4.6.表面處理
隨著上述制造技術(shù)的進(jìn)步，微流控領(lǐng)域?qū)酆衔锏囊蕾?lài)程度越來(lái)越高。雖然這些聚合物具有許多如前所述的理想特性，但聚合物界面往往具有較差的耐化學(xué)性和潤(rùn)濕性--這些特性是微流控設(shè)備運(yùn)行的基礎(chǔ)。為了解決這個(gè)問(wèn)題，研究人員開(kāi)發(fā)了一系列不同的技術(shù)，可以改變材料的表面，并以新的特性吸收它們。下文概述了這些過(guò)程，并在其他地方找到了更詳細(xì)的審查。

4.6.1.等離子體處理
盡管氧等離子體在微細(xì)加工中是一種常見(jiàn)的清潔襯底的方法，但可以用來(lái)改變硅和聚合物的表面，這可以通過(guò)化學(xué)和形貌兩種方式來(lái)完成。從化學(xué)角度來(lái)看，等離子體已被證明可以促進(jìn)表面結(jié)合的硅氧烷網(wǎng)絡(luò)的形成，該網(wǎng)絡(luò)可以與蛋白質(zhì)一起功能化。甘地拉曼等人。詳細(xì)描述氧氣等離子體如何在化學(xué)氣相沉積胺之前激活環(huán)烯烴聚合物，提供了一種產(chǎn)生功能化表面的方法。這種方法也非常適用于聚合物，因?yàn)樗峁┝艘环N不需要高溫就能產(chǎn)生羥化表面的方法。關(guān)于表面形貌，Evangelos Gogolidis和他的團(tuán)隊(duì)詳細(xì)介紹了如何通過(guò)控制反應(yīng)室內(nèi)的材料和條件，使用O2等離子體在PMMA上提供不同程度的納米粗糙度。這種可調(diào)工藝可用于通過(guò)這種納米織構(gòu)創(chuàng)建超疏水表面，可用于制造自清潔材料以及控制材料的光學(xué)性能。

等離子體也被用于深度反應(yīng)離子蝕刻協(xié)議，然而，取代氧氣，使用氟碳和氯等反應(yīng)氣體的等離子體來(lái)蝕刻襯底-通常是以光刻工藝定義的圖案。由于等離子體可以由電極引導(dǎo)，這是以各向異性的方式完成的。

等離子體技術(shù)的另一個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域是聚合物薄膜的沉積。雖然傳統(tǒng)上采用旋涂的方法，但等離子體沉積允許在非平面表面的頂部形成無(wú)針孔的薄膜。Pedersen等人。描述了一種將正己烷單體聚合并沉積到襯底上以提供可用作電子束光刻抗蝕劑的涂層的方法。同樣，等離子體沉積提供了一種適合于聚合物加工的低溫方法。

4.6.2其他表面處理
除了等離子處理，還有各種各樣的技術(shù)可以用來(lái)改變材料的表面屬性。這些措施包括在微流控設(shè)備的壁上沉積溶膠-凝膠以增加其耐化學(xué)性，以及用紫外光照射聚合物表面，導(dǎo)致表面形成可與蛋白質(zhì)一起功能化的酸性基團(tuán)。Schütte等人。將這項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用于細(xì)胞外基質(zhì)蛋白I型膠原的構(gòu)型，以創(chuàng)建可促進(jìn)微腔內(nèi)細(xì)胞黏附和增殖的區(qū)域。研究發(fā)現(xiàn)，在引入膠原蛋白之前，這些酸性基團(tuán)的穩(wěn)定性足夠高，足以承受額外的制造步驟，從而允許封閉通道。

4.7. 選材
隨著上述技術(shù)可用于微流控領(lǐng)域，研究人員必須考慮這些新的制造方法將如何影響他們對(duì)材料的選擇，反之亦然。本節(jié)旨在總結(jié)材料及其可用的制造程序，并描述一種材料相對(duì)于另一種材料的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。如上所述，玻璃和硅等材料具有易于理解的制造方案的優(yōu)勢(shì)，尤其是玻璃，在微流體應(yīng)用方面具有優(yōu)異的性能。即耐化學(xué)性和與光學(xué)檢測(cè)方法的兼容性。另一方面，玻璃和硅需要復(fù)雜和勞動(dòng)密集型的制造步驟。

