微流控器件技術概述和專利申請申請人分布

金橋

（國家知識產(chǎn)權局專利局專利審查協(xié)作湖北中心，武漢430070）

1 微流控技術（Microfluidics）的基本概念

微流控（Microfluidics）指的是使用微流道或者微流路（直徑尺寸在10～100μm）處理或者操縱微小量流體（體積在μL或者亞μL）的系統(tǒng)所涉及的科學和技術，是一門涉及化學、物理、微電子、生物或生物醫(yī)學的新興交叉學科。實現(xiàn)微流控的系統(tǒng)，一般被稱為微流控器件。微流控器件，一般通過微加工技術制造，在制造過程中，將包括采樣、稀釋、混合、加試劑、反應、分離、富集、檢測等功能單元集成在器件上，可多次使用，因此，也稱其為器件實驗室（Lab-on-a-Chip）。

2 微流控器件的流體驅(qū)動與控制技術

微流控器件內(nèi)是對微尺度（直徑尺寸在10～100μm 的流道中）流體進行操縱和控制，通過引導流體的流動方向及其流動路徑，在器件內(nèi)實現(xiàn)流體或者流體內(nèi)物質(zhì)的分析、分離、混合、分散、反應。因流體表面張力的作用，微體積的流體在微流道內(nèi)流動所受阻力較其在宏觀環(huán)境中大，僅依靠流體自身重力，流體通常無法流動，實際中，通過在微管道網(wǎng)絡中或者在微管道進出口處連接微泵/微閥等驅(qū)動部件或者單元，以實現(xiàn)流體按照預定方向//路徑流動。在微流控器件中，可集成微電極、微檢測、微探測等功能元件，實現(xiàn)分析、分散、混合、反應、分離、計量等功能，在醫(yī)學檢驗中，常用于富集微量目標物質(zhì)，實現(xiàn)微量檢測。微閥作為微流控器件內(nèi)驅(qū)動流體的動力源，屬于微流控器件的核心元件，現(xiàn)主要有氣動微閥、壓電微閥、離心驅(qū)動等機械驅(qū)動方式以及電滲驅(qū)動、重力驅(qū)動、光驅(qū)動等非機械驅(qū)動方式。

3 微流控器件的加工材料和微加工技術

3.1 微流控器件的加工材料

微流控器件早期常用的材料是晶體硅、二氧化硅、玻璃。以PDMS 為代表的高分子聚合物材料近年來己成為微流控器件加工的主導原材料。

晶體硅散熱性能好、硬度大、價格便宜、來源廣、耐腐蝕，隨著微加工技術的發(fā)展，硅材料最先被用于制造微流控器件。硅材料表面良好的潔凈度、原子級的粗糙度，在成熟的微加工技術的支撐下，可一次性將微泵、微閥形成于器件中。但是，硅材料具有良好的導電性、不透光性、刻蝕流道的寬深比較低、粘合力小，限制了硅基微流控器件在化學、生物領域的應用，從而影響了硅在微流控器件的應用。

玻璃/二氧化硅作為硅材料的替代品，在硅材料后被廣泛用于制造微流控器件。玻璃基微流控器件解決了，很適合日常的樣品分析。

高分子聚合物材料由于來源廣、成本低、易于加工成型等優(yōu)點，得到了越來越多的關注。用于微流控器件制造的高分子聚合物材料主要有三大類：熱塑性聚合物、固化型聚合物和溶劑揮發(fā)型聚合物。熱塑性聚合物包括有聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、聚苯乙烯（PS）、聚碳酸酯（PC）、聚酰胺（PI）等。固化型聚合物有聚二甲基硅氧烷（PDMS）、環(huán)氧樹脂和聚氨酯等。熱塑性聚合物直接溶解于相應的溶劑中，而將固化型高分子聚合物材料和固化劑混合，將所得到的溶液注入模具中，固化變硬后，得到微流控器件。溶劑揮發(fā)型聚合物有丙烯酸、橡膠和氟塑料等，將它們?nèi)苡谶m當?shù)娜軇┖?，同樣，將所得到的溶液注入模具中，溶劑揮發(fā)后，得到器件。PDMS 是一種疏水類的有機硅物料，具有生理惰性、良好的化學穩(wěn)定性，電絕緣性和耐候性、疏水性好，并具有很高的抗剪切能力，可在-50～200℃下長期使用，由此，PDMS 制造而成的微流控器件，可以被更好地與環(huán)境中裝置、器件整合，在實際使用中，通過設計可在微流道中形成穩(wěn)定的溫度梯度，對可見光與紫外光的可穿透性預定目標物質(zhì)或流體所在的位置，因PDMS 的無毒、透氣性，在生物/醫(yī)學實驗中被廣泛應用[1]。

