如何選擇微流控芯片?

何謂微流控芯片？

微流控芯片是用于微流控研究的裝置，其中的微通道已經(jīng)被模塑或圖案化。形成微流控芯片的微通道被連接起來(lái)以允許流體流過(guò)不同的通道，從一個(gè)地方流到另一個(gè)地方。這些微流道網(wǎng)絡(luò)通過(guò)進(jìn)口和出口連接到外部環(huán)境。通過(guò)被動(dòng)方式或外部有源系統(tǒng)（壓力控制器、注射泵或蠕動(dòng)泵）從微流控芯片中注入、管理、移除液體或氣體。通道可具有不同的內(nèi)徑，通常在5~500μm范圍內(nèi)，并且它們的微流道網(wǎng)絡(luò)必須專(zhuān)門(mén)為想要執(zhí)行的應(yīng)用或分析而設(shè)計(jì)（如細(xì)胞培養(yǎng)、器官芯片、DNA分析、芯片實(shí)驗(yàn)室、液滴微流控等）。因此，微流控芯片允許在單個(gè)微尺寸裝置中集成通常需要在整個(gè)實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行的若干功能。

包括微流控芯片在內(nèi)的微流控裝置擁有諸多優(yōu)點(diǎn)：

* 減少樣品和試劑消耗量

* 提高自動(dòng)化能力

* 縮短分析時(shí)間

該裝置的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，例如醫(yī)學(xué)、生物學(xué)、化學(xué)和物理學(xué)。

用于制造微流控芯片的材料起著至關(guān)重要的作用，并且還應(yīng)當(dāng)具有應(yīng)用所需要的某些特性。

用于微流控裝置的材料

將對(duì)微流控裝置中最常見(jiàn)的材料進(jìn)行簡(jiǎn)要回顧。

通常使用3種類(lèi)型的材料來(lái)制造微流控芯片：

硅和玻璃是最早用于微流控應(yīng)用的原始材料，然而隨著時(shí)間的推移和新技術(shù)的進(jìn)步，包括聚合物基材、復(fù)合材料或紙也開(kāi)始進(jìn)入使用。

對(duì)某些實(shí)驗(yàn)而言，需要將這3種材料組合以獲得所需的微流控芯片特性。每種材料都有其特定的化學(xué)和物理特性，材料的選擇取決于：

* 應(yīng)用的需求和條件

* 溶劑類(lèi)型、樣本、緩沖液及其極性

* 設(shè)計(jì)

* 預(yù)算

通常，出于研究目的，所使用的材料會(huì)優(yōu)先考慮裝置的多功能性和性能，而在商業(yè)化過(guò)程中，生產(chǎn)成本、可靠性和易用性則高于一切。

為何選擇硅基微流控芯片？

第一種應(yīng)用于微流控芯片的材料是硅，雖然它很快被玻璃和聚合物取代。硅首先被選中是因?yàn)椋?/p>

* 它對(duì)有機(jī)溶劑的耐受性

* 容易金屬沉積

* 優(yōu)越的導(dǎo)熱性

* 表面穩(wěn)定性

然而，硅基微流控芯片由于其硬度而不易處理，因此難以生成如微閥或微泵等有源微流控部件。另一個(gè)缺點(diǎn)是當(dāng)進(jìn)行光學(xué)檢測(cè)時(shí)，硅展現(xiàn)出明顯的不透光性。

此外，由于相比其他材料更高的價(jià)格，硅基微流控芯片并未廣泛應(yīng)用于微流控研究領(lǐng)域。

為何選擇玻璃微流控芯片？

在最初將焦點(diǎn)放在硅材料之后，玻璃成為構(gòu)建微流控芯片的材料選擇。玻璃是一種非晶材料，光學(xué)透明且電絕緣性能好。該材料通常用標(biāo)準(zhǔn)光刻或濕法/干法刻蝕進(jìn)行處理。除非采用特殊的刻蝕技術(shù)，否則刻蝕的玻璃通道將擁有圓形側(cè)壁。

玻璃與硅都具有上述提到的在微流控實(shí)驗(yàn)中的優(yōu)點(diǎn)。但是，玻璃也有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)：

* 明確的表面化學(xué)性質(zhì)

