3.80年代：微流體學(xué)的早期研究

3.1.LIGA流程
LIGA(平版印刷，Galvanoformung，Abformung；德語為平版印刷，電鍍，模壓)是在光刻后增加電鍍步驟以創(chuàng)建模具，可用于生產(chǎn)許多原始母版的復(fù)制品的工藝。光刻后，在母片上濺射沉積一層鎳釩(NiV)種子層，然后電鍍沉積一層較厚的支撐層。這項(xiàng)技術(shù)已被用于生產(chǎn)仿生表面的注塑母版。這項(xiàng)技術(shù)的其他變體允許構(gòu)建具有集成鐵心的三維線圈以及制造轉(zhuǎn)子元件。DEEMO(干蝕刻、電鍍、模塑)作為LIGA技術(shù)的進(jìn)一步擴(kuò)展而存在，并已被證明是生產(chǎn)用于壓花的印章和模具的一種可行方法。然而，作為一種生產(chǎn)金屬部件的方法，盡管可以實(shí)現(xiàn)高分辨率和低特征尺寸，但它對(duì)專家操作員和潔凈室設(shè)施的依賴阻礙了它的普及。

3.2.氣閥
以Terry等人的名字命名。發(fā)表了他們的工作，很明顯，微流控技術(shù)有可能讓研究人員開發(fā)出新的、更強(qiáng)大的分子分析工具?？紤]到這一點(diǎn)，他們開始創(chuàng)造能夠在微尺度上操縱流體的工具，即可以控制和操縱流體流動(dòng)的泵和閥，從而可以制造出堅(jiān)固的設(shè)備。制造的第一種類型的閥門采用隔膜形式(類似于Terry等人描述的氣相色譜系統(tǒng)中的形式)。為了使這些閥門更可靠，因?yàn)樗鼈兺ǔＰ枰艽蟮膲毫眚?qū)動(dòng)移動(dòng)部件，Huff等人。開發(fā)了一種由流體壓力平衡的閥門，從而允許通過更小的驅(qū)動(dòng)力來操縱隔膜。由于在微觀尺度上靜電力的影響增加，操縱移動(dòng)部件所需的力太大，這意味著在宏觀尺度上使用的磁致動(dòng)器(馬達(dá)和螺線管)無法完成任務(wù)。為了進(jìn)一步解決這一問題，Jerman開發(fā)了一種基于隔膜的閥門，通過電刺激雙金屬觸點(diǎn)來打開。這種閥門能夠在對(duì)MEMS應(yīng)用有用的流量和壓力范圍內(nèi)工作，然而，復(fù)雜的制造意味著這些類型的流量調(diào)節(jié)器從未真正在微流控領(lǐng)域流行起來。

與隔膜閥類似，研究人員也使用簡(jiǎn)單的懸臂結(jié)構(gòu)制造止回閥，以操縱MEMS設(shè)備中的流動(dòng)。這種閥門的一個(gè)這樣的例子是由Tiren等人描述的批量制造的非換向閥。這是一個(gè)兩件式的裝置，一件包含懸臂結(jié)構(gòu)，另一件包含進(jìn)氣和排氣，同時(shí)還密封了密封室。與隔膜閥一樣，這種設(shè)計(jì)具有運(yùn)行速度快、死體積小的優(yōu)點(diǎn)。由于這種閥門是兩件式的，因此制造復(fù)雜，Ohnstein創(chuàng)造了一種可以在一片硅中制造的版本，從而簡(jiǎn)化了制造過程。

3.3.微流泵
在為硅MEMS制造的閥門的基礎(chǔ)上，研究人員還希望將泵微型化，以便將這些泵也整合到一個(gè)設(shè)備中。這類設(shè)備的例子來自史密茨，他設(shè)計(jì)了蠕動(dòng)泵，目的是向糖尿病患者輸送微量的胰島素。他的泵，由壓電操縱的隔膜和止回閥組成，可以抑制回流，可以輸送100min l/?μ的流體。范·林特爾還創(chuàng)造了蠕動(dòng)泵，并包括故障保護(hù)裝置，這樣當(dāng)泵關(guān)閉時(shí)就不會(huì)回流。以上簡(jiǎn)要概述了在硅襯底MEMS的閥門和泵方面進(jìn)行的一些早期工作，但在其他地方可以找到關(guān)于這一主題的更全面的評(píng)論。

