jié)構(gòu)圖轉(zhuǎn)化為圖像文件后，用高分辨率的打印機(jī)將圖像打印到透明薄膜上。此透明薄膜可作為光刻用的掩模，基本能滿足微流控芯片對掩模的要求。

2. 熱壓法

熱壓法（hotembossing）是一種應(yīng)用較廣泛的快速復(fù)制電泳微通道的芯片制作技術(shù)，適用于PMMA與PC等熱塑性聚合物材料。熱壓法的模具可以是直徑在50um以下的金屬絲或是刻蝕有凸突的微通道骨片陽膜，如鎳基陽模、單晶硅陽模、玻璃陽模、微機(jī)械加工的金屬陽模。此法可大批量復(fù)制，設(shè)備簡單，操作簡便，但所用材料有限。

3.模塑法

用光刻和刻蝕的方法先制出陽模（所需通道部分突起）;澆注液態(tài)的高分子材料，然后將固化后的高分子材料與陽模剝離，得到具有微通道芯片的這種制備微芯片的方法稱為模塑法。模塑法的關(guān)鍵在于模具和高分子材料的選擇，理想的材料應(yīng)相互之間粘附力小，易于脫模。

微通道的陽膜可由硅材料、玻璃、環(huán)氧基SU-8負(fù)光膠和PDMS等制造。硅或玻璃陽膜可采用標(biāo)準(zhǔn)刻蝕技術(shù)。PDMS模具可通過直接澆注于由硅材料、玻璃等材料制的母模上制得。

澆注用的高分子材料應(yīng)具有低粘度，低固化溫度。在重力作用下，可充滿模子上的微通道和凹槽等處。可用的材料有兩類：固化型聚合物和溶劑揮發(fā)型聚合物。

雖然模塑法受限于高分子材料，但該法簡便易行，芯片可大批量復(fù)制，且不需要昂貴的設(shè)備，是一個(gè)可以制作廉價(jià)分析芯片的方法。

4. 注塑法

注塑法的工藝是通過光刻和刻蝕技術(shù)在硅片上刻蝕出電泳芯片陰模，用此陰模進(jìn)行24h左右的電鑄，得到0.5cm厚的鎳合金模，再將鎳合金模加厚，精心加工制成金屬注塑模具，將此模具安裝在注塑機(jī)上批量生產(chǎn)聚合物微流控芯片基片。

在注塑法制作過程中，模具制作復(fù)雜，技術(shù)要求高，周期長，是整個(gè)工藝過程中的關(guān)鍵步驟。一個(gè)好的模具可生產(chǎn)30~50萬張聚合物芯片，重復(fù)性好，生產(chǎn)周期短，成本低廉，適宜于已成型的芯片生產(chǎn)。

5. LIGA技術(shù)

LIGA是德文Lithographie，Galvanoformung，Abformung三個(gè)字的字頭縮寫。LIGA技術(shù)是由光刻、電鑄和塑鑄三個(gè)環(huán)節(jié)組成。

準(zhǔn)LIGA技術(shù)是用紫外光光源來代替LIGA技術(shù)中的同步輻射X光深層光刻，然后進(jìn)行后續(xù)的微電鑄和微復(fù)制工藝。它不需要同步輻射X光光刻和特制的X光掩膜板，有利于實(shí)現(xiàn)微機(jī)械器件的大批量生產(chǎn)。根據(jù)紫外光深層光刻的工藝路線的不同，準(zhǔn)LIGA技術(shù)又可分為多層光刻-LIGA、硅模深刻蝕一LIGA和SU-8深層光刻一LIGA三類。

6. 激光燒蝕法

激光燒蝕法是一種非接觸式的微細(xì)加工技術(shù)。它可直接根據(jù)計(jì)算機(jī)CAD的數(shù)據(jù)在金屬、塑料、陶瓷等材料上加工復(fù)雜的微結(jié)構(gòu)，已應(yīng)用于微模和微通道的加工。這種方法對技術(shù)設(shè)備要求較高，步驟簡便，而且不需超凈環(huán)境，精度高。但由于紫外激光能量大，有一定的危險(xiǎn)，需在標(biāo)準(zhǔn)激光實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行操作，使用安全保護(hù)裝備和防護(hù)眼鏡。

7.軟光刻

軟光刻（softlithography）是相對于微制造領(lǐng)域中占據(jù)主導(dǎo)地位的光刻而言的微圖形轉(zhuǎn)移和微制造的新方法，以自組裝單分子層、彈性印章和高聚物模塑技術(shù)為基礎(chǔ)的微細(xì)加工新技術(shù)。它能制造復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)及不規(guī)則曲面;能應(yīng)用于生物高分子、膠體、玻璃、陶瓷等多種材料;沒有相關(guān)散射帶來的精度限制，可以達(dá)到30nm~1um級的微小尺寸;因此軟光刻是一種便宜、方便，適于實(shí)驗(yàn)室使用的技術(shù)。

軟光刻技術(shù)的核心是彈性模印章，可通過光刻蝕和模塑的方法制得。PDMS是軟光刻中最常用的彈性模印章。軟光刻的關(guān)鍵技術(shù)主要包括微接觸印刷、再鑄模、微傳遞成模、毛細(xì)管成模、溶劑輔助成模等。

軟光刻技術(shù)還存在著一些缺陷，如PDMS固化后有1%的收縮變形，而且在甲苯和乙烷的作用下，深寬比將出現(xiàn)一定的膨脹;PDMS的彈性和熱膨脹性使其很難獲得高的準(zhǔn)確性，也使軟光刻在多層面的微加工中受到限制;由于彈性模太軟，無法獲得大的深寬比，太大或太小的寬深比都將導(dǎo)致微結(jié)構(gòu)的變形或扭曲。