微流控器件制作与应用的研究进展

微流体是一个相对崭新的领域，它基于物理学、化学、生物学、流体动力学、微电子学和材料科学等学科融合发展而成。许多材料可以加工成微型芯片，其中包含微尺度范围内的通道和腔室。可以选择多种方法来制造具有所需尺寸和几何形状的平台。单独使用或是通过与其他设备结合使用，微流控芯片可用于纳米颗粒制备、药物封装、细胞分析和细胞培养等。本文从制造技术的角度介绍了微流控技术，同时介绍了这些设备的生物医学应用。

微流体的含义是“使用尺寸为数十到数百微米的通道来处理或操纵少量流体的系统科学和技术”[1] [2]。微流体是基于其他领域(例如化学、物理学、生物学、材料科学、流体动力学和微电子学)的技术和原理融合发展而来的[3]。

微流控技术于1990 年首次出现， 从此经历了数次的更新迭代并成为具有巨大发展潜力的强大工具[4] [5] [6] [7] [8]。这种小型化的微型设备是进行反应、分离或检测各种化合物等操作的有用仪器[9]。微流控芯片可以由多种材料制造，采用多种制造方法[10]。文献中已经提出许多制造技术并在实践中实现了[11]，这使得微流体领域潜力激增，为学术和工业部门带来了新的视角[12]。本综述旨在从芯片制造的方法类型以及所制成器件的主要应用方面描述微流控技术。

2. 微流控器件的制造技术 制造微流体装置的材料选择很多。这些材料中的每一种都具有不同的特性，因此，制造方法必须适应所涉及材料的特性。选择制造技术的另一个重要方面是成本，尤其是对于一次性的芯片，所选择的方法必须在经济上可行。根据所涉及过程来划分制造方法，一般可分为化学、机械、激光和三维打印[9]。

2.1. 化学工艺 长期以来， 化学制造工艺一直用于制造玻璃和硅上的微流体通道[11]。

最常用的化学技术是湿法和干法蚀刻以及电化学放电加工。

湿法蚀刻的优点是蚀刻速度快，且能同时处理大量晶圆。该技术需要强化学物质来去除材料，通常选择的蚀刻剂是氢氟酸[13] [14]。然而高腐蚀性蚀刻剂具有重大的安全和环境危害[15]。另一个缺点是蚀刻通道的各向同性轮廓。

相比之下，干法蚀刻技术克服了一些湿法蚀刻制造中的挑战。由于离子轰击的方向性，此类方法允许创建各向异性、精确的微尺度通道轮廓。干法蚀刻一般较多用于透明基板，因为与湿法蚀刻相比，干法蚀刻速度要慢得多，并且相对于掩模的选择性较差[13]。

电化学放电加工是一种非常规的制造工艺，它在工具表面使用电化学产生的火花。通过在浸入电解质中的两个电极之间施加电压来产生火花。火花的高温可以通过热或化学方式去除不需要的材料。该工艺可应用于非导电材料，例如陶瓷和玻璃。

2.2. 机械工艺 微机械加工是制造微流控器件最早的方法之一。机械工艺需保持良好的尺寸精度和表面粗糙度。该技术适用于处理硅、玻璃、聚合物等。