生物芯片微流道的微細(xì)加工工藝

江樹(shù)鎮(zhèn)，郭鐘寧，鄭文書(shū)，黃紅光

（廣東工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，廣東廣州510006）

生物芯片微流道的微細(xì)加工工藝

江樹(shù)鎮(zhèn)，郭鐘寧，鄭文書(shū)，黃紅光

（廣東工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，廣東廣州510006）

在生物芯片發(fā)展初期，其基底材料主要是玻璃，這是由于其加工方法是從半導(dǎo)體工業(yè)轉(zhuǎn)移而來(lái)和玻璃材料的表面特性決定的。隨著大批量、低成本的需求，基底材料轉(zhuǎn)向聚合物材料，其加工方法也相應(yīng)地發(fā)生轉(zhuǎn)變。通過(guò)對(duì)比，介紹了生物芯片微流道微細(xì)加工的幾種不同方法的原理及特點(diǎn)。

微細(xì)加工；微流道；刻蝕；微成形

生物芯片（或芯片實(shí)驗(yàn)室）是集成電路芯片技術(shù)在生物化學(xué)領(lǐng)域的延伸和推廣，是生物化學(xué)分析與實(shí)驗(yàn)的微型化。傳統(tǒng)的生物或化學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置是燒杯、燒瓶與連通管的組合，還包括注液、輸液與檢測(cè)系統(tǒng)；而生物芯片將這些系統(tǒng)都微縮到一個(gè)幾厘米或十幾厘米大小的平面基底上[1]。使用生物芯片的好處有：減少制造、使用和處理的費(fèi)用；減少分析時(shí)間；減少試劑和分析物的使用量；減少有害產(chǎn)物的產(chǎn)量；增強(qiáng)便攜性；解決了有些研究在大尺度裝備中很難甚至無(wú)法進(jìn)行的問(wèn)題[2]。

生物芯片按結(jié)構(gòu)形式可分為微點(diǎn)陣芯片與微流體芯片兩大類(lèi)。微點(diǎn)陣芯片是大量規(guī)則排列的點(diǎn)陣；微流體芯片的結(jié)構(gòu)比微點(diǎn)陣芯片復(fù)雜得多，其最基本的組成部分是微流體通道。最早的微流體芯片是1979年報(bào)道的氣相色譜分析芯片[3]。

1 早期微流道加工工藝

微流體芯片的加工主要是微流體通道的加工。硅、玻璃或石英是微流體芯片的主要基底材料。硅的微加工技術(shù)最成熟，無(wú)論是化學(xué)濕法刻蝕還是反應(yīng)離子深刻蝕，都能用來(lái)制作微流體通道；采用硅材料的另一個(gè)重要原因是硅片能和玻璃通過(guò)陽(yáng)極鍵合形成非常好的密封結(jié)構(gòu)，這是保證微流體系統(tǒng)正常工作的首要條件。而玻璃密封的微流體加工相對(duì)于硅要困難得多，干法腐蝕的速率非常低，濕法腐蝕難以控制微流體通道的結(jié)構(gòu)尺寸。此外，玻璃與玻璃的密封也比玻璃與硅的密封困難得多。

1.1 硅的刻蝕技術(shù)

早期的微流道系統(tǒng)技術(shù)是從微電子產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移而來(lái)，經(jīng)各種曝光技術(shù)（如光學(xué)曝光、電子束曝光、聚焦離子束加工等）后得到光刻膠的微細(xì)圖形，然后通過(guò)刻蝕技術(shù)（如濕法刻蝕、干法刻蝕）將光刻膠圖形轉(zhuǎn)移到功能材料表面。

利用硅的各向異性腐蝕能刻蝕出垂直壁面，各向異性腐蝕必須使用堿性腐蝕液，其中最常用的為KOH。對(duì)微流體流道截面形狀無(wú)特殊要求，可采用各向同性腐蝕。酸性腐蝕液對(duì)硅的腐蝕是各向同性的，最常用的酸性腐蝕液是氫氟酸、硝酸與醋酸的

混合，通常稱(chēng)為HNA。在硅基底上加工微流道的一般流程見(jiàn)圖1[4]。

圖1 光刻和刻蝕工藝

1.2 玻璃的刻蝕技術(shù)