在其發(fā)展之后，由于其易于制造和相對(duì)較低的成本，PDMS成為并仍然是最常用的器件制造材料。然而，PDMS的成本往往被通過(guò)先進(jìn)制造方法生產(chǎn)的母版的要求所抵消，當(dāng)考慮到PDMS用于短期生產(chǎn)時(shí)，這可能是一個(gè)重要因素。

在世紀(jì)之交，由于上述微制造方法的發(fā)展，人們對(duì)用于微流體的聚合物越來(lái)越感興趣。PMMA因其剛性、光學(xué)透明性、適合高通量制造方法以及與許多現(xiàn)有生物分子技術(shù)的兼容性而被用作微流體的初始候選者。與之前的玻璃一樣，研究人員在PMMA中開(kāi)發(fā)了能夠?qū)崿F(xiàn)多種功能的設(shè)備，如電泳和DNA測(cè)序。除了PMMA，現(xiàn)在設(shè)計(jì)微流控設(shè)備時(shí)還考慮聚碳酸酯、聚苯乙烯和環(huán)烯烴共聚物(COC)等材料，特別是用于注塑成型零件的壓花。

5. 21世紀(jì)：微流控技術(shù)的發(fā)展。
隨著這些新技術(shù)的發(fā)展，世紀(jì)之交帶來(lái)了微流體研究的巨大增長(zhǎng)，導(dǎo)致了許多新的具有廣泛功能的微流體平臺(tái)的產(chǎn)生。這些技術(shù)中的一小部分將在本節(jié)中進(jìn)行簡(jiǎn)要描述。關(guān)于微流體的不同領(lǐng)域及其能力的更詳細(xì)審查可在其他地方找到(液滴微流體、紙張分析設(shè)備、開(kāi)放式微流體和芯片上器官)。

5.1.液滴微流體學(xué)
液滴微流體(由于其離散的性質(zhì)有時(shí)被稱(chēng)為“數(shù)字微流體”)在90年代首次被描述，它涉及將反應(yīng)封裝在乳狀液的離散隔室中。通常，這涉及將試劑包裹在油包水乳狀液的水相中，隨著能夠快速產(chǎn)生大量均勻液滴的微流控平臺(tái)的開(kāi)發(fā)，這項(xiàng)技術(shù)成為實(shí)現(xiàn)高通量生物化學(xué)分析的一種手段。這種產(chǎn)生液滴的方法類(lèi)似于上述噴墨打印液滴的生產(chǎn)方法(瑞利標(biāo)準(zhǔn))，但包含了連續(xù)的油相，一旦液滴達(dá)到臨界尺寸(圖6A)，通過(guò)粘性阻力將液滴分離(圖6A)(可以通過(guò)改變噴嘴的幾何形狀來(lái)控制)。液滴微流控技術(shù)的主要優(yōu)勢(shì)在于其高度的復(fù)合能力。由于反應(yīng)可以局限在體積為幾納升的隔間中，可以想象數(shù)千個(gè)反應(yīng)可以彼此獨(dú)立地同時(shí)發(fā)生。這一概念導(dǎo)致了這項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展，用于高通量PCR、酶篩選(如圖6所示)和單細(xì)胞抗體篩選。這項(xiàng)技術(shù)的進(jìn)一步應(yīng)用包括受控制造金納米顆粒，這是可以實(shí)現(xiàn)的，因?yàn)橐旱沃写嬖诘脑噭┛梢院苋菀椎囟ㄖ埔詽M(mǎn)足任何需求。

圖6.整個(gè)酵母篩選過(guò)程的工作流程。首先，酵母細(xì)胞在紫外線照射下發(fā)生突變，然后被包裹成帶有產(chǎn)氟酶底物(B)的液滴。這些液滴隨后被孵化，一些細(xì)胞產(chǎn)生一種酶來(lái)消化底物，并增加液滴的熒光。然后將液滴引入分揀設(shè)備(C)，在那里激光激發(fā)熒光分子，如果該熒光高于閾值水平，則開(kāi)啟電極并將酶產(chǎn)量提高的細(xì)胞分流到單獨(dú)的輸出(C)，同時(shí)含有低產(chǎn)酶細(xì)胞的液滴流入廢物通道。B、C和D上的箭頭表示流體流動(dòng)方向。

