圖 1. 具有各向同性蝕刻通道的 >0.3 mm 玻璃晶片用室溫 UV 粘合劑粘合到 1 mm 厚的玻璃晶片上；玻璃：玻璃鍵保持封裝的生物分子/細(xì)胞的生物活性。

將小于一滴血的流動(dòng)細(xì)胞穿梭到功能區(qū)是強(qiáng)大的體外診斷（IVD）系統(tǒng)開發(fā)、自動(dòng)化和小型化的基礎(chǔ)。這些系統(tǒng)反過來支持廣泛的應(yīng)用和設(shè)備，從數(shù)字生物學(xué)到下一代基因組測序，芯片上的器官，基于細(xì)胞的高通量分析，以及用于藥物發(fā)現(xiàn)和生物分析的高密度多功能芯片。

降低樣本量和試劑消耗、提高分析速度和降低成本的目標(biāo)是將IVD設(shè)備制造推向一個(gè)新的極限，同時(shí)提高設(shè)備的復(fù)雜性和功能集成性。其尺寸和復(fù)雜性提出了重大挑戰(zhàn)，涂層等制造后的修改也會(huì)影響生產(chǎn)過程和成本。

IVD設(shè)備中使用的材料不僅定義了應(yīng)用程序的圖案和處理，還定義了設(shè)備的制造、性能、功能和成本。由于激光加工、光刻、蝕刻自動(dòng)化、晶圓鍵、功能、室溫紫外粘合劑鍵等工藝的進(jìn)步，玻璃和玻璃混合材料通常是最好的性能和最昂貴的耗材設(shè)備。

特征尺寸和設(shè)計(jì)復(fù)雜性

隨著尺寸的減小，曾經(jīng)被認(rèn)為是缺陷的表面異?？梢园l(fā)揮作用，晶圓加工技術(shù)可以產(chǎn)生與生物聚合物和細(xì)胞結(jié)構(gòu)尺寸相同的特征。反應(yīng)離子蝕刻（RIE）在玻璃中創(chuàng)建了細(xì)胞和生物分子對接站，增加的表面粗糙度可以與分子識別元件（如適當(dāng)?shù)模詈?，以提高選擇性。納米流體將體積限制在亞微米通道中，以利用小規(guī)?，F(xiàn)象。

雖然軟光刻聚二甲基硅氧烷（PDMS）在學(xué)術(shù)研究中很常見，但玻璃的機(jī)械、化學(xué)和光學(xué)特性比這些材料有許多優(yōu)點(diǎn)。例如，壁剛度和穩(wěn)定性有助于納米或微通道承受粘合或密封，而粘合玻璃承受流動(dòng)壓力的能力是關(guān)鍵。許多應(yīng)用程序受益于玻璃的熱性能、化學(xué)穩(wěn)定性和可忽略的自發(fā)熒光。最后，玻璃表面可以通過硅烷化反應(yīng)無限調(diào)整，以實(shí)現(xiàn)多種特性。

雖然硅通常是限制單個(gè)電池或創(chuàng)建特定流動(dòng)部分所需的高縱橫比特性的最佳材料，但當(dāng)玻璃的其他特性（如光學(xué)平滑度、介電常數(shù)、金屬層處理步驟要求、粘接方法等）時(shí)，玻璃通?？捎米骰?。半導(dǎo)體行業(yè)的加工技術(shù)可以創(chuàng)建高縱橫比的微米和納米通道，激光微加工和化學(xué)蝕刻的結(jié)合證明了玻璃的縱橫比高達(dá)20:1。大量描述玻璃表面改性的工作表明，玻璃作為基材，具有迄今為止化學(xué)可調(diào)性最強(qiáng)的表面。