玻璃實(shí)質(zhì)上是一種非晶態(tài)二氧化硅，玻璃材料在微流體系統(tǒng)中有大量的應(yīng)用。在玻璃表面腐蝕微流體通道與硅的微加工在本質(zhì)上是一樣的，需經(jīng)過(guò)表面處理、涂光刻膠、光學(xué)曝光、顯影等工藝獲得所需的光刻膠圖形。微流體系統(tǒng)所用的玻璃材料一般為鈉鈣玻璃或耐熱玻璃，耐熱玻璃與硅有相近的熱膨脹系數(shù)，適于與硅片進(jìn)行陽(yáng)極鍵合封裝。

一種在鈉鈣玻璃上加工微流道的工藝流程見(jiàn)圖2[5]。其中，第4步是在超聲波浴中進(jìn)行緩沖氧化物刻蝕。由于微流道處的溶液不易流通，腐蝕溶液會(huì)很快飽和；當(dāng)溶解過(guò)程具有氣態(tài)的反應(yīng)生成物時(shí)，還會(huì)出現(xiàn)氣泡。增加超聲有利于更新蝕刻位置的溶液，減小氣泡的附著力，從而帶走氣泡。BOE的作用是使腐蝕溶液在長(zhǎng)時(shí)間的使用中保持其最大的腐蝕能力；此外，還能降低光刻膠的腐蝕速度[4]。最后一步通過(guò)鍵合，把基板和蓋板封裝起來(lái)。在該過(guò)程中，使用粘接劑或中間層可能堵塞流道、吸收試劑或改變液體的流動(dòng)模式，這種情況應(yīng)該避免[6]。

圖2 鈉鈣玻璃基底上的微流道芯片快速成形簡(jiǎn)化加工過(guò)程

雖然直接使用硅和玻璃等材料進(jìn)行微流體芯片制造的技術(shù)成熟，但還有以下缺點(diǎn)：① 硅材料不透明，不能應(yīng)用于光學(xué)檢測(cè)系統(tǒng)；② 玻璃材料雖然透明，但為非晶體材料，難以蝕刻出垂直壁面；③ 雖然硅和玻璃都能實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)，但兩種材料的密封需在無(wú)塵環(huán)境中進(jìn)行，且需要高的電壓或溫度；④價(jià)格昂貴、加工費(fèi)時(shí)。

2 近期微流道加工工藝

隨著生物芯片技術(shù)的發(fā)展，要求有更低成本、更易處理的材料及大批量生產(chǎn)技術(shù)或快速成形技術(shù)的出現(xiàn)。目前，對(duì)芯片材料的研究主要集中在高分子聚合物，如熱塑性的poly methyl methacrylate （PMMA）聚甲基丙烯酸甲酯（俗稱(chēng)有機(jī)玻璃）、具有彈性的poly dimethylsiloxane（PDMS）聚二甲基硅氧烷（俗稱(chēng)有機(jī)硅）及光敏環(huán)氧樹(shù)脂SU-8光刻膠[7]。

新的微流體設(shè)備的制作方法大致可分為直寫(xiě)技術(shù)和復(fù)制技術(shù)兩大類(lèi)[8]。直寫(xiě)技術(shù)包括激光燒蝕、激光切削、立體光刻及光敏聚合物的光刻等，主要用于實(shí)驗(yàn)室單個(gè)設(shè)備分別的制作；復(fù)制技術(shù)包括熱壓、微注塑及微澆鑄等，主要用于工業(yè)大批量設(shè)備的生產(chǎn)。此外，對(duì)于機(jī)械微加工手段，有用于聚合物加工的微銑及用于玻璃加工的噴粉加工。

2.1 塑料微成形技術(shù)

在微系統(tǒng)器件中最適于采用高分子材料作為基礎(chǔ)材料的是微流體系統(tǒng)，包括生物與化學(xué)分析系統(tǒng)，如芯片實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)。在微成形技術(shù)中通常采用的技術(shù)包括熱壓成形、微注塑成形和澆鑄成形[1]。

