何謂微流控芯片？

微流控芯片是用于微流控研究的裝置，其中的微通道已經被模塑或圖案化。形成微流控芯片的微通道被連接起來以允許流體流過不同的通道，從一個地方流到另一個地方。這些微流道網絡通過進口和出口連接到外部環境。通過被動方式或外部有源系統（壓力控制器、注射泵或蠕動泵）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徑，通常在5~500μm范圍內，并且它們的微流道網絡必須專門為想要執行的應用或分析而設計（如細胞培養、器官芯片、DNA分析、芯片實驗室、液滴微流控等）。因此，微流控芯片允許在單個微尺寸裝置中集成通常需要在整個實驗室中進行的若干功能。

包括微流控芯片在內的微流控裝置擁有諸多優點：

* 減少樣品和試劑消耗量

* 提高自動化能力

* 縮短分析時間

該裝置的應用領域非常廣泛，例如醫學、生物學、化學和物理學。

用于制造微流控芯片的材料起著至關重要的作用，并且還應當具有應用所需要的某些特性。

用于微流控裝置的材料

將對微流控裝置中最常見的材料進行簡要回顧。

通常使用3種類型的材料來制造微流控芯片：

硅和玻璃是最早用于微流控應用的原始材料，然而隨著時間的推移和新技術的進步，包括聚合物基材、復合材料或紙也開始進入使用。

對某些實驗而言，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和物理特性，材料的選擇取決于：

* 應用的需求和條件

* 溶劑類型、樣本、緩沖液及其極性

* 設計

* 預算

通常，出于研究目的，所使用的材料會優先考慮裝置的多功能性和性能，而在商業化過程中，生產成本、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。硅首先被選中是因為：

* 它對有機溶劑的耐受性

* 容易金屬沉積

* 優越的導熱性

* 表面穩定性

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。另一個缺點是當進行光學檢測時，硅展現出明顯的不透光性。

此外，由于相比其他材料更高的價格，硅基微流控芯片并未廣泛應用于微流控研究領域。

為何選擇玻璃微流控芯片？

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

玻璃與硅都具有上述提到的在微流控實驗中的優點。但是，玻璃也有其獨特的優勢：

* 明確的表面化學性質

* 卓越的透光性

* 優越的耐高壓性

* 生物相容性

* 化學惰性

* 允許高效涂層

* 玻璃與大多數生物樣品相兼容

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

玻璃微流控芯片的一大主要應用是毛細管電泳（capillaryElectrophoresis,CE）。這種更便宜的方法比標準毛細管電泳更方便，因為它更容易執行并行分析，它還可以通過直接利用電滲透流提供無閥注射，在幾分鐘內分離分析物。

其他典型應用包括片上反應液滴形成、溶液萃取和原位制造。

上述優點使其成為許多應用的首選材料。這種材料的主要障礙仍是其硬度和相對較高的成本，即使價格已經大幅下降。以上限制因素是開發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行制造并與更廣泛的生物應用相兼容。

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，因為它們易于獲取、更便宜、更堅固并且需要更快的制造工藝。許多聚合物都可用于構建微流控芯片：

* 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芯片通常用于實驗室，尤其是學術界。PDMS微流控芯片的主要優點包括：

* 氧氣和氣體滲透性，在細胞研究和長期實驗中，有利于氧氣和二氧化碳的輸送

* 透光性

* 彈性

* 魯棒性

* 無毒性

* 生物適應性

* 可以通過多層堆疊創建復雜的微流控設計

* 成本相對較低

PDMS芯片的主要缺點之一是其疏水性。因此，將水溶液引入微通道存在困難，并且疏水分析物會被吸附在PDMS芯片表面，從而干擾分析。現在有PDMS表面改性用于避免由疏水性引起的問題。PDMS芯片的另一個主要問題是它們不適用于高壓操作，因為高壓會改變通道幾何形狀并容易發生泄露。但PDMS是目前最常用的微流控芯片材料之一。

選擇一款微流控芯片所需注意的關鍵信息

* 透明材料有利于光學觀察/分析

* 材料必須具有生物相容性，適用于生命科學應用

* 大多數芯片需要表面處理以使其表面特性適應應用，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：結論

自推出以來，微流控技術不斷發展，并不斷擴展其應用領域。生物和醫學應用是當前微流控研究的主要領域。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成為該領域的首選材料。如上所屬，每種材料有其各自的優點和缺點。盡管PDMS仍然是更常用的微流控基材，呈現出有趣特性的新材料和復合材料也正在被創造，以使其更適用于大規模生產，并具有更低的價格和更好的適應性。

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