本文關(guān)鍵詞：功能微流控芯片的激光制備及應(yīng)用

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【摘要】：微流控芯片是在微米級(jí)尺度空間內(nèi)對(duì)微升、納升體積的流體進(jìn)行精密操控的器件,整體構(gòu)造在硬幣大小。自上個(gè)世紀(jì)末誕生以來(lái),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(shì),廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)、生物學(xué)、化學(xué)等領(lǐng)域,曾被nature專(zhuān)刊譽(yù)為“這個(gè)世紀(jì)的技術(shù)”。當(dāng)前,通過(guò)集成多種微米級(jí)組件,微流控芯片可實(shí)現(xiàn)例如溫度調(diào)控、納米粒子合成、分子探測(cè)、細(xì)胞操縱等多形式實(shí)驗(yàn)過(guò)程。從加工技術(shù)的角度上分析,是微納加工技術(shù)的持續(xù)發(fā)展推動(dòng)了微流控芯片的快速進(jìn)步。目前,成熟的半導(dǎo)體工藝可以結(jié)合光刻與刻蝕技術(shù),基于玻璃、硅等材料制備出各類(lèi)尺寸、復(fù)雜形貌的微通道。若對(duì)微結(jié)構(gòu)的分辨率、深寬比要求較高,可選用深反應(yīng)離子刻蝕(DRIE)、感應(yīng)耦合等離子體刻蝕(ICP)及其它精密的刻蝕技術(shù)。最近,為了提高生產(chǎn)效率,許多課題組開(kāi)始借助于納米壓印、軟光刻技術(shù)制作聚合物微流控芯片。雖然微流控芯片制作領(lǐng)域已經(jīng)取得了顯著的成績(jī),不過(guò)如何在非平面的微通道內(nèi)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(guò)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(duì)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(jié)構(gòu),很難在三維微區(qū)空間內(nèi)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(wú)法滿足未來(lái)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(shù)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(shù)不斷成熟,已經(jīng)實(shí)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(lǐng)域嶄露頭角。例如基于多種光物理、光化學(xué)原理,包括激光燒蝕等減材制造技術(shù),激光光聚合、激光光還原、激光光動(dòng)力組裝等增材制造技術(shù)已經(jīng)應(yīng)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(yīng),可將加工分辨率提高至50納米以下,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)光學(xué)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(yīng)用:1.微閥門(mén)結(jié)構(gòu)在各類(lèi)微流控芯片中用途廣泛。尤其是能識(shí)別、響應(yīng)微環(huán)境變化,調(diào)控微流體通量的智能響應(yīng)微閥門(mén),在微流控生化反應(yīng)中意義很大。本論文第二部分首先介紹基于飛秒激光直寫(xiě)技術(shù),通過(guò)數(shù)控梯度聚合程序,制備出形貌、尺寸可調(diào),智能溶劑響應(yīng)的仿生微閥門(mén)。其次,基于飛秒激光光動(dòng)力組裝技術(shù),實(shí)現(xiàn)銀納米粒子的柔性組裝與應(yīng)用:制作了銀線陣列微加熱器;圖案化加工在電化學(xué)中應(yīng)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(jí)粗糙形貌、可以應(yīng)用于微流控催化化學(xué)的微反應(yīng)器。另外,成功在微生物體表,定位組裝磁性納米粒子,實(shí)現(xiàn)了對(duì)其運(yùn)動(dòng)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(dòng)力組裝技術(shù)可將任意成分的納米材料,在微區(qū)空間內(nèi)定位組裝在任意材料襯底表面,為進(jìn)一步豐富微流控芯片功能提供新思路。2.當(dāng)前絕大多數(shù)微流控芯片都需要外部壓力注射設(shè)備完成流體驅(qū)動(dòng),并不是名副其實(shí)的便攜式實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。數(shù)字微流控芯片提出將電場(chǎng)、磁場(chǎng)、光場(chǎng)、熱場(chǎng)、機(jī)械振動(dòng)場(chǎng)等物理場(chǎng)控制系統(tǒng)集成化、小型化,用于驅(qū)動(dòng)微液滴,取得了一定成績(jī)。但是這些外場(chǎng)不可避免的會(huì)對(duì)反應(yīng)體系產(chǎn)生負(fù)面影響。本論文第三部分介紹通過(guò)激光疏水改性聚二甲基硅氧烷(PDMS),制造了一款重力驅(qū)動(dòng)浮雕液滴微流控芯片:以天然無(wú)害的重力為驅(qū)動(dòng)力,此芯片可操控微液滴,按照超疏水浮雕結(jié)構(gòu)的引導(dǎo),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(shè)計(jì)出一套浮雕液滴微流控芯片模塊工具盒�？梢愿鶕�(jù)實(shí)驗(yàn)需要,挑選若干功能模塊,拼接在一起完成化學(xué)合成、生物標(biāo)記等應(yīng)用。憑借超疏水特性,浮雕芯片在使用過(guò)程中不會(huì)受到任何污染,可以重復(fù)使用,是一款便攜式移動(dòng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。3.飛秒激光直寫(xiě)以高精度制備三維微納結(jié)構(gòu)的能力著稱(chēng)。但是點(diǎn)點(diǎn)掃描的加工方式導(dǎo)致加工效率較低,嚴(yán)重阻礙其大規(guī)模應(yīng)用。本論文第四部分介紹微流控芯片輔助飛秒激光直寫(xiě)技術(shù):將飛秒激光緊聚焦在連續(xù)光敏微流體中持續(xù)進(jìn)行三維直寫(xiě),隨著光敏流體的不斷流動(dòng),即可加工出長(zhǎng)度可調(diào)的、具有精細(xì)三維微納結(jié)構(gòu)的纖維。此工藝本質(zhì)上基于飛秒激光雙光子聚合技術(shù),在繼承后者所有的優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上,突破了后者在加工尺度上的限制,理論上可直寫(xiě)出無(wú)限長(zhǎng)微納結(jié)構(gòu)。對(duì)比所有其他微納加工技術(shù),只有此工藝能以超越衍射極限的分辨率直寫(xiě)三維無(wú)限長(zhǎng)微納結(jié)構(gòu)�？傮w來(lái)說(shuō),本論文介紹了基于激光微納加工技術(shù)制造微流控芯片、借助于微流控芯片進(jìn)行激光微納加工的創(chuàng)新性工作。首先,基于飛秒激光直寫(xiě)技術(shù),在微通道內(nèi)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(shù),制造出功能多樣、可靈活組裝、可重復(fù)利用的重力驅(qū)動(dòng)浮雕微流控芯片,一種新型便攜式移動(dòng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。另外,以連續(xù)流微流控芯片為輔助,進(jìn)行飛秒激光直寫(xiě),得到長(zhǎng)度可調(diào)、具有精細(xì)三維結(jié)構(gòu)的纖維。本論文對(duì)微流控芯片技術(shù)、激光微納加工技術(shù)的發(fā)展均將起到一定推動(dòng)作用。
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類(lèi)號(hào)】：TN492

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