水輔助飛秒激光直寫(xiě)微流芯片及其在細(xì)胞分選中的應(yīng)用.pdf

1、近年來(lái)作為微全分析系統(tǒng)關(guān)鍵部件的微流芯片及其制備技術(shù)越來(lái)越完善。多種新材料與新技術(shù)的應(yīng)用使微流芯片的制備從簡(jiǎn)單微流通道結(jié)構(gòu)向更加復(fù)雜的微流通道網(wǎng)絡(luò)和各種光電器件集成化方向發(fā)展。到目前為止,受加工方法的限制,各種三維復(fù)雜結(jié)構(gòu)的玻璃微流芯片仍較難實(shí)現(xiàn)。本文中,作者提出了使用水輔助飛秒激光直寫(xiě)技術(shù)在玻璃材料中制備三維微流芯片的全新方法。同時(shí),給出了飛秒激光與水相互作用刻蝕玻璃材料的機(jī)理解釋,在玻璃材料內(nèi)部制備出多種二維和三維微流芯片,并將制備

2、的微流芯片應(yīng)用于細(xì)胞分選。具體工作如下:
　　采用水輔助飛秒激光直寫(xiě)技術(shù)制備了三維玻璃微流芯片。該方法可在玻璃材料內(nèi)部直接制備出具有復(fù)雜三維空間網(wǎng)絡(luò)微流通道結(jié)構(gòu)的玻璃微流芯片。客服了現(xiàn)有機(jī)械加工和光刻技術(shù)無(wú)法直接在玻璃樣品內(nèi)部制備微流通道的難點(diǎn),同時(shí)解決了現(xiàn)有三維微流芯片中通道長(zhǎng)度短、三維結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的問(wèn)題。與傳統(tǒng)的飛秒激光直寫(xiě)輔以氫氟酸腐蝕制備三維微流芯片方法相比,制備的微流通道直徑均勻、邊緣規(guī)則、空間結(jié)構(gòu)和連接方式更加復(fù)雜多樣。在

3、水輔助飛秒激光直寫(xiě)微流通道過(guò)程中,飛秒激光誘導(dǎo)產(chǎn)生的氣泡會(huì)使通道內(nèi)外部的液體形成對(duì)流,實(shí)現(xiàn)微流通道的自清洗,隨微流通道長(zhǎng)度增加這種自清洗效應(yīng)會(huì)逐漸減弱,最終使制備的微流通道長(zhǎng)度達(dá)到極限。如何有效的排出微流通道內(nèi)部的粉末是水輔助飛秒激光直寫(xiě)技術(shù)的一個(gè)難點(diǎn),因此,本文通過(guò)研究微流通道的自清洗機(jī)制,提出了一種有效的微流通道清洗方法,不僅實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)微流通道的制備,而且實(shí)現(xiàn)了在玻璃內(nèi)部制備長(zhǎng)螺旋微流通道陣列和多層三維微流芯片。
　　研究了飛秒

4、激光能量、掃描速度、掃描單元進(jìn)給量對(duì)制備微流通道的影響。為提高微流通道內(nèi)表面的光滑程度,研究了玻璃微流芯片的退火工藝。在退火過(guò)程中,隨溫度的升高使微流通道內(nèi)表面玻璃材料首先發(fā)生軟化并在表面張力的作用下發(fā)生流動(dòng),使內(nèi)表面變得平滑,并且在高溫的作用下,玻璃材料不斷的向周圍膨脹使微流通道直徑不斷減小。通過(guò)對(duì)玻璃微流芯片退火溫度的調(diào)節(jié)可以控制微流通道直徑的大小。
　　研究了飛秒激光誘導(dǎo)水擊穿對(duì)玻璃材料進(jìn)行刻蝕的機(jī)理。飛秒激光聚焦到水中,當(dāng)

5、脈沖能量密度達(dá)到誘導(dǎo)水光學(xué)擊穿閾值時(shí),會(huì)產(chǎn)生聲、光、熱等一系列復(fù)雜的物理現(xiàn)象。研究了飛秒激光誘導(dǎo)光學(xué)水擊穿時(shí),水下沖擊波和高速射流的產(chǎn)生,并解釋了沖擊波和高速射流對(duì)玻璃材料進(jìn)行刻蝕的機(jī)理。研究了不同飛秒激光脈沖能量下,使用水輔助飛秒激光直寫(xiě)技術(shù)制備的微流通道截面形狀、中心和直徑尺寸的變化。提出了飛秒激光誘導(dǎo)水擊穿產(chǎn)生的沖擊波和高速射流對(duì)玻璃材料的各向同性刻蝕模型。解釋了隨飛秒激光脈沖能量的增加誘導(dǎo)產(chǎn)生的微流通道中心上移的現(xiàn)象,并給出了半

6、徑隨飛秒激光能量增大而增大的線性變化關(guān)系。
　　采用飛秒激光直寫(xiě)和化學(xué)腐蝕的方法在玻璃內(nèi)部制備出了長(zhǎng)螺旋微流通道。由于螺旋形微流通道具有高度復(fù)雜的空間結(jié)構(gòu),受制備方法的限制螺旋微流通道的實(shí)現(xiàn)一直是微流芯片制備領(lǐng)域內(nèi)的一個(gè)難題。本文采用飛秒激光直寫(xiě)技術(shù)在玻璃材料內(nèi)部直寫(xiě)螺旋微流通道圖形,然后使用5％的氫氟酸和高功率超聲清洗的方法對(duì)玻璃樣品進(jìn)行腐蝕,制備出了長(zhǎng)3mm的螺旋微流通道。在氫氟酸腐蝕作用下,制備的螺旋微流通道內(nèi)表面較粗糙,本

7、文采用退火的方法,有效提高了微流通道內(nèi)表面的光滑程度。退火后螺旋微流通道中間區(qū)域直徑為80μm,開(kāi)口端直徑約為110μm。
　　研究了微流芯片在細(xì)胞分選上的應(yīng)用,并使用飛秒光鑷技術(shù)成功實(shí)現(xiàn)了細(xì)胞的分選。設(shè)計(jì)了一種具有細(xì)胞分選和收集功能的微流芯片結(jié)構(gòu),并使用水輔助飛秒激光直寫(xiě)法在玻璃內(nèi)制備了細(xì)胞分選微流芯片。為使用飛秒光鑷實(shí)現(xiàn)細(xì)胞分選,本文提出了一種高效的微流芯片預(yù)處理方法,以降低微流通道內(nèi)表面的粗糙度。由于紅外波長(zhǎng)的激光對(duì)生物組織