微流控技术行业研究

《微流控技术行业研究》

1 简介

2 微流控技术的提出和发展简史

3 微流控技术环节

4 微流控芯片应用场景

5 微流控芯片技术优势

6 问题

7 市场前景

8 公司案例

微流控是一种在微米尺度下利用制作在基地的微沟道对流体进行操控的科学技术，可以将生物、化学等多种实验室功能微缩到一个很小的芯片上，因此微流控芯片也被称为芯片实验室（Lab-on-a-chip, LOC）。微流控最大的优势和特征就是众多技术单元与流程可以通过微通道相连，在微小的平台上灵活组合和大规模集成，能够快速、自动、高通量、低成本地对生物、化学指标进行检测，从而实现一个完整实验室的复杂功能。由于尺寸微小，微流控芯片检测仅需处理极微量的流体，可以极大地节省昂贵生化检测试剂成本。

20世纪60年代，微电子行业广泛使用的光刻技术逐渐发展，被用于在硅片上创建各种微米或亚微米尺寸的机械结构，并最早应用于压力传感器的制造（1966年）。随后这套技术继续发展成为微机电系统（MEMS）技术，广泛用于开发各种流体处理设备，如通道、混合器、阀门、泵等，这才使得在微尺度上对气、液体样本的操控和检测成为可能。

一般认为，第一个芯片实验室（LOC）系统是由斯坦福大学的Terry于1979年开发的气相色谱仪。然而，直到20世纪80年代末至20世纪90年代初，微泵及流量传感器才被陆续开发出来。与此同时，基于将完整的实验室分析系统集成到芯片上的流体处理概念的出现，才使得LOC研究得以显著增长。

图2 微流控芯片示意图

20世纪90年代中期，电泳分离连同随后的DNA微阵列等基因组学应用在微流控芯片上的实现，使得同时对大量样本进行快速分析成为可能，展示了微流控芯片作为一种分析化学工具的强大潜力，大幅提升了科研人员对其在研究和商业领域的兴趣。美国军方特别是美国国防部高级研究计划局（DARPA）对便携式生化检测系统研究的大力支持，引燃了世界范围内对微流体芯片研究的热情。

图2 微流控芯片示意图

3.1微流控芯片材料选择

3.1.1常用的芯片材质

微流控芯片材质有：玻璃、硅片、纸、PDMS、高分子聚合物等。

图3 常用芯片材质

3.1.2微流控芯片材料如何选择

微流控芯片选材原则:

①芯片材料与芯片实验室的工作介质之间要有良好的化学和生物相容性，不发生反应；

②芯片材料应有很好的电绝缘性和散热性；

③芯片材料应具有良好的可修饰性，可产生电渗流或固载生物大分子；

④芯片材料应具有良好的光学性能，对检测信号干扰小或无干扰；

⑤芯片的制作工艺简单，材料及制作成本低廉。

3.1.3微流控芯片材料介绍

表2 各种制备微流控芯片的材料优势分析

图4 各种材质及功能的 微流控芯片

3.2 微流控芯片加工

3.2.1光刻(lithography)和刻蚀技术(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 :

(a)仔细地将基片洗净;

(b)在干净的基片表面镀上一层阻挡层 ,例如铬、二氧化硅、氮化硅等;

(c) 再用甩胶机在阻挡层上均匀地甩上一层几百 A厚的光敏材料——光刻胶。光刻胶的实际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;

(d) 在光掩模上制备所需的通道图案。将光掩模复盖在基片上,用紫外光照射涂有光刻胶的基片,光刻胶发生光化学反应;

(e)用光刻胶配套显影液通过显影的化学方法除去经曝光的光刻胶。这样，可用制版的方法将底片上的二维几何图形精确地复制到光刻胶层上；

(f) 烘干后 ,利用未曝光的光刻胶的保护作用 ,采用化学腐蚀的方法在阻挡层上精确腐蚀出底片上平面二维图形。

②掩模制备

用光刻的方法加工微流控芯片时 ,必须首先制造光刻掩模。对掩模有如下要求：

a.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;

b.掩模的缺陷如针孔、断条、桥连、脏点和线条的凹凸等要尽量少;

c.掩模的图形精度要高。

通常用于大规模集成电路的光刻掩模材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，再通过专用接口电路控制图形发生器中的爆光光源、可变光阑、工作台和镜头，在掩模材料上刻出所需的图形。但由于设备昂贵，国内一般科研单位需通过外协解决，延迟了研究周期。