3.2 微流控器件的微加工技術

圖1是利用光刻技術加工玻璃基微流控器件的流程圖。第一步，在玻璃片的表面噴涂一層被腐蝕的犧牲層，常用作犧牲層的材料是鉻/金。因金直接被形成于玻璃表面上易脫落，先在玻璃表面上形成鉻層，可提高玻璃表面和金之間的粘附性，金層是真正的犧牲層。第二步，以微加工技術中常用的紫外光光刻技術實現(xiàn)預先設計結構圖案，后用腐蝕液腐蝕玻璃，腐蝕出的玻璃圖案即需要的溝道圖案。最后，除去光刻過程中形成于玻璃表面的光刻膠，再將上述有溝道圖案的玻璃片與另一塊玻璃片以適當方式鍵合，制成微流控器件。

圖1 光刻技術加工玻璃基微流控器件的流程圖

使用玻璃、二氧化硅、硅基材料作為微流控器件的加工材料，雖然微加工工藝技術成熟，并能充分融合于現(xiàn)有微加工制造工廠中，但加工成本過高，而使用聚合物材料加工微流控器件，因原材料成本、加工技術簡單，綜合成本低，對于“一次性使用”的分析領域非常重要。聚合物基微流控器件的加工方法包括紫外壓印法、激光消融法、鑄模法等。

聚合物基微流控器件的加工流程一般為：第一步，利用傳統(tǒng)的紫外光刻工藝加工制造微流控器件的模具；第二步，澆鑄方式得到包括未封閉溝道的聚合物片；第三步，如同前述玻璃基微流控器件加工過程；第四步，將具有溝道的聚合物片與另一聚合物片按照設計要求封裝，得到微流控器件。常用的聚合物基微流控器件的封裝方法為熱疊合法，因組成聚合物基微流控器件的一個聚合物片的表面具有一種表面特性，而另一個聚合物片的表面具有另一表面特性，當兩種表面特性不匹配時，會影響微流控器件的性能，一般情況下，可將聚合物片表面經(jīng)過物理/化學處理，使其表面特性匹配。

4 微流控器件的檢測系統(tǒng)

4.1 質(zhì)譜檢測器

質(zhì)譜的基本原理是使試樣中各組分在離子源中發(fā)生電離，生成不同荷質(zhì)比的帶電荷的離子，經(jīng)加速電場的作用，形成離子束，進入質(zhì)量分析器。在質(zhì)量分析器中，再利用電場和磁場使發(fā)生相反的速度色散，將它們分別聚焦而得到質(zhì)譜圖，從而確定其質(zhì)量。以質(zhì)譜原理實現(xiàn)物質(zhì)檢測的質(zhì)譜檢測器，一般都靈敏度高、展現(xiàn)被檢測物質(zhì)的質(zhì)量/結構信息、可檢測物質(zhì)種類多，并能實現(xiàn)高通量分析。將質(zhì)譜檢測器集成到微流控器件中，或者將其聯(lián)用，可實現(xiàn)對化學、生物樣品的快速、高效、大信息流量的分析。

4.2 電化學檢測器

電化學檢測器是測量物質(zhì)的電信號變化，對具有氧化還原性質(zhì)的化合物，如含硝基、氨基等有機化合物及無機陰、陽離子等物質(zhì)可采用電化學檢測器。電化學檢測的原理是釆用電極作為傳感器，將溶液中待測組分的化學信號直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枴ｋ娀瘜W檢測的靈敏度不受微流控器件本身的流道直徑影響，對物質(zhì)所在的微流控器件部位的透光性無要求，具有極強的適應性，非常適合微流控分析系統(tǒng)集成化的要求。

4.3 光學檢測器

光學檢測法根據(jù)光學原理的不同分為熒光檢測法、吸收度檢測法、化學發(fā)光檢測法、表面等離子體共振以及光纖等。以下簡要闡述熒光檢測法、吸光度檢測法、化學發(fā)光檢測法。

