PDMS微流控芯片的微通道传统加工方法

微通道的作用主要是进样和分离样品，将微阀、微泵等连接到微通道上以实现在线自动化操作。微通道的尺寸一般在微米量级，受微通道加工技术限制，初期所制作的微流控芯片都选用了表面积较大的基片，并且只有一条微通道。随着微加工技术的不断成熟，逐渐出现了包含两条交叉通道及四个缓冲池（分别为样品池、废液池、阳极池和阴极池）的微流控芯片、分离通道制作成弯曲的蛇形芯片、同步循环毛细管电泳芯片和阵列通道芯片（其分离通道数目最高可达384条）。以单通道为基体派生出来的一系列芯片（包括微反应室等在内）目前使用最为广泛。PDMS微流控芯片的微通道的加工方法主要包括热压法、注塑法、模塑法、激光切蚀法和LIGA等。

１热压法

热压法是一种在模具、压力、热量的共同作用下使热塑性塑料或高聚物实现精确成型的方法。微流体中常用的热塑性塑料包括：聚碳酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯、环烯烃共聚物和聚对苯二甲酸乙二醇酯等。对于PDMS而言，热压法通过PDMS基片与模具对准加热，并在模具和基片之间施加一定压力，保持3-4min，在温度降低到室温时撤除压力，将模具撤出后留下具有微观结构的芯片。

与单独切割各层，然后利用黏合剂粘合各层制作微通道的层压法相比，热压法可以较快地复制微结构，克服了层压法制备的芯片难以应用在高压环境下、容易出现粘合不均匀的缺点；与注塑法相比，由于热压法中的热塑性材料流动性较差，显著降低了材料中产生的应力，成型件的收缩率较低，提高了微通道的精度。

热压法设备便宜，操作方便；其缺点是对材料要求较高，模具制作时间较长、无法实现微纳尺度的微通道加工。热压法使用的模具有两种：金属丝模具和刻蚀有凹凸的微通道硅片阳模。以金属丝为模具只能制作简单结构的微通道，如果通道存在交叉点，在同一平面压制后则会形成不规则形状的微通道，影响进样和分离的效果。用刻蚀有凹凸的微通道硅片阳模可以制作复杂微通道，通道交叉处的结构完整。

目前对热压法的研究主要集中在如何提高传统方法的效率上。通过改进热压法，提出了热侵入法，通过使用快速模板模具制造方法，能够实现在各种热塑性塑料中一步制备尺寸小于50μｍ的锥型柱、台阶以及三维蛇形等复杂三维通道。通过引入金属３Ｄ打印的方法打印了热压法使用的模具，大大减少了模具制造的时间。

２注塑法

注塑法最早出现在20世纪80年代，其主要加工流程是：首先利用光制作技术或精密机械加工技术（微细电火花加工技术、微切削技术等）加工出微注塑模具（一般为高性能金属材料），模具的加工方法将直接影响模具的精度，进而影响微通道的分辨率，光制作技术加工的模具精度可达几百纳米，而精密机械加工技术加工的模具精度一般在几十微米；将模具安装到微注塑机上，将PDMS注入模具；固化后，将PDMS从模具上剥离，经过后处理与玻璃片封装。

注塑法的主要优点是：模具可多次重复使用（一般模具可以使用几十万次），芯片加工时间短、成本低、适合芯片的批量生产。注塑法的缺点是：只能使用热塑性材料，模具价格高、制作复杂且模具特征不得有底切。

近年来关于模塑法的研究主要集中在两方面：一是减少模具制造的时间和成本，二是拓展已有方法和材料的功能。在注塑过程中引入超疏水表面层，实现了全血液滴在微流控芯片中的精确形成和流动；同年，将复杂流体处理技术整合到注塑微流控芯片中，改进了注塑微流控芯片的功能，使其更好地应用在即时诊断中。３Ｄ打印金属模具在低成本、快速模具制造中显示出了巨大的潜力。尝试用３Ｄ打印的方法打印注塑法所需要的模具，该模具可以连续制造超过一百个芯片而不会失效。

３模塑法

模塑法于1998年提出，具体加工步骤是：在洁净干燥的硅片上甩涂具有高分辨率、高纵横比、良好的模具耐久性的SU-8光刻胶，经曝光后烘焙，将掩膜板与基板对准后覆盖在光刻胶层上，曝光后再经过一次PEB，最后通过超声显影后得到所需通道部分凸起的模具；模具上浇注混合了一定比例固化剂的PDMS预聚物，加热固化1h后，将模具与PDMS分离，就得到了具有微通道结构的PDMS基片，打孔后，将基片与洁净的玻璃盖片键合就得到了PDMS微流控芯片。

模塑法制作PDMS微流控芯片具有工艺简单、对环境要求低等优点，其分辨率最高可达几百纳米，由其发展而来的纳米压印光刻技术分辨率可达15nm；此外，将多个模制层堆叠在一起，可以构造出复杂的三维通道，因此其成为目前使用最广泛的高聚物微流控芯片加工方法。

模塑法的主要局限在于：其模具的制作要在洁净室中完成；模具如果保存不当，模具图案容易出现缺损；此外，在撤模过程中可能会发生通道变形。

目前，模塑法的研究热点是如何利用模塑微流控芯片进行三维细胞培养。用模塑法制作了微流控芯片，并在微通道内构建载有细胞的水凝胶，实现了以流体流动控制三维细胞结构。

４激光切蚀法

激光切蚀法利用紫外激光器产生的激光对可降解的PDMS材料曝光，PDMS在激光作用下C-H键被切断而降解，吹扫降解产物，最终产生微通道。1997年提出用紫外线激光器加工微通道，采用激光切蚀法的一个优点是可以加工出高深宽比的微通道。激光切蚀法使用单光子能量大的激光，以冷加工的方式对材料进行加工，通过控制激光的强度来控制PDMS材料降解的深度，从而实现不同深度微通道的加工。激光切蚀方法分为两种：一种是掩模曝光法；另一种是直接写入法。前者通过掩模控制微通道的形状；后者通过控制激光器与PDMS基片的相对运动实现不同形状通道的加工。前者加工速度快，但由于掩模板的形状相对固定，因而无法实现个性化的加工。激光切蚀法加工出的微通道精度可达25μｍ，但设备成本较高，并且可能会留下影响芯片通道性能的残余物。

由紫外光刻发展而来的极紫外光刻技术是最近的研究热点，极紫外光刻与灰度光刻的结合可以实现纳米尺度的微通道加工。