由于微流控芯片的分辨率远低于大规模集成电路的要求，近来有报道使用简单的方法和设备制备掩模，用微机通过CAD软件将设计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透明薄膜上，此透明薄膜可作为光刻用的掩模，基本能满足微流控分析芯片对掩模的要求。

③湿法刻蚀

在光刻过的基片上可通过湿刻和干刻等方法将阻挡层上的平面二维图形加工成具有一定深度的立体结构。近年来，使用湿法刻蚀微细加工的报道较多，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分离。

湿法刻蚀的程序为 :

(a) 利用阻挡层的保护作用，使用适当的蚀刻剂在基片上刻蚀所需的通道 ;

(b) 刻蚀结束后 ,除去光胶和阻挡层，即可在基片上得到所需构型的微通道；

(c)在基片的适当位置(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材质的盖片清洗后，在适当的条件下键合在一起就得到微流控分析芯片。

玻璃和石英湿法刻蚀时，只有含氢氟酸的蚀刻剂可用，如HF/HNO3，HF/ NH4。由于刻蚀发生在暴露的玻璃表面上，因此，通道刻的越深，通道二壁的不平行度越大 ,导至通道上宽下窄。这一现象限制了用湿法在玻璃上刻蚀高深宽比的通道。

④等离子体刻蚀(plasma etching)

等离子体刻蚀是一种以化学反应为主的干法刻蚀工艺，刻蚀气体分子在高频电场作用下，产生等离子体。等离子体中的游离基化学性质十分活泼，利用它和被刻蚀材料之间的化学反应，达到刻蚀微流控芯片的目的。

等离子体刻蚀已应用于玻璃、石英和硅材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 (爆光后脱落的光胶)，低温烘干后，放置好掩模，用紫外光照射后显影，在光胶上会产生微结构的图象。然后用活性CHF3等离子体刻蚀石英基片 ,基片上无光胶处会产生一定的深度通道或微结构。这样可产生高深宽比的微结构。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道。

3.2.2微细加工新技术

①模塑法 (cast molding)

用光刻和刻蚀的方法先制出阳模 (所需通道部分突起)，然后浇注液态的高分子材料。将固化后的高分子材料与阳模剥离就得到具有微通道的芯片。这种制备微芯片的方法称为模塑法。模塑法的关键在于模具和高分子材料的选择，理想的材料应相互之间粘附力小，易于脱模。

微模可由硅材料、玻璃、环氧基SU28负光胶和聚二甲基硅氧烷( PDMS)等制造。

通过光刻可在SU28负光胶上得到高深宽比(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材料、玻璃等材料制体积的母模上可制得聚二甲基硅氧烷模具。

浇注用的高分子材料应具有低粘度，低固化温度，在重力作用下，可充满模子上的微通道和凹槽等处。可用的材料有两类：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，通过缓慢地挥发去溶剂而得到芯片。

虽然模塑法限于某些易固化的高分子材料，但该法简便易行，芯片可大批量复制，不需要昂贵的设备，是一个可以制作廉价分析芯片的方法。但此类芯片的微流控行为研究尚少，其实用价值尚待研讨。

②软刻蚀( soft lithography)

近来，以哈佛大学Whitesides教授研究组为主的多个研究集体，以自组装单分子层(self-assembled monolayers , SAMs)、弹性印章(elastomeric stamp)和高聚物模塑(molding of organic polymers) 技术为基础 ,发展了一种新的低成本的微细加工新技术“软刻蚀”。软刻蚀技术的核心是图形转移元件——弹性印章。其方法有微接触印刷法、毛细微模塑法、转移微模塑法、微复制模塑法等。它不仅可在高聚物等材料上制造复杂的三维微通道，而且可以改变材料表面的化学性质。有可能成为生产低成本的微流控分析芯片的新方法。

制作弹性印章的最佳聚合物是聚二甲基硅氧烷(PDMS)。它表面自由能低(～21.6dyn/cm)，化学性质稳定、与其它材料不粘连；与基片正交接触严密，容易取模；柔软，易变形，弹性好，可在曲面上复制微图形。

③微接触印刷法(micro-contact printing ,μCP)

微接触印刷法是指用弹性印章结合自组装单分子层技术在平面或曲面基片上印刷图形的技术。自组装单分子层是含有一定官能团的长链分子在合适的基片上自发地排列成规整的结构以求自由能最小。已确定的自组装单分子层体系有烷基硫醇在金银等造币金属表面和烷基硅氧烷在玻璃、硅、二氧化硅表面等。自组装单分子层的厚度约2～3nm ,改变烷链中亚甲基的数目可在0.1nm的精度范围内改变单分子层的厚度。

