Введение в микрофлюидные чипы丨Общие материалы и методы подготовки и обработки

Каталог

Что такое микрофлюидический чип?

Микрофлюидический чип, также известный как Lab-on-a Chip (LOC), - это чип, позволяющий точно манипулировать минутными объемами жидкости в микротрубках микронного масштаба для выполнения различных функций в обычных физических, химических или биологических экспериментах на чипе микронного масштаба.Микрофлюидные чипы стали мощным инструментом для изучения биологических систем с разрешением одной клетки. В то же время микрофлюидные чипы широко используются не только для манипулирования генерацией микрокапель, микрофлюидного диффузионного просеивания и обнаружения белок-лигандных взаимодействий, но и для реализации молекулярных анализов в биохимии.
 
Микро-нано-флюидический чип предлагает множество преимуществ, таких какВысокая степень автоматизации, высокая эффективность, высокая пропускная способность, миниатюрность, низкая стоимость и ультранизкое потребление реагентовВ частности, он способен манипулировать микро- и наножидкостями с точностью до нанолитра (нл) и даже фемтолитра (фл), и поэтому имеет большой потенциал для исследований во многих междисциплинарных областях, таких как биология, медицина, физика и химия.

История развития микрофлюидных чипов

Технология микрофлюидных чипов зародилась в 1990-х годах, когда Манц и др. успешно использовали технологию микрофлюидных чипов для проведения электрофоретического разделения клеток in vitro, выполнив важную функцию капиллярных эквивалентов и предсказав большой потенциал микрофлюидных чипов в области анализа.
В 1995 году Министерство обороны США предложило портативный индивидуальный набор для биохимического самотестирования солдат, что вызвало большой международный интерес к микрофлюидным чипам. С тех пор все больше экспертов и ученых приходят к выводу, что микрофлюидные чипы могут стать отличной платформой для аналитической химии, и называют их "миниатюрными системами тотального анализа" (μTAS).
 
В 2000 году Макдональд и др. из Гарвардского университета впервые предложили метод мягкой литографии на основе PDMS (полидиметилсилоксана) в качестве технологической подложки, что значительно упростило обработку микрофлюидных чипов и внесло большой вклад в быстрое развитие микрофлюидной обработки чипов. В том же году Квейк и др. опубликовали в журнале Science работу под названием "Microfluidic Large-Scale Integration", в которой тысячи управляющих клапанов и сотни реакторов были объединены на одном чипе, а технология микроклапанов и микронасосов использовалась для точного управления микрофлюидным потоком. Работа под названием "Microfluidic Large-Scale Integration" была опубликована в журнале "Microfluidic Large-Scale Integration".
 
В 2006 году Доу и др. опубликовали в журнале Nature доклад под названием "Лаборатория на чипе", в котором проанализировали и описали разработку и применение микро- и наночипов для управления потоками с нескольких точек зрения и назвали LOC одной из "семи технологий века". В ней также приводится список LOC как одной из "семи технологий века". К настоящему времени стратегическое значение "Лаборатории на кристалле" признано как академическими, так и промышленными кругами на более высоком уровне и в более широком масштабе.
По мере уменьшения размера канала на микро-нанофлюидном чипе от микронного (мкм) до нанометрового (нм) масштаба, силы Ван-дер-Ваальса, электростатические силы и капиллярные силы внутри канала постепенно становятся доминирующими в действии на жидкость. Сочетание этих сил приводит к физическим явлениям, которые отличаются от макромасштабных и микронных жидкостей, таким как теплопередача на границе раздела фаз и значительное увеличение поверхностных сил, что стимулировало большой интерес к нанофлюидным чипам.

Какие материалы обычно используются в микрофлюидных чипах?

Материалы, используемые при производстве микрофлюидных чипов, можно разделить на три основные категории:Неорганические материалы, полимеры и бумага.
 
Неорганические материалы:Кремний, стекло, керамика
Полимеры:Эластомеры [полидиметилсилоксан (PDMS), термореактивный полиэстер (TPE) микрофлюидные чипы],
Термопластичные полимеры [полистирол (PS))Поликарбонат (ПК), полиметилметакрилат (ПММА), полиэтиленгликоль диакрилат (ПЭГДА) ), Перфторированные соединения(ThePFEP / PFA / PFPE)Полиуретан (ПУ))】

Метод подготовки и обработки микрофлюидных чипов

Наиболее распространенными методами обработки для подготовки микрофлюидных чипов являются:
① Трафаретная печать  ② Струйная печать  ③ Ультрафиолетовая (УФ) литография  ④ Электронно-лучевая литография (EBL) ⑤ Запись протонного пучка (PBW)(vi) Технология фемтосекундного лазерного двухфотонного прямого письма
 
① Трафаретная печать:Как традиционная технология печати, она отличается низкой стоимостью и простотой, в основном используется в производстве печатных плат, медицинских приборов, одежды и других областях. С развитием микрофлюидных технологий трафаретная печать постепенно используется для подготовки микрофлюидных чипов, чтобы контролировать их стоимость и адаптировать к промышленному производству. Требования к оборудованию для трафаретной печати невысоки, что значительно снижает стоимость производства микрофлюидных чипов, а этапы обработки немногочисленны и повторяемы, что благоприятствует промышленному массовому производству микрофлюидных чипов.
 
