不同材质微流控芯片微结构的制备方法_汶颢股份
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不同材质芯片微结构的制备方法

微流控芯片Microfluidics)又称芯片实验室(Lab on a chip)是通过微细加工技术加工微纳尺度通道网络,将生物、化学、医学分析过程的样品制备、反应、分离、检测等基本操作单元集成到一块几个平分厘米的芯片上,以可控流体贯穿整个系统,用以替代常规化学或生物实验室的各种功能的一种技术平台。微结构是微流控芯片的核心部分,微结构的制备按照所用芯片材料的不同,常用的软质PDMS芯片、硬质PMMA等塑料芯片、无机玻璃芯片等,不同材质芯片微结构的制备解决方案不同。

1. 软质PDMS塑料芯片

PDMS,又称硅橡胶,是众多聚合物中用得较多的一种。能透过250nm以上的紫外与可见光;耐用、有一定的化学惰性;无毒、廉价;能可逆和重复变形而不发生永久性破坏;能用模塑法高保真地复制微流控芯片;芯片微通道表面可进行多种改性修饰;它不仅能与自身可逆结合(或不可逆),还能与玻璃、硅、二氧化硅和氧化型多聚物可逆结合(或不可逆)。

PDMS芯片微结构常用光刻法加工,加工工艺如下:

PDMS芯片微结构制备工艺

图一:PDMS芯片微结构制备工艺

PDMS芯片微结构尺寸取决于其注塑模具,普通紫外光刻工艺加工的尺寸最细可到2um,由于PDMS芯片材质的透气性、透光性和生物相容性,常用于生命科学领域,比如用于细胞培养和研究,下图是用于神经细胞研究的常见PDMS微结构设计。

PDMS芯片用于手机细胞研究

图二:神经细胞研究PDMS芯片

2. PCPMMA等硬质塑料芯片

用于微流控芯片制作的硬质塑料芯片主要有三类:热塑性聚合物、固化型聚合物和溶剂挥发型聚合物。

热塑性聚合物有PMMA、PC和聚乙烯等;固化型聚合物有PDMS、环氧树脂和聚氨酯等,他们与固化剂混合后,经过一段时间的固化变硬即可得到芯片。溶剂挥发型聚合物有丙烯酸、橡胶和氟塑料等,制作时将他们溶于适当的溶剂,再通过缓慢挥发溶剂而得到芯片。

常用PMMA等硬质塑料芯片微结构加工工艺有模具注塑法、模具热压法和CNC铣刻法。如下图所示:

PMMA芯片加工工艺

图三:PMMA芯片加工工艺

PMMA硬质塑料芯片微结构尺寸取决于其注塑模具或者铣刀PMMA等硬质塑料芯片由于其优良的光学、机械性能和生物相容性,常用于无机水溶剂微流处理的各种领域,比如微流混合芯片,如下图:

PMMA芯片用于微流混合

图四:用于微流混合的PMMA芯片

3. 硬质无机芯片——硅芯片、石英玻璃芯片

硅具有良好的化学惰性和热稳定性。单晶硅生产工艺和微细加工技术已趋成熟,在半导体和集成电路上得到广泛应用。在硅片上使用光刻和蚀刻方法高度精度地复制出二维图形,即使是复杂的三维结构,也可以通过微加工技术获得。由于硅材料有良好的光洁度和成熟的加工工艺,常用作制作高分子聚合物芯片时的模具。

硅材料的不足之处易碎、价格偏高、不透光、电绝缘性差,表面化学行为也较为复杂,因此在微流控芯片中的应用受到部分限制。

石英和玻璃有很好的电渗性质和优良的光学特性,它们的表面吸附和表面反应能力都有利于对其表面改性,但是相对价格较高,尤其是石英 。采用和硅片类似的光刻和蚀刻技术可以将微结构刻在石英和玻璃上,因此,石英和玻璃材料已广泛应用于制作微流控芯片。

玻璃硬质无机芯片的加工工艺如下图:

微流控玻璃芯片加工工艺示意图

图五:玻璃芯片加工工艺示意图

硬质无机芯片由于其优良的光学性能、机械性能和化学稳定性,除了可用于生命科学领域之外,也可用于化学分析应用。如下图,是用于电泳分析的常用芯片结构:

微流控玻璃电泳芯片

图六:玻璃电泳芯片

4. 其他微结构芯片解决方案

除了前面所述的常规微结构芯片加工工艺之外,汶颢股份同时提供高难度微流控芯片设计加工、量产等相关技术输出与解决方案。

①汶颢股份提供所有基质微流控芯片设计与加工

微孔阵列PDMS芯片:孔径最小可以到2-5um,阵列数量可以达到千万级;微孔阵列PDMS芯片可用于生化分析中的微量试剂的点样,也可以作为微孔过滤材料等,兼具有微孔和微流控芯片强大处理等优点

多层微流控芯片:PDMS、PMMA、PC和玻璃等各种材质的芯片均可以自由组合,组成单一材质或者多材质的多层芯片,适应生命科学、环境科学、分析化学等多个学科各种需要

汶颢股份微流控芯片

汶颢股份微流控芯片

②汶颢股份提供部分材质微流控芯片批量加工

干膜光刻加工工艺:使用干膜法进行芯片模具加工,以替代以往光刻胶旋涂工艺,在不改变加工精度和质量的前提下,大大提高了批量化生产的效率;干膜作为保护层也是一种低成本高效的批量加工工艺

干膜光刻加工工艺

③汶颢股份提供微流控芯片模具加工,如:金属模具、硅片注塑模具、纯硅模具、SU-8硅片模具等等。

低成本模具加工工艺:用硬质塑料和金属板加工成注塑模具,进行大批量芯片的加工生产,成本低廉、生产效率高,同时批间差非常小。



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