盡管在這些閥門和泵的制造和操作方面做了大量工作，但由于各種原因，這項(xiàng)技術(shù)從未真正在微流體領(lǐng)域找到一席之地。也就是說，這種設(shè)備的設(shè)計(jì)和制造需要分子分析領(lǐng)域的人所不具備的大量專業(yè)知識(shí)，這意味著這些設(shè)備的設(shè)計(jì)和制造對(duì)這項(xiàng)技術(shù)的許多最終用戶來說是遙不可及的。此外，這些閥門和泵都是以硅為基礎(chǔ)的，因?yàn)檫@種材料可以通過薄膜加工，如光致抗蝕劑(表面加工)和蝕刻(批量加工)，這些工藝已經(jīng)非常發(fā)達(dá)，已經(jīng)了解到可以創(chuàng)造三維結(jié)構(gòu)。此外，由于其在微電子工業(yè)中的使用，存在用于硅器件的批量制造協(xié)議，從而允許規(guī)模經(jīng)濟(jì)。此外，硅在熱和化學(xué)上都是穩(wěn)定的，當(dāng)微流控設(shè)備經(jīng)常需要加熱器并且必須足夠堅(jiān)固以執(zhí)行敏感操作時(shí)，硅具有誘人的特性。由于硅的結(jié)晶性質(zhì)，還可以根據(jù)晶格結(jié)構(gòu)的取向?qū)崿F(xiàn)各向異性腐蝕--這一特性在許多其他材料中是不存在的，這意味著可以通過濕法腐蝕產(chǎn)生具有可預(yù)測(cè)側(cè)壁幾何形狀的通道。然而，隨著微流控轉(zhuǎn)向生命科學(xué)，很明顯，硅可能不是理想的材料。

3.4.3D打印
80年代還出現(xiàn)了另一項(xiàng)技術(shù)的發(fā)明，這項(xiàng)技術(shù)將對(duì)微流控行業(yè)產(chǎn)生巨大影響。由Charles Hull于1986年開發(fā)的立體平版印刷(SLA)描述了通過堆疊二維薄片來創(chuàng)建三維物體的過程。在這種方法中，計(jì)算機(jī)軟件將三維模型分解成一系列二維層，然后將其串聯(lián)投影到浸泡在UV固化樹脂中的構(gòu)建平臺(tái)上。在每一層都有時(shí)間固化后，向上移動(dòng)構(gòu)建平臺(tái)，并固化下一層。重復(fù)這一過程，直到制造出完整的物體。這項(xiàng)發(fā)明意味著，研究人員可以在不需要昂貴和專業(yè)的設(shè)備和工具的情況下，創(chuàng)造出短時(shí)間的定制部件生產(chǎn)。盡管SLA是在80年代發(fā)展起來的，但直到很久以后才成為一種常見的制造技術(shù)。這項(xiàng)技術(shù)對(duì)微流體的影響將在第5.5節(jié)中討論。

4.90年代：微流體重新站穩(wěn)腳跟

4.1.μ-TAS概念
隨著這些微尺度射流設(shè)備的發(fā)展趨勢(shì)，Manz等人。有人提議，有可能建立總分析系統(tǒng)，即能夠執(zhí)行分析所需的所有功能的系統(tǒng)：采樣、樣品的運(yùn)輸、包括化學(xué)反應(yīng)和分離在內(nèi)的任何樣品制備步驟以及檢測(cè)。此外，這些功能應(yīng)自動(dòng)執(zhí)行。如果所討論的設(shè)備具有微尺度上的特征尺寸，它們將被稱為“微型全分析系統(tǒng)”(μTAS)。在這本有影響力的出版物中，Manz等人。展示了流體力學(xué)在微觀尺度上的物理優(yōu)勢(shì)將如何導(dǎo)致更快、更有效的分析。此外，還假設(shè)可以將許多通道制造成一個(gè)小區(qū)域，從而允許同時(shí)分析多個(gè)樣品。這篇論文展示了微流控設(shè)備的可能性，并為今天實(shí)驗(yàn)室中的常規(guī)進(jìn)步和技術(shù)鋪平了道路。