5.2.紙張分析裝置
為了降低與微流控器件的開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)相關(guān)的成本，紙張已被用作微流控芯片的替代品。用紙有幾個(gè)主要的優(yōu)點(diǎn)。首先，紙張為微流體提供了良好的基礎(chǔ)，因?yàn)榱黧w通過(guò)毛細(xì)作用通過(guò)設(shè)備傳輸，使得需要電源的泵不再需要。這項(xiàng)技術(shù)過(guò)去曾被用于生產(chǎn)商業(yè)上非常成功的設(shè)備，如家庭懷孕測(cè)試的側(cè)向流動(dòng)分析、紙基pH試紙和比色式葡萄糖傳感器。然而，直到2007年，懷特賽德小組的研究人員展示了如何使用功能化的色譜紙對(duì)溶液進(jìn)行快速、多重分析時(shí)，紙張分析設(shè)備(PADS)才走到了微流控領(lǐng)域的前沿。

這個(gè)初始裝置可以在圖7A中看到。雖然這些設(shè)備的最初制造依賴(lài)于光刻技術(shù)，但現(xiàn)在制造這些設(shè)備的最標(biāo)準(zhǔn)方法是基于噴墨打印。這種制造方法包括將疏水蠟印在濾紙上，以創(chuàng)建定義明確且易于編程的通道來(lái)控制流體流動(dòng)。這可以用一臺(tái)噴墨打印機(jī)來(lái)完成，該打印機(jī)已經(jīng)被改變?yōu)榇蛴∠灦皇悄?。打印后，紙和蠟在熱板上或在烤箱中加熱，以融化蠟并允許其從表面流動(dòng)到紙的纖維中，從而在整個(gè)紙張厚度上形成疏水屏障。在硅和聚合物襯底上使用紙張也大大降低了成本。有了紙，以每臺(tái)設(shè)備低至0.10美元的成本制造設(shè)備是現(xiàn)實(shí)的，而不需要大量的專(zhuān)業(yè)知識(shí)或?qū)ｉT(mén)設(shè)備。此外，廢棄襯墊的處理很簡(jiǎn)單，因?yàn)椴恍枰J利的垃圾箱，設(shè)備可以簡(jiǎn)單地焚燒，降低了與處理傳染性材料相關(guān)的風(fēng)險(xiǎn)。考慮到上述優(yōu)點(diǎn)，許多焊盤(pán)已經(jīng)被創(chuàng)造出來(lái)，具有廣泛的應(yīng)用。例如瘧疾測(cè)試，從全血中提取DNA是在設(shè)備上完成的(圖7B)，以及用于識(shí)別牛傳染性生殖疾病的類(lèi)似測(cè)試，以及用于結(jié)核病診斷的PAD，這是許多現(xiàn)有技術(shù)在紙上的實(shí)現(xiàn)，如酶聯(lián)免疫吸附分析(ELISA)和由許多層組成的復(fù)雜設(shè)計(jì)(圖7C)。

圖7.紙張分析裝置。AA-紅色墨水會(huì)被紙吸收，不會(huì)穿透蠟層。AB-展示了用于蛋白質(zhì)和葡萄糖比色檢測(cè)的完整設(shè)備和試劑。AC-展示了暴露在人造尿液中的裝置，而Ad暴露在分別含有葡萄糖和蛋白質(zhì)的人造尿液中。廣告中的顏色變化。表示溶液中存在葡萄糖和蛋白質(zhì)。AE-顯示使用不同濃度的葡萄糖和蛋白質(zhì)時(shí)顏色強(qiáng)度的差異。B顯示的3D Pad也是由Whiteside等人開(kāi)發(fā)的。BA、BB和BC顯示了隨后三個(gè)時(shí)間點(diǎn)的設(shè)備，而B(niǎo)d顯示了BC中描述的設(shè)備的橫截面。在這里，可以看到器件的兩層以及它們之間的通孔。。C-3D折紙?jiān)O(shè)備，由Xu等人描述。CA顯示設(shè)備處于展開(kāi)狀態(tài)。該裝置如CB和CC所示進(jìn)行折疊，并加入樣品以及裂解/洗滌緩沖液。在加入洗脫緩沖液(CF)之前，將該裝置折疊十次，如中所示。CG顯示了與內(nèi)部對(duì)照的測(cè)試，同時(shí)也說(shuō)明了對(duì)瘧原蟲(chóng)(CG)、惡性瘧原蟲(chóng)(Ci)、惡性瘧原蟲(chóng)(Pan)、間日瘧原蟲(chóng)(Cj)的陽(yáng)性試驗(yàn)。