熒光檢測法，指利用某些物質(zhì)被紫外光照射后處于激發(fā)態(tài)，激發(fā)態(tài)分子經(jīng)歷一個碰撞及發(fā)射的去激發(fā)過程所發(fā)生的能反映出該物質(zhì)特性的熒光，可以進行定性或定量分析的方法。在微流控器件中應用的熒光檢測法主要是激光誘導熒光檢測法，它的優(yōu)點是靈敏度高（可達到10-9～l0-12mol/L，甚至能進行單分子檢測）、選擇性好、線性范圍較寬，并且能與微流控器件分析系統(tǒng)相匹配，是應用最早且至今仍應用廣泛的光學檢測方法。當檢測含有該類物質(zhì)的溶液時，通過檢測入射熒光和透射熒光的光強，可獲得該物質(zhì)的含量或者判斷該物質(zhì)是否存在。

吸光度檢測，吸光度是指光線通過溶液或物質(zhì)前的入射光強度與光線通過溶液或物質(zhì)后的透射光強度的比值（I0/I1）、該比值以10 為底的對數(shù)（即lg（I0/I1）），其中I0 為入射光強，I1 為透射光強，以溶液而言，影響光強的因素有溶劑、濃度、溫度等。經(jīng)發(fā)現(xiàn)，一些物質(zhì)不具有熒光性，作為熒光檢測發(fā)的補充，將吸光度檢測裝置與微流控器件實現(xiàn)集成。

化學發(fā)光檢測，又稱為冷光（cold light），是由化學反應而產(chǎn)生的光輻射。利用被檢測物化學或生物反應過程中發(fā)光的強度來確定被測分析物的含量，靈敏度極高、選擇性較好、儀器簡單、分析速度快、線性范圍可寬達幾個數(shù)量級。

5 微流控器件國內(nèi)外專利申請統(tǒng)計

對于某項技術，專利申請量的變化趨勢體現(xiàn)了業(yè)界（包括科研和產(chǎn)業(yè)）對其的投入程度的變化，并且，專利的申請量能夠體現(xiàn)不同國家和不同公司在具體技術領域的地位。針對1987年至2017年的微流控器件專利申請進行了統(tǒng)計分析，全世界申請量8969 件，其中中國申請量為1870。

專利申請產(chǎn)出國一般是指一項技術的原創(chuàng)技術國，一般而言，一個國家擁有的原創(chuàng)技術越多，說明其在該技術領域的研發(fā)能力和技術實力越強。通過對所檢索到的專利文獻產(chǎn)出國進行統(tǒng)計分析（如圖2所示），排名靠前的國家依次為美國、韓國、德國，并且排名第一的美國的申請量遠遠高于其他國家，顯示出極強的統(tǒng)治地位。

圖2 專利申請產(chǎn)出國排名

對全球申請人進行統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)（見表1），排名前10 的申請人中沒有中國的機構，并且，大學和科研機構占相當比重。進一步，對在華申請人進行統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)（見表2），排名前10 的中國申請人中，都是高校及科研院所，而企業(yè)申請人排名最靠前的僅是第21 位，并且其申請量相對很少。由此可見，在中國存在著由研究走向產(chǎn)業(yè)的問題。

表1 全球申請人排名

表2 在華申請人排名

6 結語

微流控器件在生物、化學、生物醫(yī)學等領域展現(xiàn)了巨大的應用前景。到目前為止，微流控器件的流體驅(qū)動和控制技術主要分為機械式和非機械式，其中，機械式的微泵/閥屬于常用流體驅(qū)動結構。在器件加工材料方面，PDMS 相較于其他有機聚合物、玻璃等無機材料展現(xiàn)了一定優(yōu)勢。

對微流控器件技術領域的國內(nèi)外專利申請進行統(tǒng)計分析，在申請量方面，美國一枝獨秀，遙遙領先于其他國家，占全球申請量的60%以上。在中國國內(nèi)，以中國科學院大連化學物理研究所、浙江大學、清華大學為代表的科研院所/大學屬于主力，其申請量占比大，可見在中國國內(nèi)，微流控器件技術還處于科研階段，急需向產(chǎn)業(yè)發(fā)展。