生物應(yīng)用有時(shí)需要集成光學(xué)設(shè)備、光學(xué)窗口、電極、電子設(shè)備和3D結(jié)構(gòu)（如屏障或孔隙）。將超快激光制造、化學(xué)蝕刻等減料技術(shù)與化學(xué)鍍、CVD等增材方法相結(jié)合，可在玻璃和熔融石英中制造復(fù)雜的多功能芯片（包括聚合物表面的芯片），每種材料都有利于特定的應(yīng)用和設(shè)計(jì)參數(shù)。由于混合材料設(shè)備可以克服使用活細(xì)胞的挑戰(zhàn)，最好的解決方案通常是利用每種材料的特性。

基于芯片的IVD細(xì)胞培養(yǎng)系統(tǒng)的材料、配置和制造后處理的選擇取決于要觀察的細(xì)胞、培養(yǎng)基和現(xiàn)象。即使是通道設(shè)計(jì)也會(huì)影響細(xì)胞的活力，因?yàn)橛行┘?xì)胞比其他細(xì)胞更容易受到剪切應(yīng)力的影響。PDMS經(jīng)常被使用，因?yàn)樗臐B透性允許芯片上的細(xì)胞和與芯片周圍環(huán)境的氣體交換。然而，當(dāng)氣體和離子意外遷移時(shí)，這種特性會(huì)損害細(xì)胞的健康。類似地，在設(shè)備的一個(gè)區(qū)域定位細(xì)胞的圖案有很多優(yōu)點(diǎn)，但細(xì)胞最終可能會(huì)受到影響，因?yàn)楸砻鏁?huì)影響細(xì)胞的形狀和生理。

神經(jīng)元細(xì)胞通常用電極測量，這使得玻璃或硅上電極的標(biāo)準(zhǔn)化圖案成為選擇任何材料的原因。透明氧化鎵錫（ITO）電極的能力使平衡傾斜到玻璃上，因?yàn)樗鼈冊试S用顯微鏡監(jiān)測細(xì)胞，甚至在電極表面。

玻璃通常是光學(xué)方法的最佳材料，可以在室溫下使用紫外線粘合劑，這在業(yè)內(nèi)是眾所周知的，具有經(jīng)驗(yàn)證的生物毒性和生物相容性數(shù)據(jù)（見圖1）。

細(xì)胞粘附和分選

將細(xì)胞限制在特定區(qū)域的方法包括表面的微米和納米圖案，以及使用TMMF（一種光結(jié)構(gòu)材料）來創(chuàng)建所謂的2.5D結(jié)構(gòu)的中間層來捕獲和培養(yǎng)細(xì)胞。另一種策略是使用自組裝的單分子層（SAM）來定義表面功能，以實(shí)現(xiàn)粘附、潤滑、潤濕或蛋白質(zhì)的物理吸附?；诹虼嫉腟AMS與黃金發(fā)生反應(yīng)，黃金是一種容易在玻璃上形成圖案的金屬。硅烷是另一種著名的玻璃反應(yīng)化學(xué)工具，可實(shí)現(xiàn)IVD的重要表面修飾，包括增加細(xì)胞/生物分子粘附或液滴/數(shù)字微流體的疏水性；增加親水性，防止生物材料吸附；并為離子締合或其他目的添加表面電荷。

最近的研究表明，細(xì)胞幾何形狀的操作，如圓形或方形圖案，會(huì)影響關(guān)鍵的細(xì)胞過程。深度反應(yīng)離子蝕刻(DRIE)可以將硅、石英或玻璃晶片圖案化，用于硅微柱陣列(見圖2)。

圖 2. 玻璃中的納米柱增加了相互作用的表面積。

同樣，光成像粘合劑(PBA)可以利用標(biāo)準(zhǔn)MEMS工藝直接實(shí)現(xiàn)玻璃上經(jīng)濟(jì)復(fù)雜的流體通道系統(tǒng)。

廣泛應(yīng)用于異質(zhì)細(xì)胞群的分選。在三類細(xì)胞分選（基于熒光標(biāo)記、珠子和無標(biāo)記）中有多種選擇機(jī)制：光力、電、聲泳、磁、機(jī)械或被動(dòng)。

