2.3.7 微流控芯片生物和化学反应单元
随着微电子机械技术的高速发展，微流控芯片已经成为一个强有力的可以集成细胞培养、细胞分选、细胞裂解、样品制备、混合、反应、分离和检测的分析工具，也可以作为一个用于化学和生物反应的微反应器，已经从微机械技术领域发展成为一门学科，并用于高通量化工产品生产、细胞(或蛋白)的高效筛选和可携带设备的制造以及研究反应动力学等。其具有以下优点：
(1)具有样品用量少、能量消耗少、废物少的优势。
(2)在更短时间和空间尺度下控制流动、混合以及热/物质传递，进而提高反应效率、反应体系均一性和可控性，并改善反应的选择性、不同批次产品的一致性和运行的安全性。例如，化学聚合反应大多属于加速强放热过程，对传热和传质都有很高的要求，而微反应器恰好可以满足这一要求。
(3)操作灵活，通过模块的并联组合来实现不同反应或分离功能的模块化集成。
(4)微反应器的密闭性突破了使用常规反应器对于反应条件的苛刻要求，如干燥、氮气保护以及极低的反应温度等，从这个层面提高了反应的选择性。
(5)微反应器的另一大优势就是放大效应小，将实验室级别的反应通道经过组件复制，直接增加微通道个数，采用彼此并行的方式，小试的最佳反应条件不需要做任何改动即可形成工业级的反应器，反应器放大规模后对产品质量影响小，能够大幅度减少工业反应工程设计的成本和时间。在后期需要对反应系统进行优化时，只需在单个微反应器内进行操作模拟和分析。
与釜式聚合相比，微反应器能够提高聚合反应效率，并且可以在很大程度上避免副反应，从而降低聚合物分子量分布，改善聚合物产品性能，这是微化工领域的研究热点之一[57]。因此，基于微流控芯片的微反应器在学术界和工业界都引起了极大关注。表2.4[57]所示为利用微流控技术能够解决的大规模合成中遇到的问题。目前微反应器在通过并行提高筛选(或生产)通量，集成在线分析、反馈和自动化单元，形成高度集成和全自动微型系统方面有最新进展，高产率和高稳定性的高水平微反应器将加快学术成果向临床/工业生产之间的转化。
表2.4 微流体开展化学合成的优势
微反应器的规模根据反应器过程以及产品的经济性不同而不同。在设计反应器时，要克服反应器设计以及放大进而满足工业要求的挑战。微反应器的最大优点是可以进行反应动力学得到良好控制的复杂反应。这些复杂反应通常涉及多相，并且不相混溶，如水相-有机液体或者气液反应体系等。由于小尺度微通道中存在层流现象，因此通常涉及混合单元提高微反应器的混合效率。根据是否存在机械搅动以及外力，混合器分为主动混合器和被动混合器。主动混合器通常以电动、介电电泳、声学/超声和磁流体力学能量等形式扰动能量，需要特殊的制造技术。被动混合简单地创造了多种流体的层流，增加了扩增的界面面积。
2.3.7.1 微反应器的材料
用于微反应器制造的典型材料有硅、玻璃、聚合物和金属，其优点和缺点如表2.5[57]所示。
表2.5 用于微反应器制造的典型材料的优点和缺点
材料的选择取决于各种因素，包括操作条件(压力和温度)、反应混合物的物理特性(pH、黏度、相态和反应性)、成本、量产能力。硅基材料广泛存在，相对便宜，并且特性已经表征较为充分，因此是微反应器的常用材料。玻璃反应器具有可视化的优势，但是要考虑到制作高宽比结构较为困难。不过，玻璃耐受各种常用极性溶剂，并且会有电渗流，在有机合成中可作为趋动力。现在，各种聚合物材料也成为潜在制作微反应器的材料，聚合物具有可调节特性、弹性、灵活性、费用低并且容易制作的优点。目前，用于制造微流控器件的聚合物材料大致可以分为聚二甲基硅氧烷(PDMS)及其改性材料、热塑性材料，如聚氯乙烯苯乙烯(PS)、聚 碳 酸 酯(PC)、聚甲 基 丙 烯 酸 甲 酯(PMM)、聚酰亚胺(PI)和烯烃基聚合物。聚合物材质微反应器只能用于适合的场合，在诸如基于微反应器的燃料电池中，小尺度聚合物微反应器空间内的热量装载和调控仍具有较大挑战。涉及持续高温的反应系统，特别是应用于发电的情况下，需要一个反应器的材料能够承受反应混合物的高焓值，未加工的聚合物材料可能不适合这种材料，但有机-无机复合材料是一种很有前途的制造微反应器的材料。