* 卓越的透光性

* 優(yōu)越的耐高壓性

* 生物相容性

* 化學(xué)惰性

* 允許高效涂層

* 玻璃與大多數(shù)生物樣品相兼容

玻璃微流控芯片不透氣，并且具有相對(duì)低的非特異性吸附。因此它與生物樣品相兼容，但是不能用于長(zhǎng)期細(xì)胞培養(yǎng)。

玻璃微流控芯片的一大主要應(yīng)用是毛細(xì)管電泳（capillaryElectrophoresis,CE）。這種更便宜的方法比標(biāo)準(zhǔn)毛細(xì)管電泳更方便，因?yàn)樗菀讏?zhí)行并行分析，它還可以通過(guò)直接利用電滲透流提供無(wú)閥注射，在幾分鐘內(nèi)分離分析物。

其他典型應(yīng)用包括片上反應(yīng)液滴形成、溶液萃取和原位制造。

上述優(yōu)點(diǎn)使其成為許多應(yīng)用的首選材料。這種材料的主要障礙仍是其硬度和相對(duì)較高的成本，即使價(jià)格已經(jīng)大幅下降。以上限制因素是開(kāi)發(fā)可替代低成本芯片材料的根源，最終目的是可以更容易地進(jìn)行制造并與更廣泛的生物應(yīng)用相兼容。

為何選擇聚合物微流控芯片？

聚合物基微流控芯片的引入比硅/玻璃微流控芯片晚幾年。在選擇具有特定性質(zhì)的合適材料方面，各種各樣的聚合物提供了較大的靈活性。

與玻璃和硅相比，聚合物是有吸引力的替代品，因?yàn)樗鼈円子讷@取、更便宜、更堅(jiān)固并且需要更快的制造工藝。許多聚合物都可用于構(gòu)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）

* 環(huán)烯烴共聚物（Cyclic Olefin Copolymer, COC）

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

* 聚二甲基硅氧烷（Polydimethylsiloxane, PDMS）

PDMS是快速制造微流控裝置原型的首選材料。PDMS芯片通常用于實(shí)驗(yàn)室，尤其是學(xué)術(shù)界，因其低成本且易于制造。PDMS微流控芯片的主要優(yōu)點(diǎn)包括：

* 氧氣和氣體滲透性，在細(xì)胞研究和長(zhǎng)期實(shí)驗(yàn)中，有利于氧氣和二氧化碳的輸送

* 透光性

* 彈性

* 魯棒性

* 無(wú)毒性

* 生物適應(yīng)性

* 可以通過(guò)多層堆疊創(chuàng)建復(fù)雜的微流控設(shè)計(jì)

* 成本相對(duì)較低

PDMS芯片的主要缺點(diǎn)之一是其疏水性。因此，將水溶液引入微通道存在困難，并且疏水分析物會(huì)被吸附在PDMS芯片表面，從而干擾分析?，F(xiàn)在有PDMS表面改性用于避免由疏水性引起的問(wèn)題。PDMS芯片的另一個(gè)主要問(wèn)題是它們不適用于高壓操作，因?yàn)楦邏簳?huì)改變通道幾何形狀并容易發(fā)生泄露。氣體通過(guò)PDMS芯片會(huì)形成氣泡也是一個(gè)問(wèn)題。

PDMS是目前最常用的微流控芯片材料。

選擇一款微流控芯片所需注意的關(guān)鍵信息

* 透明材料有利于光學(xué)觀察/分析

* 材料必須具有生物相容性，適用于生命科學(xué)應(yīng)用

* 大多數(shù)芯片需要表面處理以使其表面特性適應(yīng)應(yīng)用，并限制非特異性吸附

如何選擇制造微流控芯片的正確材料：結(jié)論

自推出以來(lái)，微流控技術(shù)不斷發(fā)展，并不斷擴(kuò)展其應(yīng)用領(lǐng)域。生物和醫(yī)學(xué)應(yīng)用是當(dāng)前微流控研究的主要領(lǐng)域。在材料和功能方面，雖然玻璃和硅具有重要用途，但是聚合物材料已經(jīng)成為該領(lǐng)域的首選材料。如上所屬，每種材料有其各自的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。盡管PDMS仍然是更常用的微流控基材，呈現(xiàn)出有趣特性的新材料和復(fù)合材料也正在被創(chuàng)造，以使其更適用于大規(guī)模生產(chǎn)，并具有更低的價(jià)格和更好的適應(yīng)性。