微流控技术三十年发展史（二）

微流控芯片

​​3.80年代：微流体学的早期研究

3.1.LIGA流程
LIGA(平版印刷，Galvanoformung，Abformung；德语为平版印刷，电镀，模压)是在光刻后增加电镀步骤以创建模具，可用于生产许多原始母版的复制品的工艺。光刻后，在母片上溅射沉积一层镍钒(NiV)种子层，然后电镀沉积一层较厚的支撑层。这项技术已被用于生产仿生表面的注塑母版。这项技术的其他变体允许构建具有集成铁心的三维线圈以及制造转子元件。DEEMO(干蚀刻、电镀、模塑)作为LIGA技术的进一步扩展而存在，并已被证明是生产用于压花的印章和模具的一种可行方法。然而，作为一种生产金属部件的方法，尽管可以实现高分辨率和低特征尺寸，但它对专家操作员和洁净室设施的依赖阻碍了它的普及。

3.2.气阀
以Terry等人的名字命名。发表了他们的工作，很明显，微流控技术有可能让研究人员开发出新的、更强大的分子分析工具。考虑到这一点，他们开始创造能够在微尺度上操纵流体的工具，即可以控制和操纵流体流动的泵和阀，从而可以制造出坚固的设备。制造的第一种类型的阀门采用隔膜形式(类似于Terry等人描述的气相色谱系统中的形式)。为了使这些阀门更可靠，因为它们通常需要很大的压力来驱动移动部件，Huff等人。开发了一种由流体压力平衡的阀门，从而允许通过更小的驱动力来操纵隔膜。由于在微观尺度上静电力的影响增加，操纵移动部件所需的力太大，这意味着在宏观尺度上使用的磁致动器(马达和螺线管)无法完成任务。为了进一步解决这一问题，Jerman开发了一种基于隔膜的阀门，通过电刺激双金属触点来打开。这种阀门能够在对MEMS应用有用的流量和压力范围内工作，然而，复杂的制造意味着这些类型的流量调节器从未真正在微流控领域流行起来。

与隔膜阀类似，研究人员也使用简单的悬臂结构制造止回阀，以操纵MEMS设备中的流动。这种阀门的一个这样的例子是由Tiren等人描述的批量制造的非换向阀。这是一个两件式的装置，一件包含悬臂结构，另一件包含进气和排气，同时还密封了密封室。与隔膜阀一样，这种设计具有运行速度快、死体积小的优点。由于这种阀门是两件式的，因此制造复杂，Ohnstein创造了一种可以在一片硅中制造的版本，从而简化了制造过程。

3.3.微流泵
在为硅MEMS制造的阀门的基础上，研究人员还希望将泵微型化，以便将这些泵也整合到一个设备中。这类设备的例子来自史密茨，他设计了蠕动泵，目的是向糖尿病患者输送微量的胰岛素。他的泵，由压电操纵的隔膜和止回阀组成，可以抑制回流，可以输送100min l/ μ的流体。范·林特尔还创造了蠕动泵，并包括故障保护装置，这样当泵关闭时就不会回流。以上简要概述了在硅衬底MEMS的阀门和泵方面进行的一些早期工作，但在其他地方可以找到关于这一主题的更全面的评论。

尽管在这些阀门和泵的制造和操作方面做了大量工作，但由于各种原因，这项技术从未真正在微流体领域找到一席之地。也就是说，这种设备的设计和制造需要分子分析领域的人所不具备的大量专业知识，这意味着这些设备的设计和制造对这项技术的许多最终用户来说是遥不可及的。此外，这些阀门和泵都是以硅为基础的，因为这种材料可以通过薄膜加工，如光致抗蚀剂(表面加工)和蚀刻(批量加工)，这些工艺已经非常发达，已经了解到可以创造三维结构。此外，由于其在微电子工业中的使用，存在用于硅器件的批量制造协议，从而允许规模经济。此外，硅在热和化学上都是稳定的，当微流控设备经常需要加热器并且必须足够坚固以执行敏感操作时，硅具有诱人的特性。由于硅的结晶性质，还可以根据晶格结构的取向实现各向异性腐蚀--这一特性在许多其他材料中是不存在的，这意味着可以通过湿法腐蚀产生具有可预测侧壁几何形状的通道。然而，随着微流控转向生命科学，很明显，硅可能不是理想的材料。