2.1.1 熱壓成形

熱壓成形的工藝流程為：首先，將模板與放置有高分子材料的基板同時(shí)在真空中加熱到大于高分子材料的玻璃化溫度；然后，將模板壓在加熱軟化的高分子材料上，在壓力沒(méi)有撤走前開(kāi)始降溫，當(dāng)溫度降到玻璃化溫度以下后，拉開(kāi)模板，于是在高分子材料表面就形成了浮雕結(jié)構(gòu)。在真空環(huán)境下進(jìn)行加溫和壓印是為了防止模板空腔的氣體無(wú)法逃逸而在模壓材料中形成氣泡。在整個(gè)模壓過(guò)程中，脫模是最重要的環(huán)節(jié)。熱壓模板的制作一般通過(guò)硅的反應(yīng)離子深刻蝕或LIGA技術(shù)得到電鑄金屬鎳結(jié)構(gòu)。

2.1.2 微注塑成形

注塑是一種傳統(tǒng)工業(yè)技術(shù)。在微注塑中，有很多問(wèn)題需要注意。為了保證塑料均勻填充至所有腔體角落，微注塑需要比傳統(tǒng)注塑更高的溫度和壓力；脫模過(guò)程中，注塑件結(jié)構(gòu)或表面極易受損，需將冷卻系統(tǒng)集成到脫模夾具中，以保證快速冷卻；由于沒(méi)有出氣孔，還必須將模具抽真空。

因此，制作微小塑料注塑制品不是簡(jiǎn)單地減小模具尺寸，而必須有專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的注塑機(jī)。微注塑的模具必須是金屬材料，因?yàn)楣璨牧媳旧淼囊姿樾裕贿m于承受注塑機(jī)的機(jī)械沖擊振動(dòng)。普遍的加工方法是電火花微細(xì)加工；如果構(gòu)件尺寸在毫米量級(jí)以上，機(jī)械精細(xì)加工也可勝任。更小尺寸的模具則必須采用曝光形成光刻膠模，然后通過(guò)電鑄形成金屬結(jié)構(gòu)，如LIGA技術(shù)[1]。

微注塑用于可重復(fù)制作的塑料微流體流道，使用材料一般是PMMA和PC。能影響微米級(jí)特征的變量包括注塑溫度和脫模后的松弛效應(yīng)。通過(guò)調(diào)整加工時(shí)間和溫度，注塑機(jī)能很精確地將微流體芯片制作出來(lái)[9]。

2.1.3 澆鑄成形

用于電泳分離的PDMS芯片通過(guò)微澆鑄能很容易地制作出來(lái)，其制作流程見(jiàn)圖3[10]。首先，在硅或其他平面基底材料上用光刻方法制作出微結(jié)構(gòu)浮雕圖形作為模板，在模板上預(yù)先涂覆一次防粘劑；然后，將PDMS與固化劑混合（10：1）并傾注于浮雕圖形表面，在PDMS未固化前放置于真空中除氣，以防止氣泡產(chǎn)生；最后，在60℃的熱板或烘箱中放置約1 h左右進(jìn)行固化，固化后的PDMS能輕易地從模板表面剝離。此時(shí)，PDMS已印有模板上的圖案，且柔軟、具有彈性。將印有模板圖案的PDMS片貼到另一塊玻璃片上，就得到了氣密性極好的微流體通道結(jié)構(gòu)。如果在玻璃基片上制作有電極，則該微流體系統(tǒng)可用來(lái)進(jìn)行生物化學(xué)反應(yīng)、分離或檢測(cè)，成為名副其實(shí)的芯片實(shí)驗(yàn)室。

圖3 微流道澆鑄工藝過(guò)程

用于微流道制作的澆鑄成形工藝，包括模板的制作在許多文獻(xiàn)中被稱(chēng)為軟光刻[2，9，11，12]。PDMS能重復(fù)制作亞微米級(jí)以下的微細(xì)結(jié)構(gòu)特征，能通過(guò)上述簡(jiǎn)單的模鑄工藝得到表面質(zhì)量良好的微結(jié)構(gòu)。PDMS被大量用來(lái)制作各種微流體器件與系統(tǒng)，進(jìn)行各種生物化學(xué)表面的研究，這主要是因?yàn)樗幸韵嘛@著特點(diǎn)[1]：① 制作工藝簡(jiǎn)單快捷，可大量低成本地重復(fù)制作；模板可重復(fù)利用，而其本身可以直接是光刻膠圖案，如SU-8膠形成的圖案；② 固化的PDMS片能粘到任何光滑平整的表面，依靠接觸界面的分子力形成良好的密封；③未進(jìn)行表面氧化處理的PDMS呈疏水性，不適于水溶性流體，經(jīng)表面氧化處理后，表面親水性能大大改善；且只有經(jīng)過(guò)表面氧化處理后的PDMS微流體通道才能適于電滲流；④固化后的PDMS有極好的透明度，對(duì)＞230 nm波長(zhǎng)的入射光幾乎沒(méi)有衰減，且自激發(fā)熒光效應(yīng)很低；大部分生物分子包括DNA是靠激光激發(fā)熒光效應(yīng)來(lái)檢測(cè)的。因此，由PDMS構(gòu)成的生物芯片可直接通過(guò)激光檢測(cè)微流道中的反應(yīng)及生成物。

