3.80年代：微流體學的早期研究

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。這項技術已被用于生產(chǎn)仿生表面的注塑母版。這項技術的其他變體允許構(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技術的進一步擴展而存在，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，盡管可以實現(xiàn)高分辨率和低特征尺寸，但它對專家操作員和潔凈室設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，微流控技術有可能讓研究人員開發(fā)出新的、更強大的分子分析工具?？紤]到這一點，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的泵和閥，從而可以制造出堅固的設備。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，因為它們通常需要很大的壓力來驅(qū)動移動部件，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，操縱移動部件所需的力太大，這意味著在宏觀尺度上使用的磁致動器(馬達和螺線管)無法完成任務。為了進一步解決這一問題，Jerman開發(fā)了一種基于隔膜的閥門，通過電刺激雙金屬觸點來打開。這種閥門能夠在對MEMS應用有用的流量和壓力范圍內(nèi)工作，然而，復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域流行起來。

與隔膜閥類似，研究人員也使用簡單的懸臂結(jié)構(gòu)制造止回閥，以操縱MEMS設備中的流動。這種閥門的一個這樣的例子是由Tiren等人描述的批量制造的非換向閥。這是一個兩件式的裝置，一件包含懸臂結(jié)構(gòu)，另一件包含進氣和排氣，同時還密封了密封室。與隔膜閥一樣，這種設計具有運行速度快、死體積小的優(yōu)點。由于這種閥門是兩件式的，因此制造復雜，Ohnstein創(chuàng)造了一種可以在一片硅中制造的版本，從而簡化了制造過程。

3.3.微流泵
在為硅MEMS制造的閥門的基礎上，研究人員還希望將泵微型化，以便將這些泵也整合到一個設備中。這類設備的例子來自史密茨，他設計了蠕動泵，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)造了蠕動泵，并包括故障保護裝置，這樣當泵關閉時就不會回流。以上簡要概述了在硅襯底MEMS的閥門和泵方面進行的一些早期工作，但在其他地方可以找到關于這一主題的更全面的評論。

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，這項技術從未真正在微流體領域找到一席之地。也就是說，這種設備的設計和制造需要分子分析領域的人所不具備的大量專業(yè)知識，這意味著這些設備的設計和制造對這項技術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的，因為這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，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。此外，硅在熱和化學上都是穩(wěn)定的，當微流控設備經(jīng)常需要加熱器并且必須足夠堅固以執(zhí)行敏感操作時，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)生具有可預測側(cè)壁幾何形狀的通道。然而，隨著微流控轉(zhuǎn)向生命科學，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)了另一項技術的發(fā)明，這項技術將對微流控行業(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，計算機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)建平臺上。在每一層都有時間固化后，向上移動構(gòu)建平臺，并固化下一層。重復這一過程，直到制造出完整的物體。這項發(fā)明意味著，研究人員可以在不需要昂貴和專業(yè)的設備和工具的情況下，創(chuàng)造出短時間的定制部件生產(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。這項技術對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備的發(fā)展趨勢，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、樣品的運輸、包括化學反應和分離在內(nèi)的任何樣品制備步驟以及檢測。此外，這些功能應自動執(zhí)行。如果所討論的設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。展示了流體力學在微觀尺度上的物理優(yōu)勢將如何導致更快、更有效的分析。此外，還假設可以將許多通道制造成一個小區(qū)域，從而允許同時分析多個樣品。這篇論文展示了微流控設備的可能性，并為今天實驗室中的常規(guī)進步和技術鋪平了道路。

4.2.美國國防部高級研究計劃局。
隨著μTAS概念的誕生，許多其他科學領域開始對微流控技術感興趣，并開始看到這一新興技術所提供的東西。其中一個領域是國防。隨著冷戰(zhàn)接近尾聲，來自生物和化學武器的軍事和恐怖威脅日益增加，考慮到這一點，美國國防高級項目研究局(DARPA)資助了大量微流體研究，以創(chuàng)造能夠檢測這些武器的便攜式、可現(xiàn)場部署的設備。重要的是，這種集中的資金導致了開發(fā)功能性微流控設備的動力增加。

4.3.人類基因組計劃
微流控的另一個主要推動力出現(xiàn)在90年代初--人類基因組計劃(HGP)。該項目于1990年啟動，目標是在15?年內(nèi)繪制出整個人類基因組圖，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，隨著該項目的開始，情況變得很明顯，目前的DNA測序技術無法勝任如此艱巨的任務。

隨著微流控轉(zhuǎn)向生物檢測，研究人員開始發(fā)現(xiàn)與使用硅相關的許多缺點。首先，硅片價格昂貴。由于微流控的主要原則之一是設備應該比替代品更便宜，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，這意味著設備往往很脆弱，因此在運輸部件時必須考慮到這一點。第三，硅在可見光和紫外線(UV)光譜中對光是不透明的，這是許多傳感器(如用于DNA分析的傳感器)使用光作為檢測方法時的一個重要因素。最后，將硅與其他硅襯底或材料結(jié)合的協(xié)議需要相當多的專業(yè)知識和設施。當微流控器件被考慮時，鍵合是一個非常重要的方面，因為大多數(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--也就是說，它可以通過薄膜進行加工，其方式與微電子工業(yè)中開發(fā)的那些技術大致相同。玻璃還具有光學透明的優(yōu)勢，這使得基于光的檢測方法可以被整合到設備中，從而允許新一代基于光學的微流控生物傳感器。

