水輔助飛秒激光直寫微流芯片及其在細胞分選中的應用.pdf

1、近年來作為微全分析系統(tǒng)關鍵部件的微流芯片及其制備技術越來越完善。多種新材料與新技術的應用使微流芯片的制備從簡單微流通道結構向更加復雜的微流通道網絡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,各種三維復雜結構的玻璃微流芯片仍較難實現。本文中,作者提出了使用水輔助飛秒激光直寫技術在玻璃材料中制備三維微流芯片的全新方法。同時,給出了飛秒激光與水相互作用刻蝕玻璃材料的機理解釋,在玻璃材料內部制備出多種二維和三維微流芯片,并將制備

2、的微流芯片應用于細胞分選。具體工作如下:
　　采用水輔助飛秒激光直寫技術制備了三維玻璃微流芯片。該方法可在玻璃材料內部直接制備出具有復雜三維空間網絡微流通道結構的玻璃微流芯片。客服了現有機械加工和光刻技術無法直接在玻璃樣品內部制備微流通道的難點,同時解決了現有三維微流芯片中通道長度短、三維結構簡單的問題。與傳統(tǒng)的飛秒激光直寫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、空間結構和連接方式更加復雜多樣。在

3、水輔助飛秒激光直寫微流通道過程中,飛秒激光誘導產生的氣泡會使通道內外部的液體形成對流,實現微流通道的自清洗,隨微流通道長度增加這種自清洗效應會逐漸減弱,最終使制備的微流通道長度達到極限。如何有效的排出微流通道內部的粉末是水輔助飛秒激光直寫技術的一個難點,因此,本文通過研究微流通道的自清洗機制,提出了一種有效的微流通道清洗方法,不僅實現了長微流通道的制備,而且實現了在玻璃內部制備長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、掃描單元進給量對制備微流通道的影響。為提高微流通道內表面的光滑程度,研究了玻璃微流芯片的退火工藝。在退火過程中,隨溫度的升高使微流通道內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,使內表面變得平滑,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。通過對玻璃微流芯片退火溫度的調節(jié)可以控制微流通道直徑的大小。
　　研究了飛秒激光誘導水擊穿對玻璃材料進行刻蝕的機理。飛秒激光聚焦到水中,當

5、脈沖能量密度達到誘導水光學擊穿閾值時,會產生聲、光、熱等一系列復雜的物理現象。研究了飛秒激光誘導光學水擊穿時,水下沖擊波和高速射流的產生,并解釋了沖擊波和高速射流對玻璃材料進行刻蝕的機理。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技術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水擊穿產生的沖擊波和高速射流對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產生的微流通道中心上移的現象,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系。
　　采用飛秒激光直寫和化學腐蝕的方法在玻璃內部制備出了長螺旋微流通道。由于螺旋形微流通道具有高度復雜的空間結構,受制備方法的限制螺旋微流通道的實現一直是微流芯片制備領域內的一個難題。本文采用飛秒激光直寫技術在玻璃材料內部直寫螺旋微流通道圖形,然后使用5％的氫氟酸和高功率超聲清洗的方法對玻璃樣品進行腐蝕,制備出了長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,開口端直徑約為110μm。
　　研究了微流芯片在細胞分選上的應用,并使用飛秒光鑷技術成功實現了細胞的分選。設計了一種具有細胞分選和收集功能的微流芯片結構,并使用水輔助飛秒激光直寫法在玻璃內制備了細胞分選微流芯片。為使用飛秒光鑷實現細胞分選,本文提出了一種高效的微流芯片預處理方法,以降低微流通道內表面的粗糙度。由于紅外波長的激光對生物組織