上述特點(diǎn)中，PDMS的自發(fā)粘接是十分重要的性能[2，9，10，13]。通常，微流體器件能通過(guò)復(fù)雜的鍵合工藝得到密封的微流道或容器，如玻璃基底的熔化膠合、玻璃與硅的陽(yáng)極鍵合。但對(duì)于PDMS材料，只需把芯片貼到平面基底就能把微結(jié)構(gòu)密封。這種鍵合是可逆的，可通過(guò)更換或清洗芯片和基底來(lái)避免交叉污染。PDMS的永久密封可通過(guò)其表面的等離子體氧化工藝，再粘貼到基底材料[14]?；撞牧霞饶苁荘DMS本身，也能是玻璃、硅或其他高分子材料。

2.2 直寫(xiě)技術(shù)

雖然熱壓、注塑和澆鑄在批量生產(chǎn)中很有優(yōu)勢(shì)，但這些工藝都需要模板，所以不適于快速成形。對(duì)于有機(jī)物的快速成形，最常用的方法是微銑，且已應(yīng)用于工業(yè)界。由于激光加工技術(shù)的發(fā)展，尤其是納秒激光加工的應(yīng)用，利用激光能量加工微流道也已成為一種不可或缺的方法。此外，還有相當(dāng)成熟的噴粉加工技術(shù)的應(yīng)用[15]。

2.2.1 微銑加工技術(shù)

利用微銑加工方法可加工出較復(fù)雜的截面形狀。加工后的微流道可直接封裝成為微流道芯片，或作為塑料成形的模板。但微銑加工的缺點(diǎn)是受制于刀具尺寸，且分辨率較低，目前約為100 μm。

Wilson等[11]結(jié)合微銑及軟光刻的方法加工出具有圓形截面的微流道。首先，利用微銑刀在平面金屬板上加工出半圓形的流道作為模板；然后，將微銑圖形通過(guò)兩次反向模鑄工藝轉(zhuǎn)換到PDMS材料上；最后，利用這些半圓形的PDMS微流道，通過(guò)對(duì)齊和鍵合制作出具有圓形截面的微流道。其加工過(guò)程見(jiàn)圖4。

圖4 微銑與澆鑄復(fù)合加工過(guò)程示意圖

利用上述方法可加工出直線(xiàn)或曲折的流道，加工結(jié)果見(jiàn)圖5。其中，A、D分別為銅和鋁模板；B、E為正型硅樹(shù)脂橡膠模；C、F為負(fù)型PDMS模。

圖5 復(fù)合加工產(chǎn)品

2.2.2 激光燒蝕

激光微細(xì)加工[4]是微納加工技術(shù)中發(fā)展很快的一個(gè)新的分支，被普遍認(rèn)為是現(xiàn)代微細(xì)加工的強(qiáng)有力的工具之一。其中，一種廣泛應(yīng)用于微納加工技術(shù)的激光源是飛秒激光器。其獨(dú)特的高峰值功率特征使它實(shí)際上可去除任何物質(zhì)；熱量在極短的持續(xù)時(shí)間范圍內(nèi)來(lái)不及傳遞開(kāi)，使加熱和加工區(qū)被限制在很小的范圍，沒(méi)有熱擴(kuò)散的作用；沒(méi)有激光照射的部分不會(huì)被加熱和熱污染損傷。激光燒蝕的實(shí)際過(guò)程很復(fù)雜，有相當(dāng)多的物理、化學(xué)過(guò)程在起作用。