②Струйная печать:Преимущества струйной технологии включают высокую скорость, автоматизацию, низкую стоимость и экологичность, а также возможность распыления капель чернил непосредственно на печатную плату для точного нанесения схемы.
 
③ Ультрафиолетовая литография:Источники ультрафиолетового света широко используются в высокоточной обработке благодаря короткой длине волны, высокой энергии фотонов и высокому разрешению обработки. В УФ-литографии материал поглощает УФ-фотон и переходит из основного состояния в возбужденное, чтобы инициировать последующую реакцию фотополимеризации или фотолиза. УФ-литография имеет следующие основные характеристики:
Малая площадь теплового воздействия: принцип обработки УФ-литографии представляет собой фотохимическую реакцию, при которой химические связи в обрабатываемом материале разрушаются при прямом облучении высокоэнергетическими УФ-фотонами, в результате чего площадь теплового воздействия очень мала или даже отсутствует;
Широкий спектр обрабатываемых материалов: высокая энергия фотонов УФ-источника позволяет обрабатывать материалы, которые не могут быть обработаны видимыми и инфракрасными лазерами;
Высокое разрешение: УФ источники света обычно могут достигать длины волны 395 нм, поэтому размер дифракционного предела меньше, чем в видимом диапазоне длин волн, что приводит к высокому разрешению. Оно может быть обработано с точностью 200 нм или менее, что позволяет получать точные микро- и наноструктуры.
Подход к УФ-литографии можно разделить на следующие видыОбработка ультрафиолетовой маскииПроцесс прямого написания ультрафиолетовых лучейДля процесса УФ-маски требуется маска фоторезиста. Для обработки УФ-маски требуется маска фоторезиста, а источник УФ-лазера является источником поверхностного света, в то время как для обработки прямой записи УФ-лазером не требуется маска фоторезиста.
 
④ Методы прямой записи электронным пучком и ⑤ протонным пучком: Прямая запись электронным пучком - это метод получения структур путем прямого воздействия высокоэнергетического электронного пучка на подложку, покрытую фоторезистом (фоторезистом). Уже в 1965 году были получены наноструктуры размером 100 нм с помощью прямой записи электронным пучком. Длина волны электронного пучка очень мала, 0,12 нм при ускоряющем напряжении системы 100 КВ, и согласно теории дифракционного предела Аббе, точность прямой записи электронным пучком может быть порядка нанометров.
Прямая запись наноструктур электронным пучком обладает многими преимуществами по сравнению с другими традиционными методами обработки наноструктур, такими как:Высокое разрешение, отсутствие маски, большая глубина фокуса и возможность прямой записи на произвольные наноструктуры с помощью компьютерного управления.Основным недостатком прямой записи электронным пучком является эффект взаимной близости из-за рассеяния в слоях подложки и фоторезиста, что может привести к неравномерной поглощенной дозе в зоне воздействия. Прямая запись плазмонным лучом - это метод нанофабрикации, при котором высокоэнергетический плазмонный луч фокусируется на фоторезисте для непосредственной обработки наноструктур. Проникающая способность плазмонного пучка сильнее, чем у электронного пучка, а угол пространственной дисперсии плазмонного пучка чрезвычайно мал, что позволяет получать наноструктуры с высоким аспектным отношением.
 
(vi) Технология двухфотонной прямой записи фемтосекундным лазером:Это метод обработки на основе лазерного источника света с более узкой шириной импульса и более высокой пиковой мощностью, чем другие традиционные методы обработки непрерывным лазером, часто взаимодействующим с материалом посредством нелинейных эффектов, и может достигать точности обработки менее ста нанометров и хороших возможностей 3D-обработки, что дает большие преимущества в области микро- и нанопроизводства. Фемтосекундный лазер достигает внутренней части материала образца с помощью объективной конвергенции, а поскольку материал взаимодействует с фемтосекундным лазером в режиме двух- или многофотонного поглощения, только центральная область лазерного фокуса подвергается взаимодействию света с веществом, что позволяет преодолеть оптический дифракционный предел и обеспечить высокоточную (разрешение <100 нм) обработку.

Мы предлагаемМикрофлюидные чипы / Наноимпринтинг / Услуги по проектированию обработки микро- и наноструктурне стесняйтесь оставлять комментарии.

Сопутствующие товары

Связанное чтение

Подробнее...