本文關鍵詞：功能微流控芯片的激光制備及應用

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【摘要】：微流控芯片是在微米級尺度空間內對微升、納升體積的流體進行精密操控的器件,整體構造在硬幣大小。自上個世紀末誕生以來,微流控芯片以靈敏度高、效率高、試劑消耗量低、環(huán)境友好、便攜等優(yōu)勢,廣泛應用于醫(yī)學、生物學、化學等領域,曾被nature�？u為“這個世紀的技術”。當前,通過集成多種微米級組件,微流控芯片可實現(xiàn)例如溫度調控、納米粒子合成、分子探測、細胞操縱等多形式實驗過程。從加工技術的角度上分析,是微納加工技術的持續(xù)發(fā)展推動了微流控芯片的快速進步。目前,成熟的半導體工藝可以結合光刻與刻蝕技術,基于玻璃、硅等材料制備出各類尺寸、復雜形貌的微通道。若對微結構的分辨率、深寬比要求較高,可選用深反應離子刻蝕(DRIE)、感應耦合等離子體刻蝕(ICP)及其它精密的刻蝕技術。最近,為了提高生產效率,許多課題組開始借助于納米壓印、軟光刻技術制作聚合物微流控芯片。雖然微流控芯片制作領域已經取得了顯著的成績,不過如何在非平面的微通道內原位、靈活集成多材料功能化部件,一直是微流控芯片發(fā)展過程中的挑戰(zhàn)。首先,微流控芯片中微通道一般是由光刻、壓印等工藝制作的,四壁并不是平面,這就對在其中精密集成功能化組件提出較高要求。而傳統(tǒng)工藝只能制作二維結構,很難在三維微區(qū)空間內集成微納部件。另外,目前可用于制作芯片的材料限于聚合物、玻璃、硅,無法滿足未來多功能微流控芯片的需求。這些障礙成為微流控芯片加工技術亟待突破的瓶頸。近幾年,可高精度三維加工的激光微納制造技術不斷成熟,已經實現(xiàn)了在各種非平面微流控芯片中靈活、定位集成眾多功能化組件,在本領域嶄露頭角。例如基于多種光物理、光化學原理,包括激光燒蝕等減材制造技術,激光光聚合、激光光還原、激光光動力組裝等增材制造技術已經應用于加工玻璃、金屬、納米材料、生物材料并制作微流控芯片。特別是,超短脈沖激光能顯著地壓制熱效應,可將加工分辨率提高至50納米以下,遠遠超過光學衍射極限。在此大背景下,本論文介紹若干新型功能微流控芯片的激光制備及其應用:1.微閥門結構在各類微流控芯片中用途廣泛。尤其是能識別、響應微環(huán)境變化,調控微流體通量的智能響應微閥門,在微流控生化反應中意義很大。本論文第二部分首先介紹基于飛秒激光直寫技術,通過數(shù)控梯度聚合程序,制備出形貌、尺寸可調,智能溶劑響應的仿生微閥門。其次,基于飛秒激光光動力組裝技術,實現(xiàn)銀納米粒子的柔性組裝與應用:制作了銀線陣列微加熱器;圖案化加工在電化學中應用廣泛的叉指電極、雙電極系統(tǒng)、微電極陣列等體系;制備了具有納米級粗糙形貌、可以應用于微流控催化化學的微反應器。另外,成功在微生物體表,定位組裝磁性納米粒子,實現(xiàn)了對其運動路徑的全面控制,可用于制作活體生物微流控芯片。從原理上講,飛秒激光光動力組裝技術可將任意成分的納米材料,在微區(qū)空間內定位組裝在任意材料襯底表面,為進一步豐富微流控芯片功能提供新思路。2.當前絕大多數(shù)微流控芯片都需要外部壓力注射設備完成流體驅動,并不是名副其實的便攜式實驗平臺。數(shù)字微流控芯片提出將電場、磁場、光場、熱場、機械振動場等物理場控制系統(tǒng)集成化、小型化,用于驅動微液滴,取得了一定成績。但是這些外場不可避免的會對反應體系產生負面影響。本論文第三部分介紹通過激光疏水改性聚二甲基硅氧烷(PDMS),制造了一款重力驅動浮雕液滴微流控芯片:以天然無害的重力為驅動力,此芯片可操控微液滴,按照超疏水浮雕結構的引導,精確完成傳輸、通路選擇、劈裂、融合、振蕩、跳躍,以及多步驟集成操作。此外,筆者提出模塊化拼接微流控芯片的概念,設計出一套浮雕液滴微流控芯片模塊工具盒。可以根據(jù)實驗需要,挑選若干功能模塊,拼接在一起完成化學合成、生物標記等應用。憑借超疏水特性,浮雕芯片在使用過程中不會受到任何污染,可以重復使用,是一款便攜式移動實驗平臺。3.飛秒激光直寫以高精度制備三維微納結構的能力著稱。但是點點掃描的加工方式導致加工效率較低,嚴重阻礙其大規(guī)模應用。本論文第四部分介紹微流控芯片輔助飛秒激光直寫技術:將飛秒激光緊聚焦在連續(xù)光敏微流體中持續(xù)進行三維直寫,隨著光敏流體的不斷流動,即可加工出長度可調的、具有精細三維微納結構的纖維。此工藝本質上基于飛秒激光雙光子聚合技術,在繼承后者所有的優(yōu)點的基礎上,突破了后者在加工尺度上的限制,理論上可直寫出無限長微納結構。對比所有其他微納加工技術,只有此工藝能以超越衍射極限的分辨率直寫三維無限長微納結構�？傮w來說,本論文介紹了基于激光微納加工技術制造微流控芯片、借助于微流控芯片進行激光微納加工的創(chuàng)新性工作。首先,基于飛秒激光直寫技術,在微通道內原位集成多種材料功能化組件,豐富微流控芯片性能。其次,基于激光雕刻、表面改性技術,制造出功能多樣、可靈活組裝、可重復利用的重力驅動浮雕微流控芯片,一種新型便攜式移動實驗平臺。另外,以連續(xù)流微流控芯片為輔助,進行飛秒激光直寫,得到長度可調、具有精細三維結構的纖維。本論文對微流控芯片技術、激光微納加工技術的發(fā)展均將起到一定推動作用。
【學位授予單位】：吉林大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：TN492

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本文編號：1264880