微流控芯片介绍丨常用材料及制备加工方法
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什么是微流控芯片？
微流控芯片（Microfluidics chip），又称芯片实验室（Lab-on-a Chip,LOC），是一种可以在微米尺度级微管中精确操控微量流体实现在微米尺度芯片上开展常规物理、化学或生物实验各种功能的芯片。微流控芯片已经成为在单细胞分辨率下研究生物系统的强大工具。同时，微流控芯片不仅可以广泛应用于操纵生成微滴，微流体扩散筛分和检测蛋白质与配体的相互作用,而且也可以用于实现生物化学中的分子测定。
微纳流控芯片具有很多优点，例如：高自动化程度、高效率、高通量、微型化、低成本以及超低的试剂消耗等，尤其在精确操控微纳流体方面对流体的操控精度能达到纳升（nL）乃至飞升（fL）精度，因此在生物、医学、物理、化学等学科的诸多交叉领域具有巨大的研究潜力。
微流控芯片发展历史
微流控芯片技术诞生于 20 世纪 90 年代，最早 Manz等人成功地利用微流控芯片技术进行了体外细胞电泳分离，实现了等同毛细血管的重要功能，预言了微流控芯片在分析领域中具有极大的发展潜力。
1995 年，美国国防部提出了手提式士兵个体生化自检装备项目，引发了国际社会对微流控芯片的极大关注。之后，越来越多的专家学者认为微流控芯片可以发展成为一种分析化学中所需要的极佳平台，并把它们命名为“微全分析系统”（Miniaturized Total Analysis Systems，μTAS）。
2000 年，哈佛大学的 Mcdonald等人首次提出基于 PDMS（聚二甲基硅氧烷）作为工艺基底的一种软光刻的工艺方法，大幅度简化了微流控芯片的加工工艺，极大促进了微流控芯片加工工艺的迅速发展。同年，Quake等人在 Science 上发表了题为“Microfluidic Large-Scale Integration”的论文，在一个芯片上集成了上千个控制阀和几百个反应器，并利用微阀微泵技术来精准控制微流体流动，掀起了广大科研工作者对于微纳流控芯片技术应用领域的广泛重视和关注。
2006 年，Daw等人在 Nature 杂志上发表了题为“Lab on a Chip”的报导，从多个视角去分析并阐述了微纳流控芯片的发展、应用，并将 LOC 列为“本世纪七大技术”之一。至此，芯片实验室所显示的战略意义，已在更高层面和更大范围内被学术和产业界所认同。
当微纳流控芯片上的通道尺寸由微米（µm）减小到纳米（nm）量级时，通道内部的范德瓦尔兹力、静电力、毛细力在对流体的作用中逐步占主导地位。在这些力共同作用之下会产生不同于宏观尺度以及微米流体的特点，例如：与界面有关传热、表面力大大增加等物理现象，这激发了人们对于纳米流控芯片的极大兴趣。
微流控芯片有哪些常用材料？
微流控芯片的制造材料可以分为三大类：无机材料、聚合物和纸。
无机材料：硅、玻璃、陶瓷
聚合物：弹性体【聚二甲基硅氧烷（PDMS）、热固性聚酯 (TPE) 微流控芯片】、
热塑性聚合物 【 聚苯乙烯（PS）、聚碳酸酯（PC）、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA） 、聚乙二醇二丙烯酸酯（PEGDA ）、全氟化合物（PFEP / PFA / PFPE）、聚氨酯 （PU）】
微流控芯片制备加工方法
较为常见的微流控芯片制备加工方法有：
① 丝网印刷 ② 喷墨打印 ③ 紫外光刻（Ultra-Violet，UV）技术 ④ 电子束直写（Electron Beam Lithograph，EBL） ⑤ 质子束直写（Proton Beam Writing，PBW）⑥ 飞秒激光双光子直写技术
①丝网印刷：作为传统的印刷技术成本低廉、工艺简单, 主要应用于电路板、医疗器械、服装等领域.随着微流控技术的发展，为控制其成本以适应工业化生产, 丝网印刷逐渐被应用于制备微流控芯片，丝网印刷技术的设备要求不高，因此大大降低了微流控芯片的制作成本，而且加工步骤少，可重复性高，有利于微流控芯片走向工业批量化生产。
②喷墨打印：一般应用于不同材料的精密组件喷印成型， 其优势在于高速度、自动化、低成本、环境友好度高等， 利用喷墨技术可直接将墨滴喷射到电路板上，从而精确绘制电路图。
③紫外光刻技术：紫外光源因为其具有较短的波长、高的光子能量、加工分辨率高等优势，在高精度加工领域得到了广泛的应用。在紫外光刻过程中，材料吸收一个紫外光子后，从基态跃迁到激发态从而引发后续的光聚合或光解反应。紫外光刻主要有以下特点：
热影响区域小：紫外光刻技术的加工原理是一种光化学反应的原理，通过高能量的紫外光子直接照射破坏加工材料中的化学键，因而其热影响区域非常小甚至是无热影响区域；
加工材料广泛：紫外光源光子能量高，因此可以加工一些可见光与红外激光无法加工的材料；
分辨率高：紫外光源的波长一般可以达到 395 nm，因此衍射极限尺寸比可见光波段小，因此分辨率高。它的加工精度可以达到 200 nm 以下，能够获得精密的微纳结构。
紫外光刻技术方式可以分为紫外掩模加工和紫外直写加工。紫外掩模加工需要光刻胶掩模板，紫外激光光源为面光源，而紫外直写加工则不需要光刻胶掩模板。
④电子束与⑤质子束直写技术： 电子束直写是通过高能电子束在涂覆有感光材料（光刻胶）的基板上直接曝光获得结构的加工技术，早在 1965 年就有使用电子束直写制作了 100 nm 的纳米结构的报道。电子束的波长非常短，在 100 KV 的加速电压系统下，电子波长为 0.12 nm。根据阿贝衍射极限理论，电子束直写的精度可以达到纳米数量级。
电子束直写纳米结构与其他传统纳米结构加工技术相比具有许多优势，例如：高分辨率、无掩膜、长焦深，并且还可以通过计算机控制直接写入任意纳米结构。电子束直写的主要缺点是由于衬底和光刻胶胶层中的散射会引起曝光区域的吸收剂量不均衡，从而引起的相互邻近效应。 质子束直写主要是通过将高能量的质子束聚焦照射到光刻胶内直接加工纳米结构的纳米加工技术。质子束的穿透能力强于电子束，并且质子束的空间发散角也极小，所以质子束直写可以制备得到高的真宽比的纳米结构。
⑥飞秒激光双光子直写技术：是一种基于激光光源的加工方式，与其他传统的连续激光加工技术相比，它的脉冲宽度更窄，峰值功率也更高，往往通过非线性效应与材料相作用，加工精度可以达到小于百纳米，且具备良好的 3D 加工能力，因此在微纳制造领域拥有巨大优势。飞秒激光通过物镜会聚的方式到达样品材料内部，由于材料与飞秒激光的作用方式为双光子或多光子吸收，因此只有激光焦点的中心区域会发生光与物质的相互作用，从而突破光学衍射极限，实现高精度（分辨率<100 nm）的加工。
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