根據(jù)目標(biāo)的熒光效率、波長和檢測限制（LOD），即使需要其他材料（如電極），玻璃或熔融石英通常表現(xiàn)最好，因?yàn)樗鼈兊淖园l(fā)熒光很低。無標(biāo)記方法不一定不受驅(qū)動(dòng)玻璃選擇的光學(xué)透明度和低自發(fā)熒光要求。如果使用固有熒光、光學(xué)或光電鑷子，玻璃或玻璃混合物通常是最好的。

應(yīng)用基因組學(xué)

與其他生物測量一樣，用于高通量和小體積核酸分析的最佳材料在很大程度上取決于檢測機(jī)制和材料的熱特性。玻璃，玻璃是理想的，作為基材，它有其他吸引力：光學(xué)玻璃或熔融石英不會(huì)強(qiáng)烈抑制聚合酶鏈反應(yīng)（PCR）酶，也不會(huì)排氣或吸收可能被污染的水或離子酶反應(yīng)。

實(shí)現(xiàn)1000美元基因組目標(biāo)的一項(xiàng)重大創(chuàng)新是認(rèn)識到樣本制備的作用，包括使用數(shù)字PCR（DPCR）擴(kuò)展和定量DNA圖書館，這是將樣本分為單分子分區(qū)的一種方法。如此小的分區(qū)使得定量以小百分比的順序成為可能。

產(chǎn)生數(shù)千到數(shù)百萬液滴的關(guān)鍵能力主要取決于數(shù)字微流控芯片的設(shè)計(jì)和制造（見圖3）。由此產(chǎn)生的準(zhǔn)確性和選擇性有助于了解癌癥和其他疾病中復(fù)雜的表達(dá)方式，以及液體活檢等治療和診斷方法。

圖 3. 壓力驅(qū)動(dòng)液滴微流體組件的生產(chǎn)取決于玻璃的優(yōu)異表面特性：低表面粗糙度、化學(xué)惰性和高精度制造公差，以確?？稍佻F(xiàn)的液滴體積。

玻璃在制造壓力驅(qū)動(dòng)液滴微流體元件方面發(fā)揮著重要作用，因?yàn)樗哂斜砻娲植诙鹊?、化學(xué)慣性高、精度制造公差高的特點(diǎn)。此外，由于著名的表面化學(xué)，在親水玻璃上形成疏水區(qū)相對容易，以產(chǎn)生均勻的液滴體積，并幫助液滴分離。

數(shù)字微流體利用電極陣列和電潤濕產(chǎn)生液滴，并控制其大小和運(yùn)動(dòng)。因此，玻璃是最好的材料，因?yàn)樗璧母呙芏菼TO電極很容易在玻璃上形成圖案（見圖4）。

圖 4. 高密度氧化銦錫 (ITO) 電極很容易在玻璃上形成圖案。

許多下一代測序(NGS)技術(shù)使用了具有玻璃光學(xué)特性的光學(xué)方法。實(shí)現(xiàn)1000美元基因組的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)是建立一個(gè)玻璃表面，以創(chuàng)建一個(gè)圖案流動(dòng)池。圖案可以顯著降低圖像采集時(shí)間。這一成功的重要因素是亞微米晶圓級圖案的準(zhǔn)確性，使微流控芯片中的測序空間極其密集地包裝，達(dá)到傳統(tǒng)熒光成像系統(tǒng)的光學(xué)分辨率極限。

雖然無標(biāo)記分析似乎消除了對玻璃光學(xué)特性的需求，但玻璃仍有一些優(yōu)點(diǎn)。對于硅和玻璃，通道蝕刻深度的亞微米控制可以提高阻抗檢測的信噪比。ITO電極可以很容易地集成，從而集成數(shù)字微流體樣品的制備，有助于減少珍貴樣品和昂貴的試劑消耗。

無論應(yīng)用程序是什么，IVD開發(fā)人員都必須平衡生物學(xué)和設(shè)備工程的要求。在任何情況下，選擇循環(huán)池材料的基本步驟都會(huì)產(chǎn)生很大的影響。