微流控1——大盘点：芯片材料、加工工艺及微流体操控技术

2022-7-6 13:49| 编辑: 归去来兮| 查看: 2718| 评论: 0|来源: 和义广业创新平台 | 作者：武瑾嵘

摘要: 总结芯片常用材料的优缺点，并列举分析加工工艺及操控技术。

导读

和义广业【行业分析】之微流控系列，将系统解读微流控芯片加工工艺、技术优缺点、医疗领域应用、市场现状、产业上下游、代表企业及未来发展趋势。本篇文章作为系列开篇将介绍微流控技术定义，总结芯片常用材料的优缺点，并列举分析加工工艺及操控技术。

▍微流控定义及应用领域

（一）微流控定义

提到实验室，我们想到的都是实验室里琳琅满目的器材设备，繁复而严谨的操作方式，而微流控技术是在一个几平方厘米的芯片中依靠外力或芯片材料自身的毛细现象实现液体在微观尺度上的精确混合、反应和分离。其与传统生物化学分析、微阵列生物芯片分析之间的比较如下表所示：

图. 传统实验室转换为微流控芯片实验室的示意图[1]

名称	传统生物化学分析	微阵列生物芯片分析	微流控芯片分析
	借助实验室内各种设备：离心机、恒温振荡器、PCR仪、培养仪、荧光检测仪等设备来完成生物化学分析。通常情况下，一次加样只能检测一种物质	包括基因芯片、蛋白芯片、细胞芯片等，将大量待测物探针固定于固相芯片上，实现单次试验中多种物质的高通量检测	又称为芯片实验室，把生物、化学等分析过程的样品制备、反应、分离、检测等基本操作单元集成于芯片或卡盒中，采用流体驱动技术驱动微流体在检测卡上完成分析过程
优势	大型设备，大通量，适合中心实验室	单个样本的多项目检测	设备小型化、集成化，适合床旁检测
不足	设备昂贵，移动不便	灵敏度低	芯片成本高

微流控芯片主体结构分为上下两层片基，由聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、玻璃等材料所制成，其中包括了微通道，微结构、进样口，检测窗等结构单元，外围设备有蠕动泵、微量注射泵、温控系统、以及紫外、荧光、电化学、色谱等检测部件。由于需要驱动和控制微流体的流动，以及对于温度和自动化的控制等因素，制作时需要在微流控芯片上安置电器设备，这也是微流控芯片的必要部分（如图所示）。

图. 微流控结构示意图

由于芯片上包含有不同功能的通道、泵、阀、混合室、检测区等，改变了过去需要大型设备、定环境、复杂操作的要求，达到了高精确、高效率、低污染的效果，可以广泛应用于临床检验医学、生物化学和分子生物等领域[3][4]。

（二）微流控芯片常用材料、工艺及操控技术

1、微流控芯片常用材料

通过上面对微流控芯片的了解可以知道芯片制造材料的选择尤为重要，且应满足以下原则：

①材料有足够的化学和生物相容性，不能发生反应，否则会对芯片造成损害；

②材料具有电绝缘性和散热性，以便于更好进行作业；

③材料对于检测信号的干扰程度小，或者没有干扰；

④材料便于获得，且制作程序简单；

⑤材料具有良好的可修饰性，可产生电渗流或固载生物大分子。

微流控芯片的制作材料多种多样，下面就常用的聚合物和玻璃两种材料进行详细介绍。

（1）聚合物材料：

优势

种类繁多、原材料成本低、易于加工成型、适合大批量生产，多用于生命科学领域。目前的应用最广泛，如PMMA可用于荧光检测、环状烯烃共聚高分子（COP）用于PCR和荧光检测等。

不足

不耐高温、导热性能低、部分材料价格较高。

代表

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