微流控芯片常见材质及其性能

微流控芯片是基于微机电系统(micro electro mechanical system, MEMS)发展而来,通过微加工技术将微通道､微阀､微泵和微电极等不同功能的微型元器件集成在一起构成的微全分析系统｡

芯片材料作为微流控芯片的载体,决定了芯片的加工难度､精度､功能以及成本｡选择芯片材料时一般要考虑其化学和生物兼容性､电绝缘性､散热性､可修饰性､光学性能､材料和加工成本等｡

微流控芯片的制作材料选择是关键性的决定因素。最初，硅材料由于其优越的特性在微流控芯片制备中占据主导地位，但随着应用场景的多样化，硅材料的局限性逐渐显露，特别是其不能耐受高压和无法兼容光学检测技术的缺陷。

为了克服这些问题，业界和科研界开始探索新的材料选择。玻璃材质因其优异的电渗性和光学性质理论上非常适合微流控芯片的制作，然而，其复杂的制作工艺、昂贵的成本和难以进行光刻和蚀刻的特性限制了其大规模应用。

与此相比，高分子材料展现出了明显的优势。高分子聚合物制作工艺简单、原材料成本低廉，同时具备良好的绝缘性、耐高压性、热稳定性、生物兼容性、气体透性以及低弹性模量等特点。这些特性使其广泛应用于毛细管电泳微芯片、生化反应芯片以及多种光学检测系统中。

目前，以聚二甲基硅氧烷（PDMS）为代表的有机高分子聚合物成为了微流控芯片制作的主流材料之一，其优异的性能和相对简单的制作工艺使其受到广泛欢迎。

微流控芯片常用材料及其性能
性能指标	玻璃	PDMS	PMMA	PC	纸基
生物相容性	较好	易非特异性吸附	较好	较好	较好
光学特性	较好	较好	较好	紫外吸收较差	检测背景低
导热系数	较好	低	低	低	低
电绝缘性	较好	较好	较好	较好	较好
热稳定性	－８０～８６０℃	－５０～２００℃	－８０～９０℃	－６０～１２０℃	受热易蒸发
材料成本	适中	适中	适中	适中	低
加工难度	较难	适中	适中	适中	容易

硅材料

优点

• 具有良好的化学惰性和热稳定性
• 良好的光洁度，加工工艺成熟
• 可用于制作聚合物芯片的模具等

缺点

• 易碎，价格贵
• 不能通过紫外光
• 电绝缘性能不够好
• 表面化学行为较复杂

玻璃石英材料

优点

• 很好的电渗性质和光学性质
• 有利于化学方法进行表面改性
• 可用光刻和蚀刻技术进行加工

缺点

• 难以得到深宽比大的通道
• 加工成本较高
• 封接难度较大

有机高分子聚合物材料

优点

• 成本低，品种多样，价格低廉适合大量生产
• 可通过可见光与紫外光
• 可用化学方法进行表面改性
• 易加工得到宽深比大的通道

缺点

• 不耐高温
• 导热系数低
• 表面改性的方法尚不够成熟

纸质芯片材料

优点

• 成本低，无需模板，结构设计不受约束
• 分析系统易微型化，便携化。无需外置驱动泵，纸张可折叠，易保存和运输
• 生物兼容性好
• 检测背景低。纸张通常是白色，有利于在纸芯片上开展比色分析
• 使用后处理简单，不会造成污染

缺点

• 样本残留在纸通道中和样品在运输过程中的蒸发导致样品利用率降低。
• 对于一些具有低表面张力的样本，疏水区不一定有足够的疏水性，样本可能会发生渗漏。
• 结合传统的比色法，对于太低浓度的样本分析纸芯片无法检测。