3.4.3D打印
80年代还出现了另一项技术的发明，这项技术将对微流控行业产生巨大影响。由Charles Hull于1986年开发的立体平版印刷(SLA)描述了通过堆叠二维薄片来创建三维物体的过程。在这种方法中，计算机软件将三维模型分解成一系列二维层，然后将其串联投影到浸泡在UV固化树脂中的构建平台上。在每一层都有时间固化后，向上移动构建平台，并固化下一层。重复这一过程，直到制造出完整的物体。这项发明意味着，研究人员可以在不需要昂贵和专业的设备和工具的情况下，创造出短时间的定制部件生产。尽管SLA是在80年代发展起来的，但直到很久以后才成为一种常见的制造技术。这项技术对微流体的影响将在第5.5节中讨论。

4.90年代：微流体重新站稳脚跟

4.1.μ-TAS概念
随着这些微尺度射流设备的发展趋势，Manz等人。有人提议，有可能建立总分析系统，即能够执行分析所需的所有功能的系统：采样、样品的运输、包括化学反应和分离在内的任何样品制备步骤以及检测。此外，这些功能应自动执行。如果所讨论的设备具有微尺度上的特征尺寸，它们将被称为“微型全分析系统”(μTAS)。在这本有影响力的出版物中，Manz等人。展示了流体力学在微观尺度上的物理优势将如何导至更快、更有效的分析。此外，还假设可以将许多通道制造成一个小区域，从而允许同时分析多个样品。这篇论文展示了微流控设备的可能性，并为今天实验室中的常规进步和技术铺平了道路。

4.2.美国国防部高级研究计划局。
随着μTAS概念的诞生，许多其他科学领域开始对微流控技术感兴趣，并开始看到这一新兴技术所提供的东西。其中一个领域是国防。随着冷战接近尾声，来自生物和化学武器的军事和恐怖威胁日益增加，考虑到这一点，美国国防高级项目研究局(DARPA)资助了大量微流体研究，以创造能够检测这些武器的便携式、可现场部署的设备。重要的是，这种集中的资金导至了开发功能性微流控设备的动力增加。

4.3.人类基因组计划
微流控的另一个主要推动力出现在90年代初--人类基因组计划(HGP)。该项目于1990年启动，目标是在15 年内绘制出整个人类基因组图，并由美国国家卫生研究院和美国能源部提供30亿美元的公共资金。然而，随着该项目的开始，情况变得很明显，目前的DNA测序技术无法胜任如此艰巨的任务。

随着微流控转向生物检测，研究人员开始发现与使用硅相关的许多缺点。首先，硅片价格昂贵。由于微流控的主要原则之一是设备应该比替代品更便宜，硅的成本降低了其作为大规模生产微流控的可行材料的吸引力。其次，硅是易碎的，这意味着设备往往很脆弱，因此在运输部件时必须考虑到这一点。第三，硅在可见光和紫外线(UV)光谱中对光是不透明的，这是许多传感器(如用于DNA分析的传感器)使用光作为检测方法时的一个重要因素。最后，将硅与其他硅衬底或材料结合的协议需要相当多的专业知识和设施。当微流控器件被考虑时，键合是一个非常重要的方面，因为大多数芯片都是以三明治结构制造的。为了摆脱硅，研究人员首先将注意力转向玻璃。玻璃具有与硅类似的优点--也就是说，它可以通过薄膜进行加工，其方式与微电子工业中开发的那些技术大致相同。玻璃还具有光学透明的优势，这使得基于光的检测方法可以被整合到设备中，从而允许新一代基于光学的微流控生物传感器。

在90年代之前的几十年里，DNA测序依赖于平板凝胶电泳法。由于这些凝胶的制备费时费力，而且难以实现自动化分离，平板凝胶电泳对于小规模的研究应用是足够的，但会显著阻碍HGP。考虑到这一点，研究人员开始应用微流体的原理来创造一种更强大的DNA测序方法。1990年，Swerdlow和Gestland证明，可以使用直径75 μm填充电泳胶的二氧化硅毛细管来代替平板凝胶。更重要的是，当他们将这种设备与平板凝胶电泳法进行比较时，发现他们的毛细管电泳法(CE)速度快了3倍，分辨率提高了2.4倍。这些优势是由于毛细管的热性质意味着它们在暴露在高电场中时不太容易受到焦耳加热的影响。这意味着，与平板设备相比，CE设备可以施加高达50倍的电场，因此可以使用更短的分离距离，这反过来又有助于更快的操作。由于这些毛细管的尺寸很小，所以不久就使用光刻技术来制造这些沟道。到1994年，Woolley和Mathies，以及Effenhauser等人。已经在平板玻璃衬底上制造了CE阵列，具有根据DNA片段大小分离DNA片段的功能--这是DNA测序的第一步，也是至关重要的一步。Woolley等人也采取了芯片上DNA测序的步骤。世卫组织证明，对约150个碱基对的片段进行测序可以达到97%的准确率。继续这项工作，施马尔津等人。创建了一个理论框架来帮助优化DNA测序实验的设计。利用这一点，他们能够对400个碱基对的片段进行测序。

