原创 微流控技术三十年发展史(四)

2023-1-19 10:22 312 0 分类: 工业电子

4.6.表面处理
随着上述制造技术的进步,微流控领域对聚合物的依赖程度越来越高。虽然这些聚合物具有许多如前所述的理想特性,但聚合物界面往往具有较差的耐化学性和润湿性--这些特性是微流控设备运行的基础。为了解决这个问题,研究人员开发了一系列不同的技术,可以改变材料的表面,并以新的特性吸收它们。下文概述了这些过程,并在其他地方找到了更详细的审查。

4.6.1.等离子体处理
尽管氧等离子体在微细加工中是一种常见的清洁衬底的方法,但可以用来改变硅和聚合物的表面,这可以通过化学和形貌两种方式来完成。从化学角度来看,等离子体已被证明可以促进表面结合的硅氧烷网络的形成,该网络可以与蛋白质一起功能化。甘地拉曼等人。详细描述氧气等离子体如何在化学气相沉积胺之前激活环烯烃聚合物,提供了一种产生功能化表面的方法。这种方法也非常适用于聚合物,因为它提供了一种不需要高温就能产生羟化表面的方法。关于表面形貌,Evangelos Gogolidis和他的团队详细介绍了如何通过控制反应室内的材料和条件,使用O2等离子体在PMMA上提供不同程度的纳米粗糙度。这种可调工艺可用于通过这种纳米织构创建超疏水表面,可用于制造自清洁材料以及控制材料的光学性能。

等离子体也被用于深度反应离子蚀刻协议,然而,取代氧气,使用氟碳和氯等反应气体的等离子体来蚀刻衬底-通常是以光刻工艺定义的图案。由于等离子体可以由电极引导,这是以各向异性的方式完成的。

等离子体技术的另一个应用领域是聚合物薄膜的沉积。虽然传统上采用旋涂的方法,但等离子体沉积允许在非平面表面的顶部形成无针孔的薄膜。Pedersen等人。描述了一种将正己烷单体聚合并沉积到衬底上以提供可用作电子束光刻抗蚀剂的涂层的方法。同样,等离子体沉积提供了一种适合于聚合物加工的低温方法。

4.6.2其他表面处理
除了等离子处理,还有各种各样的技术可以用来改变材料的表面属性。这些措施包括在微流控设备的壁上沉积溶胶-凝胶以增加其耐化学性,以及用紫外光照射聚合物表面,导致表面形成可与蛋白质一起功能化的酸性基团。Schütte等人。将这项技术应用于细胞外基质蛋白I型胶原的构型,以创建可促进微腔内细胞黏附和增殖的区域。研究发现,在引入胶原蛋白之前,这些酸性基团的稳定性足够高,足以承受额外的制造步骤,从而允许封闭通道。

4.7. 选材
随着上述技术可用于微流控领域,研究人员必须考虑这些新的制造方法将如何影响他们对材料的选择,反之亦然。本节旨在总结材料及其可用的制造程序,并描述一种材料相对于另一种材料的优点和缺点。如上所述,玻璃和硅等材料具有易于理解的制造方案的优势,尤其是玻璃,在微流体应用方面具有优异的性能。即耐化学性和与光学检测方法的兼容性。另一方面,玻璃和硅需要复杂和劳动密集型的制造步骤。

在其发展之后,由于其易于制造和相对较低的成本,PDMS成为并仍然是最常用的器件制造材料。然而,PDMS的成本往往被通过先进制造方法生产的母版的要求所抵消,当考虑到PDMS用于短期生产时,这可能是一个重要因素。

在世纪之交,由于上述微制造方法的发展,人们对用于微流体的聚合物越来越感兴趣。PMMA因其刚性、光学透明性、适合高通量制造方法以及与许多现有生物分子技术的兼容性而被用作微流体的初始候选者。与之前的玻璃一样,研究人员在PMMA中开发了能够实现多种功能的设备,如电泳和DNA测序。除了PMMA,现在设计微流控设备时还考虑聚碳酸酯、聚苯乙烯和环烯烃共聚物(COC)等材料,特别是用于注塑成型零件的压花。

5. 21世纪:微流控技术的发展。
随着这些新技术的发展,世纪之交带来了微流体研究的巨大增长,导致了许多新的具有广泛功能的微流体平台的产生。这些技术中的一小部分将在本节中进行简要描述。关于微流体的不同领域及其能力的更详细审查可在其他地方找到(液滴微流体、纸张分析设备、开放式微流体和芯片上器官)。

