如何选择微流控芯片?

微流控芯片

何谓微流控芯片？

微流控芯片是用于微流控研究的装置，其中的微通道已经被模塑或图案化。形成微流控芯片的微通道被连接起来以允许流体流过不同的通道，从一个地方流到另一个地方。这些微流道网络通过进口和出口连接到外部环境。通过被动方式或外部有源系统（压力控制器、注射泵或蠕动泵）从微流控芯片中注入、管理、移除液体或气体。通道可具有不同的内径，通常在5~500μm范围内，并且它们的微流道网络必须专门为想要执行的应用或分析而设计（如细胞培养、器官芯片、DNA分析、芯片实验室、液滴微流控等）。因此，微流控芯片允许在单个微尺寸装置中集成通常需要在整个实验室中进行的若干功能。

包括微流控芯片在内的微流控装置拥有诸多优点：

* 减少样品和试剂消耗量

* 提高自动化能力

* 缩短分析时间

该装置的应用领域非常广泛，例如医学、生物学、化学和物理学。

用于制造微流控芯片的材料起着至关重要的作用，并且还应当具有应用所需要的某些特性。

用于微流控装置的材料

将对微流控装置中最常见的材料进行简要回顾。

通常使用3种类型的材料来制造微流控芯片：

硅和玻璃是最早用于微流控应用的原始材料，然而随着时间的推移和新技术的进步，包括聚合物基材、复合材料或纸也开始进入使用。

对某些实验而言，需要将这3种材料组合以获得所需的微流控芯片特性。每种材料都有其特定的化学和物理特性，材料的选择取决于：

* 应用的需求和条件

* 溶剂类型、样本、缓冲液及其极性

* 设计

* 预算

通常，出于研究目的，所使用的材料会优先考虑装置的多功能性和性能，而在商业化过程中，生产成本、可靠性和易用性则高于一切。

为何选择硅基微流控芯片？

第一种应用于微流控芯片的材料是硅，虽然它很快被玻璃和聚合物取代。硅首先被选中是因为：

* 它对有机溶剂的耐受性

* 容易金属沉积

* 优越的导热性

* 表面稳定性

然而，硅基微流控芯片由于其硬度而不易处理，因此难以生成如微阀或微泵等有源微流控部件。另一个缺点是当进行光学检测时，硅展现出明显的不透光性。

此外，由于相比其他材料更高的价格，硅基微流控芯片并未广泛应用于微流控研究领域。

为何选择玻璃微流控芯片？

在最初将焦点放在硅材料之后，玻璃成为构建微流控芯片的材料选择。玻璃是一种非晶材料，光学透明且电绝缘性能好。该材料通常用标准光刻或湿法/干法刻蚀进行处理。除非采用特殊的刻蚀技术，否则刻蚀的玻璃通道将拥有圆形侧壁。

玻璃与硅都具有上述提到的在微流控实验中的优点。但是，玻璃也有其独特的优势：

* 明确的表面化学性质

* 卓越的透光性

* 优越的耐高压性

* 生物相容性

* 化学惰性

* 允许高效涂层

* 玻璃与大多数生物样品相兼容

玻璃微流控芯片不透气，并且具有相对低的非特异性吸附。因此它与生物样品相兼容，但是不能用于长期细胞培养。

玻璃微流控芯片的一大主要应用是毛细管电泳（capillaryElectrophoresis,CE）。这种更便宜的方法比标准毛细管电泳更方便，因为它更容易执行并行分析，它还可以通过直接利用电渗透流提供无阀注射，在几分钟内分离分析物。

其他典型应用包括片上反应液滴形成、溶液萃取和原位制造。

上述优点使其成为许多应用的首选材料。这种材料的主要障碍仍是其硬度和相对较高的成本，即使价格已经大幅下降。以上限制因素是开发可替代低成本芯片材料的根源，最终目的是可以更容易地进行制造并与更广泛的生物应用相兼容。

为何选择聚合物微流控芯片？

聚合物基微流控芯片的引入比硅/玻璃微流控芯片晚几年。在选择具有特定性质的合适材料方面，各种各样的聚合物提供了较大的灵活性。

与玻璃和硅相比，聚合物是有吸引力的替代品，因为它们易于获取、更便宜、更坚固并且需要更快的制造工艺。许多聚合物都可用于构建微流控芯片：

* 聚苯乙烯（Polystyrene, PS）

* 聚碳酸酯（Polycarbonate, PC）

* 聚氯乙烯（Polyvinyl chloride, PVC）

* 环烯烃共聚物（Cyclic Olefin Copolymer, COC）

* 聚甲基丙烯酸甲酯（Polymethylmethacrylate, PMMA）

* 聚二甲基硅氧烷（Polydimethylsiloxane, PDMS）

PDMS是快速制造微流控装置原型的首选材料。PDMS芯片通常用于实验室，尤其是学术界。PDMS微流控芯片的主要优点包括：

* 氧气和气体渗透性，在细胞研究和长期实验中，有利于氧气和二氧化碳的输送

* 透光性

* 弹性

* 鲁棒性

* 无毒性

* 生物适应性

* 可以通过多层堆叠创建复杂的微流控设计

* 成本相对较低

PDMS芯片的主要缺点之一是其疏水性。因此，将水溶液引入微通道存在困难，并且疏水分析物会被吸附在PDMS芯片表面，从而干扰分析。现在有PDMS表面改性用于避免由疏水性引起的问题。PDMS芯片的另一个主要问题是它们不适用于高压操作，因为高压会改变通道几何形状并容易发生泄露。但PDMS是目前最常用的微流控芯片材料之一。

选择一款微流控芯片所需注意的关键信息

* 透明材料有利于光学观察/分析

* 材料必须具有生物相容性，适用于生命科学应用

* 大多数芯片需要表面处理以使其表面特性适应应用，并限制非特异性吸附

如何选择制造微流控芯片的正确材料：结论

自推出以来，微流控技术不断发展，并不断扩展其应用领域。生物和医学应用是当前微流控研究的主要领域。在材料和功能方面，虽然玻璃和硅具有重要用途，但是聚合物材料已经成为该领域的首选材料。如上所属，每种材料有其各自的优点和缺点。尽管PDMS仍然是更常用的微流控基材，呈现出有趣特性的新材料和复合材料也正在被创造，以使其更适用于大规模生产，并具有更低的价格和更好的适应性。

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