飛秒激光器加工時(shí)，由于其光強(qiáng)度特別高，光與物質(zhì)作用和伴隨的能量轉(zhuǎn)移具有多光子作用的特點(diǎn)。聚焦激光束的束斑光強(qiáng)空間分布通常接近于“高斯”分布的形式。飛秒加工的范圍限于聚焦光斑中心附近，具有很高的進(jìn)入納米領(lǐng)域的高分辨率和高精度。Eaton等[7]全面介紹了聚合物材料的飛秒激光加工技術(shù)，著重強(qiáng)調(diào)了其在Lab-on-a-chip中的應(yīng)用；還指出由于飛秒激光和聚合物的非線(xiàn)性交互作用，激光誘導(dǎo)修正定位于極小區(qū)域，使得在三維區(qū)域中獲得高分辨率。飛秒激光加工技術(shù)可通過(guò)激光燒蝕和掩埋型光波導(dǎo)加工表面微流道和衍射光學(xué)零件，還可通過(guò)雙光子聚合技術(shù)加工光刻膠中的三維復(fù)雜結(jié)構(gòu)。

超短脈沖飛秒激光脈沖通過(guò)非線(xiàn)性多光子吸收傳遞到樣品表面，激光脈沖和聚合物的非線(xiàn)性交互作用得到LoC器件激光加工的兩個(gè)重要結(jié)論：①由于脈沖持續(xù)時(shí)間（～100 fs）比電子-光子耦合時(shí)間（～10 ps）短，因此產(chǎn)生最小的熱損傷，使精密燒蝕的微流道具有最小的熱影響區(qū)；②通過(guò)聚合物中激光束的聚焦，非線(xiàn)性交互作用被約束在局部區(qū)域中，通過(guò)合理曝光參數(shù)的選擇可使反射率增加，可用來(lái)開(kāi)發(fā)光波導(dǎo)直寫(xiě)。

此外，飛秒激光燒蝕適用于聚合物中低表面粗糙度值的微流道制作，且某些物質(zhì)（如PMMA）在飛秒激光燒蝕后由親水性變成疏水性。激光誘導(dǎo)的疏水性主要是因?yàn)楸砻嫘螒B(tài)改性及不改變表面化學(xué)性質(zhì)。飛秒激光燒蝕導(dǎo)致的亞微米孔困住了表面和水之間的空氣，導(dǎo)致激光燒蝕后疏水性的增強(qiáng)。

3 結(jié)語(yǔ)

本文圍繞加工材料的發(fā)展對(duì)加工方法進(jìn)行論述，對(duì)各種方法的適用場(chǎng)合和優(yōu)劣進(jìn)行比較。此外，還有多種可用于微流道的制作方法，如SACE技術(shù)[16-17]和Rolling[18]方法等。生物芯片的應(yīng)用在當(dāng)前生物科技的發(fā)展中越來(lái)越重要，而在生物芯片的制作中，微納加工技術(shù)扮演著極其關(guān)鍵的角色。一系列的加工技術(shù)和材料都可用來(lái)制作生物芯片微流體系統(tǒng)。材料從早期的硅和玻璃發(fā)展到當(dāng)前主流的聚合物材料，加工方法也隨著材料的轉(zhuǎn)變發(fā)生了變化。隨著探索的進(jìn)行，還會(huì)有更多的方法應(yīng)用于生物芯片的制作，這些方法將是更高效和經(jīng)濟(jì)的。

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The Micro Machining Processes of Microchannels on Biochips

Jiang Shuzhen,Guo Zhongning,Zheng Wenshu,Huang Hongguang
（Guangdong University of Technology，510006，China）

In the initial development of biochips，the mainly substrate material was glass due to its machining methods was derived from the semiconductor industrial and its surface property.With the requirement of mass production and lower cost，the substrate materials turned to polymers and its machining methods changed correspondingly.By comparing，the principles and characteristics of several typical methods used in the micro machining of biochip microchannels was introduced.

micro machining；micro channel；etching；micro molding

TG662

A

1009－279X（2014）03－0066-05

2013-12-30

國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)資助項(xiàng)目（U1134003）第一作者簡(jiǎn)介：江樹(shù)鎮(zhèn)，男，1988年生，碩士研究生。