4.2.美國國防部高級(jí)研究計(jì)劃局。
隨著μTAS概念的誕生，許多其他科學(xué)領(lǐng)域開始對(duì)微流控技術(shù)感興趣，并開始看到這一新興技術(shù)所提供的東西。其中一個(gè)領(lǐng)域是國防。隨著冷戰(zhàn)接近尾聲，來自生物和化學(xué)武器的軍事和恐怖威脅日益增加，考慮到這一點(diǎn)，美國國防高級(jí)項(xiàng)目研究局(DARPA)資助了大量微流體研究，以創(chuàng)造能夠檢測(cè)這些武器的便攜式、可現(xiàn)場(chǎng)部署的設(shè)備。重要的是，這種集中的資金導(dǎo)致了開發(fā)功能性微流控設(shè)備的動(dòng)力增加。

4.3.人類基因組計(jì)劃
微流控的另一個(gè)主要推動(dòng)力出現(xiàn)在90年代初--人類基因組計(jì)劃(HGP)。該項(xiàng)目于1990年啟動(dòng)，目標(biāo)是在15?年內(nèi)繪制出整個(gè)人類基因組圖，并由美國國家衛(wèi)生研究院和美國能源部提供30億美元的公共資金。然而，隨著該項(xiàng)目的開始，情況變得很明顯，目前的DNA測(cè)序技術(shù)無法勝任如此艱巨的任務(wù)。

隨著微流控轉(zhuǎn)向生物檢測(cè)，研究人員開始發(fā)現(xiàn)與使用硅相關(guān)的許多缺點(diǎn)。首先，硅片價(jià)格昂貴。由于微流控的主要原則之一是設(shè)備應(yīng)該比替代品更便宜，硅的成本降低了其作為大規(guī)模生產(chǎn)微流控的可行材料的吸引力。其次，硅是易碎的，這意味著設(shè)備往往很脆弱，因此在運(yùn)輸部件時(shí)必須考慮到這一點(diǎn)。第三，硅在可見光和紫外線(UV)光譜中對(duì)光是不透明的，這是許多傳感器(如用于DNA分析的傳感器)使用光作為檢測(cè)方法時(shí)的一個(gè)重要因素。最后，將硅與其他硅襯底或材料結(jié)合的協(xié)議需要相當(dāng)多的專業(yè)知識(shí)和設(shè)施。當(dāng)微流控器件被考慮時(shí)，鍵合是一個(gè)非常重要的方面，因?yàn)榇蠖鄶?shù)芯片都是以三明治結(jié)構(gòu)制造的。為了擺脫硅，研究人員首先將注意力轉(zhuǎn)向玻璃。玻璃具有與硅類似的優(yōu)點(diǎn)--也就是說，它可以通過薄膜進(jìn)行加工，其方式與微電子工業(yè)中開發(fā)的那些技術(shù)大致相同。玻璃還具有光學(xué)透明的優(yōu)勢(shì)，這使得基于光的檢測(cè)方法可以被整合到設(shè)備中，從而允許新一代基于光學(xué)的微流控生物傳感器。