通过用光刻等技术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。在印章的表面涂上烷基硫醇墨水，可在金银等金属表面印出微图形。在此过程中，硫醇分子自动排列成规整的结构以求自由能最小，具有自动愈合缺陷的趋势，可减少印刷缺陷并保证印刷清晰度。印刷后的表面可用化学腐蚀或化学镀层的方法使图形显形。若把印章做得很薄，贴在辊筒表面，成为微印刷辊，能提高印刷的效率及印刷大面积的图形。

微接触印刷法能很方便地控制微通道表面的化学物理性质，在微制造、生物传感器、表面性质的研究上有很大的应用前景。

④有机聚合物模塑法( molding of organic polymers)

有机聚合物模塑法包括毛细管微模塑法( micro molding in capillaries , MIMIC)、微转移模塑法(micro transfer molding ,μTM)和复制模塑法(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通的毛细管网络，将高分子预聚物(例如紫外固化的聚脲和热固化的环氧)滴在网络的入口，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。MIMIC只能加工通道网络与入口连通的微结构。

微转移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材料构成的图形。μTM已用于制作光学波导管。采用紫外光固化聚氨酯，用μTM 做出微米级的波导管后，在其上浇注一层覆盖层，通过控制紫外光照时间而控制波导管和覆盖层的光学指数差，能控制波导管的光耦合效果，方便、快速。

微复制模塑法是通过在弹性印章上直接浇注聚氨酯等高分子材料得到微结构。此方法可有效地复制尺寸为30nm到几厘米微结构。用氧等离子体处理高分子材料表面使其表面改性，得到的毛细管功能通道可用于电泳分离等方面的研究。

以模塑为基础的软刻蚀具有简单、经济、保真度高等优点，它可用于在聚合物、无机和有机盐、溶胶和凝胶、陶瓷和碳等材料上加工微结构，已用于制备微光栅，聚合物波导管、微电容和微共鸣器等。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压制出微通道。将带通道的基片和有孔洞的盖片加热封接可得微流控分析芯片。此法可大批量复制，设备简单，操作简便。但是所用材料有限，对其性能研究较少，应用价值尚需实验。

图5 热压成型的流程

⑥激光切蚀法(laser ablation)

用紫外激光使可降解高分子材料曝光 ,把底片上的二维几何图形精确复制下来。调整曝光强度可控制材料的光解深度。用压力吹扫去除降解产物 ,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。

这种方法对技术设备要求较高，但步骤简便，而且不需超净环境，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材料上加工微通道。

⑦LIGA技术

LIGA技术是由光刻、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，可将掩膜上的图形转移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。电铸可采用电镀的方法。利用光刻胶下面的金属进行电镀，将光刻胶图形上的间隙用金属填充，形成一个与光刻胶图形凹凸互补的金属凹凸版图，将光刻胶及附着的基底材料除掉，就得到铸塑用的金属模具。通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。通常以聚甲基丙烯酸甲酯作为塑铸材料。

图6 不同材料的加工方式

3.3 微流控芯片键合

微流控芯片键合方法主要有三种：热键合、阳极键合、低温键合。

无论采用何种键合方式，基片在键合前均需进行严格的清洗。原因：刻蚀后玻璃基片表面会残留较多的有机物和无机颗粒、尘埃等，直接造成表面的平整出现不均匀，粗糙度不一致，在键合时导至结合界面产生衍射纹，不能紧密贴合而导至键合失败。因此，芯片键合能否成功的关键在于芯片表面的洁净度和平整度。

针对玻璃表面存在的物质，清洗试剂也不同。有机试剂如甲醇、乙醇和丙醇等用来清除表面的光胶残余和碎玻璃，超纯水用来冲走表面的尘埃和其他试剂，硫酸类氧化性酸或H2O2用来去除表面的有机物等。

3.3.1热键合

热键合是玻璃芯片键合中最常用的一种方法。含二氧化硅材料之间的热键合也称为硅熔键合。将贴合在一起的基片放在高温炉中加热到100—1000℃后退火，界面上发生化学反应，使两块基片牢固地键合在一起。

玻璃和石英材料的微流控芯片一般使用热键合方法封合。

热键合的缺点在于不能用于装有温度敏感试剂、电极和波导管的芯片，也不能用于不同热膨胀系数材料的封接；可能发生的通道变形，甚至塌陷的现象，成品率低。

3.3.2阳极键合

 阳极键合是一种比较简单而有效的永久性封接玻璃片和硅片的键合方法，首先被用于含钠玻璃片和硅片的键合。在玻璃片和硅片上施加500~1500V高压，玻璃片接负极，硅片接正极，当温度升高到200~500℃时，玻璃片中钠离子从玻璃-硅界面向阴极移动，在界面的玻璃一侧产生负电荷，硅片一侧形成正电荷，正负电荷通过静电引力结合在一起，促使玻璃片和硅片间的化学键合。