2.3.7.2 微反应器的制造技术
许多微制造工艺可以满足制作高效紧凑微反应器的要求。根据所需的复杂程度，常用的技术有微机械加工、湿法刻蚀、注塑、激光烧蚀微成型、软光刻、光刻、热压、纳米压印、电铸和微电子放电加工等。
1.微机械加工技术
超精密铣削、车削和磨削工艺可以单独或者组合使用，以制造微反应器。这些工艺过程制造反应器表面的质量取决于所使用的材料以及加工参数。微机械加工技术过程虽然不能提供与更为先进技术同样小的尺寸特性，但是加工过程简便、性能稳定，适用于大批量生产。最常见的步骤是通过熔化、热式蒸发、化学分解、离子溅射光子直接去除加工或者这些技术的组合来分离、去除不需要的部分。针对不同的加工对象和加工要求，具体考虑采用不同的加工方法和手段。例如，材料本身影响机械加工精度，在加工黄铜或者铜材料时，机械精密加工是获得最佳表面、质量最合适的技术之一，而硬质合金工具用于铜和镍基合金。
2.LIGA工艺
LIGA是德文的平版印刷术(lithographie)、电铸成型(galvannoformung)和注塑(abformung)的缩写。主要包括：
(1)同步辐射X射线深层光刻，将掩模版的图案转移到光刻胶上，光刻胶一般使用光敏环氧树脂。
(2)电铸成型，显影去除掩模以及其他不需要的部分后，将光胶层下面的金属薄层作为阴极对显影后的三维光刻胶微结构进行电镀。
将金属填充到光刻胶三维结构的空隙中，直到金属层将光刻胶浮雕完全覆盖，形成一个稳定的、与光刻胶结构互补的密闭金属结构。此金属结构既可以作为最终的微结构，也可以作为批量复制的模具，采用注塑成型或模压成型等各工艺，重复制造所需的微结构。
LIGA工艺主要有以下特点：
(1)产品可以有很大的结构强度，因而耐用，实用性强。
(2)可用于多种材料微反应器的制备，如金属、聚合物、塑料和陶瓷等。
(3)可以直接加工复合机构(包括运动部件)，并同时具有电路制作能力，便于制成机电一体化的产品。
(4)可获得亚微米精度的微结构。
(5)可重复复制，便于批量生产和大规模复制，因此成本低。
3.蚀刻的方法
刻蚀是用化学或物理方法有选择地从基质材料表面去除不需要部分的过程，刻蚀的基本目标是在涂胶的硅片上正确地复制掩模版的图案。有图案的光刻胶层在刻蚀中不受腐蚀源(化学或物理)的显著侵蚀，这层掩蔽膜用来在刻蚀中保护硅片上的特殊区域，进而可以选择性地刻蚀未被光刻胶保护的区域。不同于LIGA的电铸方法来保留图形，刻蚀采用化学或等离子等能量束轰击等方法来选择性地去除不需要的部分。蚀刻方法又分为干法刻蚀和湿法刻蚀。湿法刻蚀采用液体化学试剂(如酸、碱和溶剂等)以化学方式去除芯片表面的材料，用实验室的玻璃器皿以及合适的化学试剂即可完成；干法刻蚀一般采用能量束(如离子束、电子束和激光束等)轰击出被蚀刻的物质原子，或者利用各种能量给予气体能量，产生化学活性极强的原子分子团，与待蚀刻物质反应。选择性是刻蚀过程中需要考量的一个重要参数，意指进行刻蚀时，对期望区域去除速度与连带对非期望区域的腐蚀速度之比值。一个具有高选择性的刻蚀系统，应该只对期望区域有腐蚀作用。湿法刻蚀的选择性有限，湿法刻蚀大多具有等向性，各方向的刻蚀速度一样。干法刻蚀具有高选择性，以及良好的侧壁剖面控制，即各向异性，可以提供各种不同长宽比结构的结合形状。
2.3.7.3 微反应器的发展方向
微反应器的未来发展方向主要有：
(1)与其他技术进一步结合。在化工工业中，微反应器已经与非均相催化剂负载、光诱导聚合、微波辐射等技术结合，但有待更加深入，并与更多反应技术的结合。
(2)微反应器的设计发挥集成化优势，包括进一步整合更复杂的微反应器组件，建立完备的高通量微反应器技术，包括在线监测、多阶段反应器耦合、各种流体处理单元，同时对微反应器内的混合和反应机理进行基础研究和数值模拟，为微反应器技术的发展和应用提供理论支撑[58，59]。