微流控芯片
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微流控芯片

PDMS微流控芯片的制作流程及其应用

当前简单的微流体装置包含成型在聚合物中的微通道,该微通道粘合到平坦的表面如载玻片上。常用于微流体芯片的聚合物是PDMS,PDMS是透明的,生物相容的(非常类似于乳房植入物中使用的硅凝胶),可变形且廉价的弹性体。其易于模塑和粘合在玻璃上。由于以上这些原因,PDMS受到了研究人员的广泛关注。


   PDMS-bloc-for-microfluidic-device-manufacturing.png

                                      微流控PDMS/玻璃芯片                            PDMS Block



制作简单的微流体芯片需要几个步骤。
我们在这里描述了通过软光刻方法制造微流体芯片[1]。


free copyright microfluidic photolithography mask (1).jpg 
Photolithographic mask made on a glass substrate with etched chrome

微流体通道的设计:
微流体器件的加工开始于使用专用软件如AutoCAD、Illustrator、L-Edit等设计微流体通道。一旦完成这种设计,就将其转移到光掩膜上:镀铬玻璃板或塑料薄膜,这两个是常见的模板。这可以通过专门的制造商或在用于玻璃面罩的洁净室中完成。因此,微通道用UV不透明油墨(如果基材是塑料膜)印刷或用铬蚀刻(如果基材是玻璃板)。

 
通过光刻法加工微流体模具:
该步骤对应于将微通道图案从光掩模转移到模具上的真实微通道中。微通道在模具上“雕刻”,产生复制品,使得能够将通道雕刻成未来的微流体芯片材料。
(1)将树脂涂在具有所需厚度的平坦表面如硅晶片上,厚度决定了微流体通道的高度。
(2)然后将具有微通道图案的光掩模保护的树脂部分暴露于紫外光下。因此,在像SU-8型的负性树脂的情况下,仅表示通道的部分暴露于UV光并固化,模具的其他部分受到掩膜的不透明区域的保护。
(3)模具在溶剂中显影,该溶剂刻蚀未暴露于紫外光的树脂区域。
(4)然后,我们获得具有来自光掩模的图案的树脂复制品的微流体模具(未来的微通道在模具上形成“浮雕”)。通道的高度由在硅晶片上展开的原始树脂的厚度确定。大多数时候,需要用硅烷处理模具,以便在模塑步骤中释放或取下微流体器件。


photolithographic-process-of-microfluidic-mold.png

 
微流控芯片的成型:
(1)模塑步骤允许从模具中批量生产微流体芯片。
(2)将PDMS(液体)和交联剂(固化PDMS)的混合物倒入模具中并在高温下加热。
(3)一旦PDMS硬化,就可以将其从模具中取出。我们便获得PDMS块上的微通道的复制品。
+微流体装置完成:
(4)为了允许注入流体用于将来的实验,使用PDMS打孔器在微流体器件上加工流体入口和流体出口。流体入口和出口与后续的微流体导管相连接,流体入口和出口的尺寸与导管外径的尺寸相配套。
(5)用等离子体处理具有微通道和载玻片的PDMS块的表面。
(6)等离子体处理允许PDMS和玻璃粘合以封闭微流体芯片。
现在,该微流体芯片就准备好了。使用微流体导管连接微流体PDMS芯片和样品储液池及OB1压力控制器后,便可以进行实验了。Tygon管和Teflon管是微流体实验装置上常用的毛细导管。


Molding-process-of-single-layer-PDMS-microfluidic-device-279x300.png


整合复杂功能:
此外,许多微流体器件集成了微电极、纳米结构或表面功能化的其他特征。这种类型的附加步骤通常采用微观和纳米技术的标准技术(薄膜沉积、等离子体蚀刻、自组装单层)。


microfluidic-chip-with-electrodes.jpg


微流体的应用
现在,微流体技术有许多大量的应用,主要是:
(1)在生物医学领域,芯片上的实验室允许在单个芯片上集成许多医学测试。
(2)在细胞生物学研究中,因为微通道具有与生物细胞相同的特征尺寸,因此,微流体芯片可以实现操作单个细胞和快速的药物切换的功能。
(3)在蛋白质结晶中,因为微流体器件允许在单个芯片上产生大量的结晶条件(温度、pH值、温度等)。
(4)还有许多其他领域:药物筛选、葡萄糖测试、化学微反应器、电化学、微处理器冷却或者微型燃料电池。

参考文献
[1] Xia, Y. & Whitesides, G. M. Soft Lithography. Angew. Chem. Int. Ed. 37, 550–575 (1998).

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