在玻璃表面沉积上一层薄膜材料如多晶硅、氮化硅等作为中间层，在约700V的电场下，升温到400℃时，可使两块玻璃片结合。

实验中使用普通的3mm厚的平板玻璃，不加电场时，620℃烘烤半小时，可使玻璃软化并融合在一起。500℃时，500—760伏电场下，可使其键合。

3.3.3低温键合

低温键合是相对高温键合而言的，通常指在100℃以下甚至温室下进行的芯片键合。因为高温键合存在种种不利因素，促使许多研究人员开始进行玻璃芯片低温或温室键合技术的研究。

图7 芯片键合

VITEK 2 COMPACT自动微生物鉴定系统 图片来源：公司官网

3.4 微流控流体驱动（技术核心）

微流控分为被动式微流控和主动式微流控。自驱式或被动式微流控，不借助外力，严格意义上叫微流体并非微流控，并无液体流动的控制。主动式微流控，则是通过仪器内部精密控制芯片内反应腔结合阀门装置，控制液体反应的位置，实时监测液体在芯片内流动状况，定量控制反应样本体积，使样本定量参与免疫反应，真正达到精确控制。具有确保整体的液体流道反应，反应时间可控，产品重复性和批间差控制在5%以内，可与化学发光或时间分辨荧光技术相结合，保证检测结果的灵敏度和准确性的优势。

3.4.1被动式操控

1) 多相流法:通过对微通道的设计及控制流体流速，利用剪切力、黏力和表面张力产生速度差，从而将液流拆分成微液滴，缺乏精确操控。

2) 浓度梯度:通过形成精确的浓度梯度和改变网络通道的构型设计及初始液流的浓度和组合顺序，获得一系列复杂的浓度梯度。

3) 离心法:利用离心力产生速度差，将流体分散到不同微通道中进行反应，以转速高低来控制流体的行动，适合步骤比较简单的反应。

4) 热毛细管法:通过对液体局部加热，使其产生热梯度，改变液体局部表面能，实现对液体的操作，不适合热不稳定的分析。

图片来源：瑞捷生物科技

3.4.2主动式操控

1) 电润湿法：通过芯片表面下的微电极阵列改变液体的润湿特性，使液滴内部产生压强差，可进行液滴精准操作。芯片系统要求高，不适合大量液滴操作。

2) 介电泳法：利用微通道表面存在固定电荷,在通道两端施加电压，使通道内液流包裹在正电荷截面中产生电渗力-液流的流动，成熟的技术。

3) 气动法：利用气体压力（正压或负压）作为剪切力和驱动力，推动液流运动，可进行编程，因反应液接触空气，不适合挥发性反应液。

4) 磁力法：对芯片局部施加磁场产生磁推动力，推动磁珠或者磁珠混悬液挤压微通道空间，使反应流体发生运动。电磁线圈集成问题以及通量较小有待改进。

图9 主动式操控

在产业化中，主动式微流控一般分为以下几大类型：压力推动式微流控，离心力推动式微流控，液滴微流控，数字化微流控，纸质微流控等。

压力推动式微流控主要利用气压或者液压来推动流体在芯片中的运动，在微流控产业化中出现的最多，像生物梅里埃的filmarray, 罗氏诊断的cobas Liat PCR System，Atlas Genetics的io，博晖创新的HPV分子诊断全自动分析仪，华迈兴微的M2微型化学发光分析系统等等都是。

离心微流控是利用离心力来实现微流控芯片中的芯片的推动，在微流控产业中也占据着重要地位，比如美国爱贝斯（Abaxis）Piccolo Xpress™即时生化检测仪，天津微纳芯科技的pointcare M， 杭州霆科生物的微流控芯片农残速测仪等等。

数字化微流控和液滴微流控都是在微流控芯片中对液滴的操控，但是数字化微流控一般特指是电浸润法控制液滴的运动。液滴微流控可以精确地对反应中的微液滴进行操控，并能够减少反应试剂的用量。同时在液滴中可以使用各种技术进行定性分析，液滴微流控体系已经在分析检测中得以应用。这种分析检测技术涉及到成像分析、激光光谱学、电化学、毛细管电泳、质谱、核磁共振谱、化学发光法检测等。对于液滴微流控，这里面运用最大的场景都是在于digital PCR，最典型的的莫过于伯乐的QX200。