在90年代之前的幾十年里，DNA測序依賴于平板凝膠電泳法。由于這些凝膠的制備費時費力，而且難以實現(xiàn)自動化分離，平板凝膠電泳對于小規(guī)模的研究應用是足夠的，但會顯著阻礙HGP?？紤]到這一點，研究人員開始應用微流體的原理來創(chuàng)造一種更強大的DNA測序方法。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管來代替平板凝膠。更重要的是，當他們將這種設備與平板凝膠電泳法進行比較時，發(fā)現(xiàn)他們的毛細管電泳法(CE)速度快了3倍，分辨率提高了2.4倍。這些優(yōu)勢是由于毛細管的熱性質(zhì)意味著它們在暴露在高電場中時不太容易受到焦耳加熱的影響。這意味著，與平板設備相比，CE設備可以施加高達50倍的電場，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。由于這些毛細管的尺寸很小，所以不久就使用光刻技術來制造這些溝道。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測序的第一步，也是至關重要的一步。Woolley等人也采取了芯片上DNA測序的步驟。世衛(wèi)組織證明，對約150個堿基對的片段進行測序可以達到97%的準確率。繼續(xù)這項工作，施馬爾津等人。創(chuàng)建了一個理論框架來幫助優(yōu)化DNA測序?qū)嶒灥脑O計。利用這一點，他們能夠?qū)?00個堿基對的片段進行測序。

最后，Woolley等人和Simpson等人。證明了可以在一個玻璃芯片上制造多個CE通道。這些多重設備意味著DNA測序比以往任何時候都更快、更簡單。這些微流控平臺的另一個關鍵優(yōu)勢是試劑的經(jīng)濟使用。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測序。聚合酶鏈式反應(聚合酶鏈式反應)與平板凝膠電泳法具有相同的缺點，而平板凝膠電泳法是諾斯魯普等人的研究動力。開發(fā)第一個基于芯片的聚合酶鏈式反應熱循環(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和分析合并到一個單一的微流控裝置中。適用于μTAS。此外，這些進展意味著HGP在2003年如期完成，并為我們對微流體的理解做出了巨大貢獻。

4.4.。PDMS。
如上所述，在許多微流體應用中，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)(也用于制造設備)是在整個微流體研究中都可以獲得的材料，因此不被視為該領域的進步。正因為如此，我們在這里不再詳細討論它們，盡管材料選擇如何隨著微流體技術的進步而變化在第4.7節(jié)中進行了討論。此外，玻璃作為標準的微流體材料被更便宜的替代品所取代，這將允許采用更簡單的方法制造微流體，同時仍然允許安裝閥門和泵。20世紀末，由哈佛大學George Whiteside和他的團隊首創(chuàng)的彈性材料聚(二甲基硅氧烷)(PDMS)迅速成為制造微流體設備的最受歡迎的材料。與玻璃和硅相比，PDMS中的器件制造簡單，不需要昂貴的潔凈室設施。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的另一個主要優(yōu)點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行密封。在最簡單的方法中，膠帶可以用來密封通道，但更常見的是將設備密封在玻璃片上或用另一層PDMS密封。當與另一基材保形接觸時，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飽和的一側(cè)與具有固化劑飽和的一側(cè)接觸。加熱時，在兩側(cè)之間形成不可逆的結(jié)合，而不需要粘合劑，否則可能會堵塞通道。這些簡單的過程意味著微流控設備的原型變得快速和廉價，因此它被微流控社區(qū)所接受。

除了上述優(yōu)點，PDMS的另一個優(yōu)點是其柔軟、有彈性的性質(zhì)。這導致斯坦福大學的史蒂芬·奎克團隊開發(fā)了地震閥，這將成為微流體領域最常用的閥。在μTAS理念的推動下，每一臺微流控設備都應該能夠執(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。當控制線中的壓力增加時，控制線會鼓起并使通道變形，從而使通道中的流動完全受阻。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固有制造簡易性的蠕動泵。使用PDMS設備的應用實例包括生化分析、基因組學、化學反應和生物檢測。這些應用中的許多都是由于PDMS對氣體的滲透性而成為可能的，這使得PDMS成為用于活細胞研究的理想材料。

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被阻塞。B表示閥門的運行情況。當閥門打開時，流體可以在較低的通道中流動。當控制流道中的壓力增加時，流道變形，阻礙流動。CA-帶有一組防震閥(打開)的裝置，通過立體光刻術制造，并在CB中關閉。

懷特賽德不僅滿足于簡單地將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)，這套技術被稱為“軟光刻”。