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(guò)來(lái)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(cè)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(guò)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)為是缺陷的表面異常可以發(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(duì)接站，增加的表面粗糙度可以與分子識(shí)別元件（如適當(dāng)?shù)模詈希蕴岣哌x擇性。納米流體將體積限制在亞微米通道中，以利用小規(guī)模現(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(guò)硅烷化反應(yīng)無(wú)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)，玻璃通常可用作基板。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(cè)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(cè)试S用顯微鏡監(jiān)測(cè)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(lái)創(chuàng)建所謂的2.5D結(jié)構(gòu)的中間層來(lái)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(lái)定義表面功能，以實(shí)現(xiàn)粘附、潤(rùn)滑、潤(rùn)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(guò)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(wú)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(zhǎng)和檢測(cè)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(wú)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(cè)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(cè)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(shí)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(wàn)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(duì)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(rùn)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(cè)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(jí)圖案的準(zhǔn)確性，使微流控芯片中的測(cè)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(wú)標(biāo)記分析似乎消除了對(duì)玻璃光學(xué)特性的需求，但玻璃仍有一些優(yōu)點(diǎn)。對(duì)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(cè)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(wú)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。