什么是微流控芯片？
微流控芯片，也称为芯片实验室 （LOC），是一种允许在微米尺度上精确操纵微管中痕量流体的芯片，以在微米尺度的芯片上执行传统物理、化学或生物实验的各种功能。 微流控芯片已成为以单细胞分辨率研究生物系统的有力工具。 同时，微流控芯片不仅可以广泛用于控制液滴的产生、微流控扩散筛选和蛋白质-配体相互作用的检测，还可以用于生物化学中的分子测定。
微流控芯片具有自动化程度高、效率高、通量大、小型化、成本低、试剂消耗超低等优点。 特别是在微流体的精确操作方面，可以达到纳升甚至飞秒，在生物学、医学、物理学、化学等许多交叉学科领域都有着巨大的研究潜力。
微流控芯片的历史
微流控芯片技术诞生于20世纪90年代，当时Manz等人成功利用微流控芯片进行体外细胞电泳分离，并实现了毛细管等效的重要功能，表明微流控芯片在分析领域的巨大潜力。
2024年，美国国防部提出了一项士兵手持式个人生化自检装置计划，引发了国际社会对微流控芯片的极大兴趣。 此后，越来越多的专家学者认为微流控芯片可以发展成为分析化学的优秀平台，并将其命名为“微总分析系统”（TAS）。
2024年，哈佛大学McDonald等人首次提出了一种以PDMS（聚二甲基硅氧烷）为工艺基板的软光刻方法，大大简化了微流控芯片的加工工艺，为微流控芯片加工的快速发展做出了巨大贡献。 同年，Quake等人在《科学》杂志上发表了一篇题为“Large-scale Integration of Microfluidics”的文章，该文章将数千个控制阀和数百个反应器集成在单个芯片上，并利用微阀和微泵技术精确控制微流控流量。 本文题为“微流控的大规模集成”，将数千个控制阀和数百个反应器集成在单个芯片上，利用微阀和微泵技术精确控制微流控的流量，引起了研究人员对微流控芯片技术应用的广泛关注和重视。
2024年，Daw等人在《自然》杂志上发表了题为“芯片上的实验室”的报告，从多个角度分析和阐释了微纳流控芯片的发展和应用，并将LOC列为“本世纪七大技术”之一。 这份名为“芯片实验室”的报告从多个角度分析和解释了微纳流控芯片的发展和应用，并将LOC列为“世纪七大技术”之一。 至此，芯片实验室的战略意义得到了学术界和业界更高层次、更大范围的认可。
随着微流控芯片上的通道尺寸从微米 （m） 减小到纳米 （nm），通道内的范德华力、静电力和毛细管力逐渐主导对流体的影响。 这些力的共同作用产生了不同于宏观和微观流体的物理现象，如界面相关的传热和大大增加的表面力，这引发了对纳米流体芯片的极大兴趣。
微流控芯片中常用的材料有哪些？
用于制造微流控芯片的材料可分为三大类。 无机材料、聚合物和纸张。
无机材料：硅、玻璃、陶瓷。
聚合物：弹性体[聚二甲基硅氧烷（PDMS），热固性聚酯（TPE）微流控芯片。
热塑性聚合物[聚苯乙烯（PS）、聚碳酸酯（PC）、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、聚乙二醇二丙烯酸酯（PEGDA）、全氟化合物（PFEP、PFA、PFE）、聚氨酯（PU）
微流控芯片的制备与加工方法
微流控芯片制备常用的加工方法有：1丝网印刷 2喷墨打印 3紫外光刻 4电子束光刻 5质子束写入 （PBW） 6飞秒激光双光子直写技术。
丝网印刷。
作为一种传统的印刷技术，它成本低、操作简单，主要应用于线路板、医疗器械、服装等领域。 随着微流控技术的发展，丝网印刷逐渐应用于微流控芯片的制备，以控制其工业生产成本。 丝网印刷技术的设备要求不高，大大降低了微流控芯片的生产成本，且加工步骤少且可重复，有利于微流控芯片的工业化批量生产。
喷墨打印。
其优点是速度快、自动化程度高、成本低、环境友好等。 喷墨技术将墨滴直接喷洒到电路板上，以实现精确的电路映射。
紫外光刻。
紫外光源具有波长短、光子能量高、加工分辨率高等优点，在高精度加工中得到了广泛的应用。 在紫外光刻工艺中，材料吸收紫外光子并从基态跃升到激发态，引发随后的光聚合或光解反应。 紫外光刻的主要特点如下。
热影响区小：紫外光刻的加工原理是光化学反应原理，通过高能紫外光子的直接照射，破坏被加工材料中的化学键，因此其热影响区很小，甚至没有热影响区。
要加工的材料种类繁多：紫外光源具有很高的光子能量，因此它们可以加工一些可见光和红外激光无法加工的材料。
高分辨率：紫外光源的波长通常高达 395 nm，因此衍射极限尺寸小于可见光波段的尺寸，从而实现高分辨率。 它可以以200纳米或更低的精度进行加工，从而实现精确的微纳米结构。
UV光刻方法可分为UV掩模加工和UV直写加工。 UV掩模工艺需要光刻胶掩模，UV激光源是表面光源。 UV掩模处理需要光刻胶掩模，UV激光源是表面光源，而UV直写加工不需要光刻胶掩模。
电子束直写技术。
直接电子束写入是将高能电子束直接暴露在涂有光刻胶（光刻胶）的基板上以获得结构的加工技术。 早在2024年，就报道了一种使用电子束进行直接写入的100nm结构。 电子束的波长很短，在100kV的加速电压系统中为0.在12nm处，根据阿贝衍射极限理论，直接电子束写入的精度可以达到纳米级。
与其他传统的纳米结构加工技术相比，电子束直接写入纳米结构具有许多优势，例如高分辨率、无掩模、焦深以及通过计算机控制直接写入任意纳米结构的能力。 电子束直接写入的主要缺点是光刻胶的基板和凝胶层中的散射引起的邻近效应，这会导致曝光区域的吸收剂量不均匀。
质子束直写技术
质子束直接写入是一种纳米制造技术，通过将高能质子束聚焦到光刻胶中来直接加工纳米结构。 质子束的穿透能力比电子束强，质子束的空间色散角也很小，因此直接写入质子束可以产生高纵横比的纳米结构。
飞秒激光双光子直写技术。
它是一种基于激光光源的加工方法，与其他传统的连续激光加工技术相比，脉冲宽度更窄，峰值功率更高，并且经常通过非线性效应与材料相互作用，加工精度可以达到100纳米以下，具有良好的三维加工能力，因此在微纳制造领域具有很大的优势。 飞秒激光通过物镜会聚到达样品材料内部，由于材料以双光子或多光子吸收的方式与飞秒激光相互作用，只有激光焦点的中心区域与材料相互作用，从而突破了光学衍射极限，实现了高精度（分辨率<100nm）加工。