在90年代之前的幾十年里，DNA測(cè)序依賴于平板凝膠電泳法。由于這些凝膠的制備費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而且難以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化分離，平板凝膠電泳對(duì)于小規(guī)模的研究應(yīng)用是足夠的，但會(huì)顯著阻礙HGP。考慮到這一點(diǎn)，研究人員開始應(yīng)用微流體的原理來創(chuàng)造一種更強(qiáng)大的DNA測(cè)序方法。1990年，Swerdlow和Gestland證明，可以使用直徑75?μm填充電泳膠的二氧化硅毛細(xì)管來代替平板凝膠。更重要的是，當(dāng)他們將這種設(shè)備與平板凝膠電泳法進(jìn)行比較時(shí)，發(fā)現(xiàn)他們的毛細(xì)管電泳法(CE)速度快了3倍，分辨率提高了2.4倍。這些優(yōu)勢(shì)是由于毛細(xì)管的熱性質(zhì)意味著它們?cè)诒┞对诟唠妶?chǎng)中時(shí)不太容易受到焦耳加熱的影響。這意味著，與平板設(shè)備相比，CE設(shè)備可以施加高達(dá)50倍的電場(chǎng)，因此可以使用更短的分離距離，這反過來又有助于更快的操作。由于這些毛細(xì)管的尺寸很小，所以不久就使用光刻技術(shù)來制造這些溝道。到1994年，Woolley和Mathies，以及Effenhauser等人。已經(jīng)在平板玻璃襯底上制造了CE陣列，具有根據(jù)DNA片段大小分離DNA片段的功能--這是DNA測(cè)序的第一步，也是至關(guān)重要的一步。Woolley等人也采取了芯片上DNA測(cè)序的步驟。世衛(wèi)組織證明，對(duì)約150個(gè)堿基對(duì)的片段進(jìn)行測(cè)序可以達(dá)到97%的準(zhǔn)確率。繼續(xù)這項(xiàng)工作，施馬爾津等人。創(chuàng)建了一個(gè)理論框架來幫助優(yōu)化DNA測(cè)序?qū)嶒?yàn)的設(shè)計(jì)。利用這一點(diǎn)，他們能夠?qū)?00個(gè)堿基對(duì)的片段進(jìn)行測(cè)序。

最后，Woolley等人和Simpson等人。證明了可以在一個(gè)玻璃芯片上制造多個(gè)CE通道。這些多重設(shè)備意味著DNA測(cè)序比以往任何時(shí)候都更快、更簡(jiǎn)單。這些微流控平臺(tái)的另一個(gè)關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)是試劑的經(jīng)濟(jì)使用。上述所有方法都能夠從小到幾納升的樣品中分離出DNA。

然而，在此期間，受益于微流體的不僅僅是DNA測(cè)序。聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)(聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng))與平板凝膠電泳法具有相同的缺點(diǎn)，而平板凝膠電泳法是諾斯魯普等人的研究動(dòng)力。開發(fā)第一個(gè)基于芯片的聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)熱循環(huán)儀。這一裝置意味著研究人員現(xiàn)在可以按照Manz等人提出的要求，將樣品制備以及檢測(cè)和分析合并到一個(gè)單一的微流控裝置中。適用于μTAS。此外，這些進(jìn)展意味著HGP在2003年如期完成，并為我們對(duì)微流體的理解做出了巨大貢獻(xiàn)。

