揭秘“微流控”：跨領(lǐng)域的小小魔法師

在科技的世界里，總有一些神奇的技術(shù)，它們雖然微小，卻能在多個領(lǐng)域大放異彩。今天，就讓我們一起來認識一下在化學化工、生物醫(yī)療、微機電系統(tǒng)等多個領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用的“微流控”，看看它到底是個什么“神奇寶貝”。

微流控，簡單來說，就是使用微管道來處理或操縱微小流體的科學和技術(shù)。想象一下，這些微管道的尺寸只有幾十到幾百微米，就像我們頭發(fā)絲的幾十分之一那么細。微流控是一門新興的交叉學科，它融合了化學、流體物理、微電子、新材料、生物學和生物醫(yī)學工程等多個領(lǐng)域的知識，就像一個多才多藝的魔法師，能玩轉(zhuǎn)各種復(fù)雜的科學技巧。

在微流控的世界里，流體的流動狀態(tài)和我們在日常生活中看到的大不一樣。在流體力學中，有一個叫雷諾數(shù)的指標可以判斷流體的流動狀態(tài)。Re=ρvd/μ，其中v表示流體的流速，ρ表示流體的密度，d表示特征長度（通常為管道的當量直徑）。

當雷諾數(shù)小于 2300 時，流體處于層流狀態(tài)。在微納尺度下，由于管道的尺寸非常小，流體的雷諾數(shù)通常都很低，所以流體呈現(xiàn)典型的層流狀態(tài)。這就意味著，流體的粘性力影響大于慣性影響，就像一群有秩序的小士兵，排著隊沿著微管道前進。我們可以通過壓力（比如使用注射泵、氣泵等）或者電動力（如電滲流、電泳）來驅(qū)動流體，讓它們在微通道中以特定的方式流動，實現(xiàn)傳質(zhì)、傳熱和動量傳輸?shù)饶康摹?/span>

微流控的發(fā)展歷程就像一部精彩的科技進化史。它的概念可以追溯到 19 世紀 70 年代，當時人們采用光刻技術(shù)在硅片上制作了氣相色譜儀。不過，由于硅片造價高、適用環(huán)境有限，很難在生物領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。后來，研究人員開始嘗試用其他材料，比如聚合物來制作微流控芯片。到了 20 世紀末，Whitesides 的團隊使用彈性材料聚二甲基硅氧烷（PDMS）制造了一種可以用于分離生物和非生物材料的微流控芯片。從此，微流控芯片就像一顆閃耀的新星，在科技的舞臺上綻放光芒，如今已經(jīng)廣泛應(yīng)用于化學化工、生物醫(yī)療、微機電系統(tǒng)等多個領(lǐng)域。

微流控芯片技術(shù)的應(yīng)用范圍可廣了，在生物醫(yī)學領(lǐng)域，它可以用于核酸分離和定量、DNA 測序、基因突變和基因差異表達分析、蛋白質(zhì)的篩分、藥物研究等。在醫(yī)療診斷方面，它就像一位精準的醫(yī)生，能夠快速準確地檢測出疾病的相關(guān)指標。在生物細胞捕獲方面，它又能像一位靈巧的捕手，把特定的細胞從復(fù)雜的混合物中分離出來。此外，它還在新藥物的合成與篩選、食品檢驗、環(huán)境監(jiān)測、刑事科學、軍事科學等重要領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。

那么，微流控芯片是怎么制作出來的呢？目前制作微流控芯片的主要材料有硅、玻璃以及高分子聚合物。硅材料能夠和成熟的微納加工技術(shù)兼容，工藝穩(wěn)定，還能方便地與微電子器件集成，實現(xiàn)對微通道中流體的控制。玻璃成本低，透明，方便觀察流體的運動狀態(tài)，還能實現(xiàn)與多種材料的鍵合，方便器件的封裝。高分子聚合物如 PDMS，具有良好的化學惰性、絕緣性和熱穩(wěn)定性，廣泛應(yīng)用于微流控圖案的復(fù)制和轉(zhuǎn)移。

制作方法主要有增材制造和非增材制造。增材制造就像搭積木一樣，通過堆層逐步增加的方式做出具有立體結(jié)構(gòu)的器件，包括 3D 打印、激光燒結(jié)、熔融沉積等。非增材制造則包括激光直寫、軟光刻、玻璃毛細管等，其中軟光刻技術(shù)在聚合物類材料加工中被普遍應(yīng)用。軟光刻可以制造出三維結(jié)構(gòu)，而且設(shè)備簡單，一般的實驗室環(huán)境就能滿足實驗要求。

以厚膠光刻的一般流程為例，我們通過軟光刻技術(shù)，利用套刻的方式，可以制備出具有階梯結(jié)構(gòu)的微流控芯片。首先在硅片上旋涂一層厚度的負性光刻膠，對圖案進行光刻處理，然后通過熱板加熱、顯影等步驟得到圖案。接著旋涂第二層光刻膠，進行對準操作，導入第二層圖案進行套刻，同樣的流程完成光刻流程。最后，將 PDMS 和固化劑混合，排出氣泡，灌注在硅片上固化，就能完成微流控芯片的制備。

托托科技（蘇州）有限公司生產(chǎn)的無掩模版紫外光刻機，最小分辨率可達 1μm，具有高效、靈活、高分辨率和高套刻精度等優(yōu)點，是微流控芯片加工的利器。

微流控就像一位跨領(lǐng)域的小小魔法師，在各個領(lǐng)域施展著它的魔法，為科技的發(fā)展帶來了無限可能。