微流控芯片中的无机材料和其特性分析

2023-11-03 理论教育版权反馈

【摘要】：无机材料微流控芯片并不是商业应用微流控芯片的最理想材料，但仍然以其独有的特性在某些应用领域发挥作用。

单晶硅的加工工艺和微加工技术早已广泛应用于半导体和集成电路的工业生产，随着微电子的发展，硅材料的加工技术越来越成熟。因此，在半导体工业中微加工技术的推动下，产生了使用硅和玻璃的第一代微流控芯片。

硅具有散热好、强度大、化学惰性好、易于金属沉积、表面精糙度小、纯度高以及电渗迁移率稳定等优点，因此硅材料最早被用于微流控芯片的制作，逐渐才被玻璃和聚合物等材料替代。但硅材料仍然是制作模具的主要材料之一，并且利用最新精密微机电加工技术，可以制作在其他材料芯片上无法实现精细结构芯片。例如：制作含有数百万反应井的硅基数字PCR芯片[1]；制作金字塔微腔阵列来实现高通量循环肿瘤细胞的捕获和分析[2]；制作硅等离子体微阵列，进而以干涉方式非标记检测病毒颗粒[3]。但是，硅材料也有缺点，如机械强度低、电绝缘性和透光性较差、深度刻蚀困难、表面修饰较复杂、硅基片的黏合成功率低等，这些影响了硅的应用。玻璃具有可靠电渗流，以及优异的光学特性、化学耐受性、生物相容性，因此玻璃芯片逐渐替代硅基芯片。

2.1.1.2　玻璃材料

在引入微流控的概念之前，玻璃或者石英材质的微通道已经在气相色谱、毛细管电泳和流动反应器中得到应用，这有助于微流控技术的产生。同时，作为光学透明、电绝缘和无定形材料，玻璃制作加工工艺设备与传统硅加工工艺设备相似，表面改性比较简单。第一代玻璃微流控芯片主要有微反应池和通道，应用之一是毛细管电泳(CE)和色谱分离。与标准CE相比，在芯片上进行毛细管电泳除了成本低，还有以下优点：

(1)玻璃的高热导率可降低高电压下产生的热量，进而减少热量对电泳分离造成的影响。

(2)利用稳定的电渗流构建电渗泵，驱动液流，不仅可以实现无阀进样，而且形成电泳分离的主要推动力，在几秒内完成分析物的分离。

(3)更易于实现并行分离，以及不同分离模式耦联的多维整合分离。

玻璃微通道在上述方面能够提供比其他材质芯片更好的性能。玻璃/硅芯片的其他重要应用来自其热稳定性、生物和溶剂相容性，典型应用包括片上反应、液滴形成、溶剂萃取和原位制备，以及需要高压条件的实验。

但是玻璃/硅芯片在制备微流控芯片时存在以下问题：

(1)制造成本较高，对环境和设备要求高。(www.chuimin.cn)

(2)除非采用特殊的技术加工，否则玻璃芯片化学蚀刻玻璃通道的侧壁呈圆形，难以得到高深宽比。

(3)制作过程中涉及危险化学品(如HF)，因此需要防护设施。

(4)芯片的键合比较困难，通常需要高温和高压条件，并因此对预装液体造成困难。

(5)在玻璃/硅芯片中不易集成阀等流体控制单元，使用聚合物等材料组成的混合材质芯片可以简化阀门的制造过程，但可能会损失玻璃或硅的优势。

(6)玻璃和硅的硬度都限制了它们在某些微流控中的应用。

(7)由于玻璃和硅透气性差，因此也限制此类材料芯片在长期细胞培养中的应用。