4.4.。PDMS。
如上所述，在許多微流體應(yīng)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)(也用于制造設(shè)備)是在整個(gè)微流體研究中都可以獲得的材料，因此不被視為該領(lǐng)域的進(jìn)步。正因?yàn)槿绱?，我們?cè)谶@里不再詳細(xì)討論它們，盡管材料選擇如何隨著微流體技術(shù)的進(jìn)步而變化在第4.7節(jié)中進(jìn)行了討論。此外，玻璃作為標(biāo)準(zhǔn)的微流體材料被更便宜的替代品所取代，這將允許采用更簡(jiǎn)單的方法制造微流體，同時(shí)仍然允許安裝閥門和泵。20世紀(jì)末，由哈佛大學(xué)George Whiteside和他的團(tuán)隊(duì)首創(chuàng)的彈性材料聚(二甲基硅氧烷)(PDMS)迅速成為制造微流體設(shè)備的最受歡迎的材料。與玻璃和硅相比，PDMS中的器件制造簡(jiǎn)單，不需要昂貴的潔凈室設(shè)施。首先，(通過硅微加工或其他)制備母版結(jié)構(gòu)。接下來，將PDMS基材和固化劑混合在一起，然后將溶液倒在模具上。PDMS的低表面能意味著它很容易流動(dòng)到小部件中，從模具中釋放很容易。這又意味著，尺寸小于0.1?μm的特征可以輕松鑄造。PDMS的另一個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)是它可以與自身或其他材料粘合。PDMS通道可以通過多種方法進(jìn)行密封。在最簡(jiǎn)單的方法中，膠帶可以用來密封通道，但更常見的是將設(shè)備密封在玻璃片上或用另一層PDMS密封。當(dāng)與另一基材保形接觸時(shí)，PDMS的彈性性質(zhì)意味著形成能夠承受中等流體壓力的密封件。此外，如果需要高壓密封，PDMS可以通過兩個(gè)界面的等離子處理不可逆地粘合到其他材料上。另一種粘合方法是使具有基礎(chǔ)飽和的一側(cè)與具有固化劑飽和的一側(cè)接觸。加熱時(shí)，在兩側(cè)之間形成不可逆的結(jié)合，而不需要粘合劑，否則可能會(huì)堵塞通道。這些簡(jiǎn)單的過程意味著微流控設(shè)備的原型變得快速和廉價(jià)，因此它被微流控社區(qū)所接受。

除了上述優(yōu)點(diǎn)，PDMS的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是其柔軟、有彈性的性質(zhì)。這導(dǎo)致斯坦福大學(xué)的史蒂芬·奎克團(tuán)隊(duì)開發(fā)了地震閥，這將成為微流體領(lǐng)域最常用的閥。在μTAS理念的推動(dòng)下，每一臺(tái)微流控設(shè)備都應(yīng)該能夠執(zhí)行分析所需的所有必要步驟，Quake試圖在現(xiàn)在流行的PDMS中重新制造為硅MEMS行業(yè)制造的閥門和泵。他創(chuàng)造的閥門是由多層PDMS結(jié)構(gòu)構(gòu)建的，盡管已經(jīng)演示了3D打印閥門(圖4C)。一層容納了用于流體流動(dòng)的通道，而在另一層中制造了一條垂直于該通道的控制線。當(dāng)控制線中的壓力增加時(shí)，控制線會(huì)鼓起并使通道變形，從而使通道中的流動(dòng)完全受阻。這方面的示意圖可以在圖4中看到。這些閥門還具有低死氣量和快速操作，符合μTAS的要求。與硅閥一樣，這些PDMS閥可以按順序激活，以生產(chǎn)具有PDMS固有制造簡(jiǎn)易性的蠕動(dòng)泵。使用PDMS設(shè)備的應(yīng)用實(shí)例包括生化分析、基因組學(xué)、化學(xué)反應(yīng)和生物檢測(cè)。這些應(yīng)用中的許多都是由于PDMS對(duì)氣體的滲透性而成為可能的，這使得PDMS成為用于活細(xì)胞研究的理想材料。

圖4.防震閥的制造工藝。左側(cè)為流道，右側(cè)為氣動(dòng)控制線。然后將控制線放置在通道的頂部。在操作期間，控制線中壓力的增加使通道變形到這樣的程度，使得微流控通道中的流動(dòng)被阻塞。B表示閥門的運(yùn)行情況。當(dāng)閥門打開時(shí)，流體可以在較低的通道中流動(dòng)。當(dāng)控制流道中的壓力增加時(shí)，流道變形，阻礙流動(dòng)。CA-帶有一組防震閥(打開)的裝置，通過立體光刻術(shù)制造，并在CB中關(guān)閉。

懷特賽德不僅滿足于簡(jiǎn)單地將PDMS用作微流體的襯底，還率先將這種材料用作制造工具。由于PDMS具有柔軟、彈性體的性質(zhì)，這套技術(shù)被稱為“軟光刻”。