最后，Woolley等人和Simpson等人。证明了可以在一个玻璃芯片上制造多个CE通道。这些多重设备意味着DNA测序比以往任何时候都更快、更简单。这些微流控平台的另一个关键优势是试剂的经济使用。上述所有方法都能够从小到几纳升的样品中分离出DNA。

然而，在此期间，受益于微流体的不仅仅是DNA测序。聚合酶链式反应(聚合酶链式反应)与平板凝胶电泳法具有相同的缺点，而平板凝胶电泳法是诺斯鲁普等人的研究动力。开发第一个基于芯片的聚合酶链式反应热循环仪。这一装置意味着研究人员现在可以按照Manz等人提出的要求，将样品制备以及检测和分析合并到一个单一的微流控装置中。适用于μTAS。此外，这些进展意味着HGP在2003年如期完成，并为我们对微流体的理解做出了巨大贡献。

4.4.PDMS
如上所述，在许多微流体应用中，玻璃被用作硅的替代品。然而，玻璃和塑料聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)(也用于制造设备)是在整个微流体研究中都可以获得的材料，因此不被视为该领域的进步。正因为如此，我们在这里不再详细讨论它们，尽管材料选择如何随着微流体技术的进步而变化在第4.7节中进行了讨论。此外，玻璃作为标准的微流体材料被更便宜的替代品所取代，这将允许采用更简单的方法制造微流体，同时仍然允许安装阀门和泵。20世纪末，由哈佛大学George Whiteside和他的团队首创的弹性材料聚(二甲基硅氧烷)(PDMS)迅速成为制造微流体设备的最受欢迎的材料。与玻璃和硅相比，PDMS中的器件制造简单，不需要昂贵的洁净室设施。首先，(通过硅微加工或其他)制备母版结构。接下来，将PDMS基材和固化剂混合在一起，然后将溶液倒在模具上。PDMS的低表面能意味着它很容易流动到小部件中，从模具中释放很容易。这又意味着，尺寸小于0.1 μm的特征可以轻松铸造。PDMS的另一个主要优点是它可以与自身或其他材料粘合。PDMS通道可以通过多种方法进行密封。在最简单的方法中，胶带可以用来密封通道，但更常见的是将设备密封在玻璃片上或用另一层PDMS密封。当与另一基材保形接触时，PDMS的弹性性质意味着形成能够承受中等流体压力的密封件。此外，如果需要高压密封，PDMS可以通过两个界面的等离子处理不可逆地粘合到其他材料上。另一种粘合方法是使具有基础饱和的一侧与具有固化剂饱和的一侧接触。加热时，在两侧之间形成不可逆的结合，而不需要粘合剂，否则可能会堵塞通道。这些简单的过程意味着微流控设备的原型变得快速和廉价，因此它被微流控社区所接受。

除了上述优点，PDMS的另一个优点是其柔软、有弹性的性质。这导至斯坦福大学的史蒂芬·奎克团队开发了地震阀，这将成为微流体领域最常用的阀。在μTAS理念的推动下，每一台微流控设备都应该能够执行分析所需的所有必要步骤，Quake试图在现在流行的PDMS中重新制造为硅MEMS行业制造的阀门和泵。他创造的阀门是由多层PDMS结构构建的，尽管已经演示了3D打印阀门(图4C)。一层容纳了用于流体流动的通道，而在另一层中制造了一条垂直于该通道的控制线。当控制线中的压力增加时，控制线会鼓起并使通道变形，从而使通道中的流动完全受阻。这方面的示意图可以在图4中看到。这些阀门还具有低死气量和快速操作，符合μTAS的要求。与硅阀一样，这些PDMS阀可以按顺序激活，以生产具有PDMS固有制造简易性的蠕动泵。使用PDMS设备的应用实例包括生化分析、基因组学、化学反应和生物检测。这些应用中的许多都是由于PDMS对气体的渗透性而成为可能的，这使得PDMS成为用于活细胞研究的理想材料。

图4.防震阀的制造工艺。左侧为流道，右侧为气动控制线。然后将控制线放置在通道的顶部。在操作期间，控制线中压力的增加使通道变形到这样的程度，使得微流控通道中的流动被阻塞。B表示阀门的运行情况。当阀门打开时，流体可以在较低的通道中流动。当控制流道中的压力增加时 ，流道变形，阻碍流动。CA-带有一组防震阀(打开)的装置，通过立体光刻术制造，并在CB中关闭。

怀特赛德不仅满足于简单地将PDMS用作微流体的衬底，还率先将这种材料用作制造工具。由于PDMS具有柔软、弹性体的性质，这套技术被称为“软光刻”。

文章来源：www.whchip.com​​​​