5.1.液滴微流体学
液滴微流体(由于其离散的性质有时被称为“数字微流体”)在90年代首次被描述,它涉及将反应封装在乳状液的离散隔室中。通常,这涉及将试剂包裹在油包水乳状液的水相中,随着能够快速产生大量均匀液滴的微流控平台的开发,这项技术成为实现高通量生物化学分析的一种手段。这种产生液滴的方法类似于上述喷墨打印液滴的生产方法(瑞利标准),但包含了连续的油相,一旦液滴达到临界尺寸(图6A),通过粘性阻力将液滴分离(图6A)(可以通过改变喷嘴的几何形状来控制)。液滴微流控技术的主要优势在于其高度的复合能力。由于反应可以局限在体积为几纳升的隔间中,可以想象数千个反应可以彼此独立地同时发生。这一概念导致了这项技术的发展,用于高通量PCR、酶筛选(如图6所示)和单细胞抗体筛选。这项技术的进一步应用包括受控制造金纳米颗粒,这是可以实现的,因为液滴中存在的试剂可以很容易地定制以满足任何需求。

6.整个酵母筛选过程的工作流程。首先,酵母细胞在紫外线照射下发生突变,然后被包裹成带有产氟酶底物(B)的液滴。这些液滴随后被孵化,一些细胞产生一种酶来消化底物,并增加液滴的荧光。然后将液滴引入分拣设备(C),在那里激光激发荧光分子,如果该荧光高于阈值水平,则开启电极并将酶产量提高的细胞分流到单独的输出(C),同时含有低产酶细胞的液滴流入废物通道。B、C和D上的箭头表示流体流动方向。

5.2.纸张分析装置
为了降低与微流控器件的开发和生产相关的成本,纸张已被用作微流控芯片的替代品。用纸有几个主要的优点。首先,纸张为微流体提供了良好的基础,因为流体通过毛细作用通过设备传输,使得需要电源的泵不再需要。这项技术过去曾被用于生产商业上非常成功的设备,如家庭怀孕测试的侧向流动分析、纸基pH试纸和比色式葡萄糖传感器。然而,直到2007年,怀特赛德小组的研究人员展示了如何使用功能化的色谱纸对溶液进行快速、多重分析时,纸张分析设备(PADS)才走到了微流控领域的前沿。

这个初始装置可以在图7A中看到。虽然这些设备的最初制造依赖于光刻技术,但现在制造这些设备的最标准方法是基于喷墨打印。这种制造方法包括将疏水蜡印在滤纸上,以创建定义明确且易于编程的通道来控制流体流动。这可以用一台喷墨打印机来完成,该打印机已经被改变为打印蜡而不是墨水。打印后,纸和蜡在热板上或在烤箱中加热,以融化蜡并允许其从表面流动到纸的纤维中,从而在整个纸张厚度上形成疏水屏障。在硅和聚合物衬底上使用纸张也大大降低了成本。有了纸,以每台设备低至0.10美元的成本制造设备是现实的,而不需要大量的专业知识或专门设备。此外,废弃衬垫的处理很简单,因为不需要锐利的垃圾箱,设备可以简单地焚烧,降低了与处理传染性材料相关的风险。考虑到上述优点,许多焊盘已经被创造出来,具有广泛的应用。例如疟疾测试,从全血中提取DNA是在设备上完成的(图7B),以及用于识别牛传染性生殖疾病的类似测试,以及用于结核病诊断的PAD,这是许多现有技术在纸上的实现,如酶联免疫吸附分析(ELISA)和由许多层组成的复杂设计(图7C)。

 

7.纸张分析装置。AA-红色墨水会被纸吸收,不会穿透蜡层。AB-展示了用于蛋白质和葡萄糖比色检测的完整设备和试剂。AC-展示了暴露在人造尿液中的装置,而Ad暴露在分别含有葡萄糖和蛋白质的人造尿液中。广告中的颜色变化。表示溶液中存在葡萄糖和蛋白质。AE-显示使用不同浓度的葡萄糖和蛋白质时颜色强度的差异。B显示的3D Pad也是由Whiteside等人开发的。BA、BB和BC显示了随后三个时间点的设备,而Bd显示了BC中描述的设备的横截面。在这里,可以看到器件的两层以及它们之间的通孔。。C-3D折纸设备,由Xu等人描述。CA显示设备处于展开状态。该装置如CB和CC所示进行折叠,并加入样品以及裂解/洗涤缓冲液。在加入洗脱缓冲液(CF)之前,将该装置折叠十次,如中所示。CG显示了与内部对照的测试,同时也说明了对疟原虫(CG)、恶性疟原虫(Ci)、恶性疟原虫(Pan)、间日疟原虫(Cj)的阳性试验。

文章来源:www.whchip.com

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